基于电力物联网气敏传感器技术的变压器故障诊断探讨

基于电力物联网气敏传感器技术的变压器故障诊断探讨

赵鹏程

(东北农业大学150030)

摘要：本文结合当前我国现代电网探索发展的具体实践，基于物联网基态下电力供应技术及设备运维工作的现实，对气敏传感器技术的实施原理作简要的阐述；并结合电力系统中变压器所产生的故障现象，对气敏传感器的基本结构和应用方法作进一步的讨论与分析；参考气敏传感器技术变压器故障诊断的现实工作经验，对基于气敏传感器技术之上变压器故障诊断的优化思路和实施举措进行详细的探析与阐述，旨在为提升气敏传感器技术的应用水平以及变压器故障诊断的效能提供借鉴与参考。

关键词：电力物联网；气敏传感器技术；变压器故障诊断

变压器故障是输配电系统中常见的故障之一，其故障现象多样，诱发因素多维，产生的影响和危害深远。在当前的电力系统中，为了提升对变压器故障预警和检测的动态性、效率性和精准性，逐步开始将现代传感技术、微电子技术等智能化技术应用于变压器等电力核心部件的状态监测和故障诊断工作之中。而其中的气敏传感器技术利用其对于变压器内部混合气体中可燃气体含量的动态、高敏检测优势，能够精准而快速地对变压器的运行状况作出相对应的判断，进而在提升变压器运行可靠性上具有良好的应用价值与实施效能。

1、气敏传感器技术应用于变压器故障诊断的实施原理

油浸式变压器的绝缘油中含有一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、氢气等气体，而这些气体在变压器正常运行状态下的含量是一定或是在标准的范围内进行上下的浮动，但随着变压器使用年限的增长，或产生过热、火花放电、电弧放电、局部放电、受潮等故障时，其内中气体的含量就会发生不同程度的变化，即在非常态下变压器绝缘介质裂解产生含有独特碳氢化合物的气态化学混合物，如金属过热下的甲烷乙烷乙烯，如高温、电弧、临介放电下的氢气和乙炔等气体[1]。而如果在此时没有有效诊断出气体含量变化下变压器故障发生的机理，进而采取措施予以修正和避免时，就有可能造成绝缘击穿、线圈短路、甚至是起火爆炸等更为严重的故障和事故。

气敏传感器就是一种能够检测特定气体的传感器，在当前电力领域应用最为普遍的就是半导体电阻式气敏传感器，它利用吸附于半导体上的气体的浓度变化（在变压器中一般以氢气为特征气体），使半导体的电阻值随气体浓度的变化而变化，进而将气体的种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，以根据这些电信号的强弱就来获得与待测气体在变压器环境中的存在情况，从而达到对变压器运行状况和故障种类的有效的检测、监控和预警。

2、气敏传感器应用于变压器故障诊断的流程与方法

气敏传感器能够在线监测运行中变压器油中的H2、CO、C2H2、C2H4及总烃等可燃气体的含量，并可逐步扩展到铁芯、绕组、局放的监测，以达到检测潜伏性故障的目的。在其中需要解决油气分离、安装后自动控制操作的问题，并及时而高敏地检测油气中H2的含量变化（由于大部分变压器故障都会产生氢气），进而结合国标提供的氢气与总烃检测的标准，实现在线的故障诊断功能。也就是说，在变压器中应用气敏传感器进行故障诊断的流程主要分为油气分离、气体检测与传感、数据处理、数据传输和故障报警与诊断着几个流程。具体的流程详见图一：

图一：气敏传感器的故障检测流程

2.1油气分离技术的实施

为了获得平衡转换系数，从而使测量气室中的气体浓度能准确的推断油中溶解气体的实际浓度，就需在气体检测传感之前进行有效的油气分离[2]。传统的油气分离方法一般采用循环法和搬家法，但这两种方法不仅操作复杂、效率低，而且难以获得良好的平衡转换系数。而在气敏传感器技术的应用中，可采用高分子透气膜实现自动脱气，这种高分子透气膜能够高效过滤油体中的气体，使其逐渐进入气室，并能够实现气室中气体浓度与油液中溶解气体浓度的平衡，进而利用气室中气体浓度的检测，得出油中溶解气体的实际浓度，其推断公式如下：

(1)

其中Coi是油中的实际某一气体浓度；Ki是油气平衡转换系数（奥斯瓦尔德常数），该系数与变压器中的油温、油性、和油中气体的性质相关；而Cgi为气室中某一气体的浓度。进而能够在一定的周期内对变压器能的气体进行连续的油气分离检测，从而结合特定气体的浓度变化情况，对其的运行状态和故障范围进行定义。

2.2氢气的检测方法

氢气作为变压器故障的特征气体，在发生高温故障和电弧、火花等放电故障中都会伴有氢气浓度的变化，因此，对于氢气气体的浓度检测与传感，对变压器故障的诊断与检修具有重要价值。气敏传感器技术应用于变压器中氢气的检测与传感可采用固态钯合金技术，这种技术不受CO、CH等其他可燃气体影响，并能够有效解决燃料电池等电化学型单氢产品氢气测量不准确、误报警频率较高的问题。其利用被测氢气通过扩散栅栏进入传感器，能够在感应电极表面和负电极表面处分别发生氧化反应和还原反应，以此产生出内部的电流，进而将传感器与外部电路接通，因电流的产生出于氢气的产生与浓度的大小，那么通过测定内部电流大小就可以有效推断出变压器内氢气的浓度，以动态判断变压器是否出于正常运行状态，或是对故障产生的范围进行有效的定义。

2.3乙炔的检测方法

对于乙炔气体浓度的检测，可以在气室中放置一个乙炔的气敏传感器，也可以安装一个固定的乙炔在线气敏检测传感仪器，进而达到对气室中气体浓度的连续检测。在乙炔气体浓度的的检测过程中，需要对油温和气温进行全量程内的跟踪检测与补偿，并实现对于传感仪器精度的有效校准[3]。当前的一些自动化的在线检测仪器可以实现自动化的温度补偿与远程校准，还能够达到远程监视，远程控制，远程报警，计算机数据存储、分析等功能，进而为变压器故障的检测提供了精准的助力。

除了氢气和乙炔气体的检测，其还可以利用诸如一氧化碳、总烃等气体的气敏传感器进行特定气体的在线检测，亦或是利用能够全面检测变压器故障气体的气敏传感仪器，通过气体的依次分别分离，实现对于不同气体的浓度检测，以达到对于故障的综合分析与精准判断。

3、气敏传感器检测数据的应用思路与举措

对于气敏传感器检测数据的应用思路和故障分析流程，应当按以下步骤进行:

（1）根据气体的浓度检测值和推定值对变压器有无故障进行判断（浓度是否超出注意值）。其中变压器溶解气体的浓度注意值详见表一：

表一：变压器溶解气体的浓度注意值

（2）结合浓度变化值，配合产气的速率、热点温度和油饱和的水平等的估算与分析，进行故障的类型和故障状况的综合诊断，诸如当发现氢气超标时，其热点温度并不具有变压器过热和放电的条件，而且随着时间的推移，其氢含量有着一定的增长，基本上就可以判断变压器内部进水和受潮，进而采取必要的措施进行检修和处理。

（3）结合故障分析与判断，提出相应的处理措施，如脱气、限制负荷和检查修理等。

4、结语

气敏传感器技术能够结合变压器运行中产生气体的机理，通过对其内部气体在油气有效分离基础上的特定检测，从而给予故障气体连续监测传感基态下，故障的综合、及时、精准预警预判断.为了不断提升气敏传感技术的应用水平，其需要不断深化在油气分离中的应用适应性与完整性，并在远程控制与数据整合传输上进行多维的提升，以为变压器运行可靠性的增强提供关键性的技术支持。

参考文献:

[1]殷乃良.NMOs修饰石墨烯气敏传感器及其变压器故障特征气体检测研究[D].

[2]沈鑫,曹敏,尹福荣.电力物联网气敏传感器技术在变压器故障诊断中的应用[J].云南电力技术,46(6).

[3]张挺.气敏传感器用于变压器油中溶解气体在线监测系统的研究[D].华中科技大学,2005.