李思玨 ，韓 強 ，陳云雷

（1.東華大學 機械工程學院，上海 201620；2.上海岡村家具物流設(shè)備有限公司，上海 200062）

220 kV變壓器油中氣在線監(jiān)測系統(tǒng)

李思玨1，韓 強1，陳云雷2

（1.東華大學 機械工程學院，上海 201620；2.上海岡村家具物流設(shè)備有限公司，上海 200062）

該文介紹了基于氧化鋯和紅外光譜檢測器的220 kV變壓器油中氣在線監(jiān)測系統(tǒng)。在標定試驗的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了對變壓器油中溶解的7種特征氣體組分含量的在線實時監(jiān)測，從而滿足了對電力變壓器工作狀態(tài)診斷分析的需求。

在線監(jiān)測系統(tǒng)；油中溶解氣體分析；油浸變壓器；檢測器；數(shù)據(jù)處理

我國是電網(wǎng)大國，電網(wǎng)即將進入“智能化”時代，對變壓器的安全穩(wěn)定運行提出了更高的要求，為此基于油中氣在線監(jiān)測技術(shù)的變壓器絕緣性能監(jiān)測擁有廣闊的應(yīng)用前景。由于油中溶解氣體分析不受外界電場和磁場的影響，且能夠在無需停電的情況下進行，已經(jīng)成為診斷油浸高壓電力變壓器早期故障及預防災(zāi)難性事故的有效方法之一。

目前國內(nèi)已經(jīng)能夠在線監(jiān)測變壓器油中7種特征氣體組分，即 H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，CO，CO2。然而，大多數(shù)分析工具仍依托于實驗室氣相色譜儀，而大多數(shù)油中氣體監(jiān)測儀與國外同類產(chǎn)品相比，檢測范圍小、測量精度低，且很難達到在線監(jiān)測的要求。隨著在線監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，變壓器油中氣在線監(jiān)測必將得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。

在此，采用自主設(shè)計的氧化鋯檢測器和CO2紅外光譜檢測器，結(jié)合計算機軟、硬件與現(xiàn)場總線技術(shù)，設(shè)計了一套基于氣相色譜法的變壓器油中氣在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過標定試驗，可以實現(xiàn)對變壓器油中氣組分的實時分析，以及對電力變壓器的故障預估和變壓器運行狀態(tài)的評判。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)

由于變壓器油中氣在線監(jiān)測裝置涉及分析化學、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)和精密機械等多個學科，因此系統(tǒng)的復雜度較高。根據(jù)在線監(jiān)測系統(tǒng)功能多樣、結(jié)構(gòu)復雜的特點，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計的方法，以發(fā)揮其調(diào)試簡單、開發(fā)周期短的特點。在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 220 kV油中氣在線監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of on-line monitoring system for dissolved gasses in 220 kV

220 kV油中氣在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由混合氣樣品制備單元、檢測器氣路單元、嵌入式控制單元和計算機數(shù)據(jù)處理單元構(gòu)成。

混合氣樣品制備單元主要由定容積頂空油缸（200 mL）、定量注油裝置和脫氣裝置組成。脫氣采用恒溫（50℃）攪拌脫氣法。檢測器氣路單元由不銹鋼氣管、恒壓閥和六通閥等元件構(gòu)成，完成載氣N2和混合氣向檢測器機構(gòu)的輸送，以及檢測后廢氣的排出。系統(tǒng)采用紅外光譜檢測器檢測CO2氣體濃度，氧化鋯檢測器檢測混合氣中H2和烴類氣體的濃度。

嵌入式控制單元負責系統(tǒng)中檢測器、油缸和色譜柱箱的恒溫控制（溫度控制精度±0.5℃），紅外檢測器的數(shù)據(jù)采集，脫氣裝置的油量定量控制和混合樣品氣體的脫出，系統(tǒng)中各閥門的控制時序和與上位計算機的現(xiàn)場總線通訊工作。采用ARM9高速處理器STM32F103，保證系統(tǒng)的實時性。

上位機數(shù)據(jù)處理單元采用工業(yè)控制計算機、PCI接口的信號采集卡和色譜工作站軟件，對氧化鋯檢測器信號進行提取，通過串行通訊接口實現(xiàn)Modbus總線通訊，獲取CO2濃度的數(shù)據(jù)。利用VC++軟件編程實現(xiàn)系統(tǒng)的人機界面、混合氣組分的分析，以及電力變壓器狀態(tài)的評估及預判。

2 變壓器油中氣在線監(jiān)測系統(tǒng)模塊設(shè)計

變壓器油中氣在線監(jiān)測系統(tǒng)的檢測準確性，主要依靠嵌入式控制單元和高精度的檢測器。嵌入式控制單元實現(xiàn)油中氣脫氣、輸送、檢測及控制系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)，對高精度的檢測器信號進行處理，為檢測器提供適合的工作條件。檢測器是精確檢測混合氣體成分的基礎(chǔ)。

2.1 嵌入式控制單元

嵌入式控制單元，主要實現(xiàn)系統(tǒng)中機構(gòu)與處理器之間各種信息的雙向互通，為油中氣組分分析的準確提供基礎(chǔ)。其具體功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 嵌入式控制單元結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of emnedded control unit

嵌入式控制單元中，處理器采用ARM9系列STM32F103ZET6作為MCU，控制、協(xié)調(diào)各模塊運作，對采集到的數(shù)據(jù)進行處理、存儲，并與上位機進行通信。STM32F103ZET6是基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器，有512 kB片內(nèi)Flash，64 kB片內(nèi)RAM，最高72 MHz工作頻率。

CO2檢測信號、Pt100溫度采集、油缸油量和脫氣量的檢測與MCU之間通過A/D轉(zhuǎn)換進行信息傳輸。A/D轉(zhuǎn)換采用8通道14位精度元器件Max 125，轉(zhuǎn)換速率16 kHz。MCU與工控機通過232接口連接，采用Modbus總線協(xié)議將嵌入式控制單元中的變壓器油監(jiān)測系統(tǒng)的信息及狀態(tài)傳輸?shù)接嬎銠C的HMI中實時顯示。

系統(tǒng)中氧化鋯檢測器、色譜柱箱和定容頂空油缸的溫度控制，由MCU通過溫度閉環(huán)系統(tǒng)及相關(guān)PID算法實現(xiàn)，能夠保證工作溫度的控制精度。定容頂空油缸脫氣裝置的油量、脫氣量信息通過傳感器及轉(zhuǎn)換電路被送入A/D，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送至MCU；MCU根據(jù)相關(guān)信息經(jīng)過計算處理后控制相應(yīng)閥門的開、關(guān)、開度狀態(tài)，以保證恒定油量的脫氣量，確保變壓器油中氣組分分析的準確。

由于系統(tǒng)中檢測油中氣各組分高濃度范圍，所對應(yīng)的氧化鋯檢測器輸出電壓信號的峰值，超出了PCI信號采集卡的量程。因此，使用檢測器輸出峰值轉(zhuǎn)換單元，將氣體組分高濃度區(qū)間的輸出電壓信號進行衰減。嵌入式控制單元控制峰值轉(zhuǎn)換單元，依據(jù)峰值電壓的區(qū)間控制所需的衰減系數(shù)，A/D轉(zhuǎn)換對檢測器的輸出電壓峰值進行采集。

2.2 檢測器設(shè)計

系統(tǒng)的檢測器能夠在線監(jiān)測裝置流出組分及其變化。被測組分以氣態(tài)分子和載氣分子的混合狀態(tài)經(jīng)色譜柱流出，使用相關(guān)裝置或方法將混合氣態(tài)的組分濃度轉(zhuǎn)換為可測量的電信號，信號的大小與組分的量成正比。檢測器通常由傳感器和檢測電路構(gòu)成，工作環(huán)境條件要求恒溫、恒壓等。變壓器油中氣在線監(jiān)測系統(tǒng)，主要通過氧化鋯檢測器和紅外檢測器來完成對油中氣混合組分的成分含量分析。

2.2.1 氧化鋯檢測器設(shè)計

利用H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，CO在穩(wěn)定的氧化鋯固體電解質(zhì)原電池中，能夠發(fā)生電化學反應(yīng)產(chǎn)生電動勢的特性，將氧化鋯原電池作為本裝置的檢測器。同時，采用與被測樣品氣體中主要組分相同的超純氣體作為載氣，在此以純度為 （體積分數(shù)）99.999%的高純N2作為載氣。在恒定溫度700℃下，檢測器輸出本底電動勢與各組分氣體濃度成比例關(guān)系。

氧化鋯檢測器固體電解質(zhì)由ZrO2和Y2O3構(gòu)成，呈一端封閉的試管結(jié)構(gòu)，管長90 mm，內(nèi)徑6 mm，壁厚1 mm。鋯管的內(nèi)外壁涂有Pt電極，鋯管內(nèi)部與空氣相通，為參比半電池；外部與待測氣體相通，為測量半電池。如圖3所示，整個鋯管插入陶瓷管內(nèi)，陶瓷管外為加熱爐裝置，爐中裝有Pt100溫度傳感器。電阻加熱絲和Pt100構(gòu)成了溫度控制系統(tǒng)的傳感和執(zhí)行機構(gòu)，在MCU中采用恒溫控制算法，使加熱爐內(nèi)溫度長期穩(wěn)定在700℃，從而保證氧化鋯輸出電動勢以衣氣體組分成分濃度測量的準確性。

圖3 氧化鋯檢測器結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of zirconia detector

2.2.2 CO2紅外檢測器設(shè)計

CO2紅外檢測器主要根據(jù)紅外吸收原理工作。氣體的吸收光譜會隨物質(zhì)的不同而存在差異，不同氣體分子的化學結(jié)構(gòu)不同，導致對不同波長紅外輻射的吸收程度也不同。

CO2紅外檢測器選用PYS3228TC G2/G20紅外氣體傳感器與IRL715紅外光源配套工作。紅外氣體傳感器上有2個濾光片，其中一個通道只允許CO2分子能夠吸收的波長4.26 μm的紅外光通過，所以到達此通道的光強反映出CO2的濃度；通過另一個4.00 μm濾光片通道的光強則反映了氣室內(nèi)除CO2以外的其它混合氣體濃度的變化情況[2]。CO2檢測器結(jié)構(gòu)如圖4所示[2]。

圖4 CO2檢測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.4 Internal structure of CO2infrared detector

對紅外光源施加周期為1 s，占空比為40%的直流脈沖信號，將混合氣體從進氣口送入氣室。紅外檢測器將CO2濃度轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過信號前置電路將與CO2濃度相關(guān)的電信號放大、濾波，發(fā)送至A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；在MCU中進行數(shù)字濾波后，利用現(xiàn)場總線將CO2濃度量發(fā)送至上位機，使用油中氣濃度分析軟件得到CO2氣體濃度。

2.3 系統(tǒng)的控制策略

在油中氣監(jiān)測系統(tǒng)中，氧化鋯檢測器、色譜柱和定容頂空脫氣油缸均要求在恒定的溫度下工作，精確的溫度控制可以保證油中氣各組分氣體濃度測量的準確性。在溫控系統(tǒng)中，先將檢測器爐、色譜柱箱和油缸的溫度由PT100轉(zhuǎn)換成相關(guān)的電信號，經(jīng)過數(shù)字化發(fā)送至MCU，然后與預先設(shè)定的目標溫度值進行比較，將得到的差值信號經(jīng)過一定的計算獲得相應(yīng)的控制值，再將控制量放大發(fā)送至雙向可控硅，用以分配加熱絲上的電能。重復上述過程，達到自動調(diào)節(jié)溫度的目的。

按差值信號的PID計算控制量的方法是目前應(yīng)用最為廣泛的一種溫度控制方法。利用STM32F103進行數(shù)字PID運算，將運算結(jié)果以雙向可控硅導通角脈沖信號的形式輸出，控制可控硅在一個交流電周期內(nèi)導通時間，保證加熱絲得到維持控制對象溫度所需的電能。

監(jiān)測系統(tǒng)對檢測器爐、色譜柱箱、脫氣頂空油缸進行恒溫控制。在溫控系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試過程中，借助實驗的方法確定系統(tǒng)的數(shù)學模型。利用軟件計算系統(tǒng)傳遞函數(shù)的參數(shù)和PID控制參數(shù)Kp，Ki，Kd，通過計算和試驗初步確定了檢測器爐的PID控制參數(shù)，即Kp=5，Ki=30，Kd=7。 將該控制參數(shù)代入數(shù)字PID運算公式，對反應(yīng)爐爐溫進行PID控制，設(shè)定目標溫度為700℃。從室溫開始加熱，90 s后爐溫趨近目標溫度，溫度最終穩(wěn)定在700℃±0.5℃，滿足檢測器對混合氣組分的濃度進行檢測的條件。

3 變壓器油中氣在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

在線監(jiān)測裝置中，CO2紅外檢測器的數(shù)據(jù)經(jīng)前置放大、濾波及A/D轉(zhuǎn)換后進入MCU，利用現(xiàn)場總線通訊發(fā)送至上位機。在線監(jiān)測裝置中，氧化鋯檢測器的使用涉及到氣相色譜法檢測氣體組分含量，即所需檢測的 H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，CO 這 6 種氣體，使用計算機PCI采集卡和色譜分析軟件對混合氣組分數(shù)據(jù)進行采集、處理，給出定量、定性分析的結(jié)果。

色譜分析軟件具備數(shù)據(jù)采集，色譜峰檢測，保留時間測定，峰面積的計算與打印，定性、定量結(jié)果等功能。變壓器油中氣在線監(jiān)測軟件包含了色譜分析軟件功能和CO2濃度計算功能。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

通過色譜分析軟件功能獲得的 H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，CO混合氣組分濃度的原始數(shù)據(jù)和經(jīng)MCU傳輸?shù)缴衔粰C的CO2濃度的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過油中氣在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件處理，得到組分濃度數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)可供后續(xù)分析處理變壓器狀態(tài)時使用。

圖5 220 kV變壓器油中氣在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.5 Software structure of on-line monitoring system for dissolved gasses in 220 kV

4 標定試驗數(shù)據(jù)分析

使用標準氣樣進行標定試驗。經(jīng)過多次試驗，確定了高、低濃度文件的區(qū)間。對標準氣樣進行多次檢測試驗后，獲得標樣文件。在此，以氣體組分中CH4氣體的高、低濃度標樣文件為例進行數(shù)據(jù)分析，其氣體濃度以及對應(yīng)的峰高如表1所示。7種組分氣體的高、低濃度標樣文件可參考文獻[3]。由上位機在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件對高、低濃度文件進行智能選擇。

表1 CH4氣體濃度與其對應(yīng)的峰高Tab.1 Peak height and concentration of CH4gas

根據(jù) 7 種組分氣體中 H2，CH4，C2H2，C2H4，C2H65種氣體的濃度標定試驗文件數(shù)據(jù)繪制分段線性曲線，如圖6所示；根據(jù)CO和CO2數(shù)據(jù)繪制的分段線性曲線分別如圖7和圖8所示。

圖6 5種氣體濃度標定試驗文件數(shù)據(jù)Fig.6 Five gas concentration calibration test file data

圖7 CO氣體濃度標定試驗文件數(shù)據(jù)Fig.7 CO gas concentration calibration test file data

圖8 CO2氣體濃度與其對應(yīng)的峰高折線Fig.8 Line diagram of peak height and concentration of CO2gas

油中氣組分氣體濃度依據(jù)標定試驗數(shù)據(jù)，采用分段一次線性擬合，坐標軸上的相鄰兩點由于間隔小、線性變化不大，故簡化為直線進行數(shù)據(jù)處理。

5 標準氣樣試驗數(shù)據(jù)

使用制備的標準樣氣對在線監(jiān)測系統(tǒng)進行試驗，確定軟件數(shù)據(jù)處理方式的合理性并對擬合曲線的精度進行檢驗。用多組不同濃度標準氣體對裝置進行多次試驗，表2和表3為其中2組試驗數(shù)據(jù)。

利用在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理算法，依據(jù)被測氣體組分濃度相關(guān)的對應(yīng)峰高（即檢測器的電壓值），合理地選擇所生成標定試驗數(shù)據(jù)的濃度區(qū)間，進而利用改變相比/頂空氣相色譜法測定變壓器油中氣體的分配常數(shù)公式換算出氣體濃度[4]，該公式為

式中：Ki為奧斯特瓦爾德系數(shù)；Vs，Vi分別為50℃下氣體積和油體積；i為油中氣的不同組分；Cisi為油中氣不同組分氣相濃度。

以CH4的參數(shù)選擇程序為例，先判斷被測氣體低濃度峰高值是否大于低濃度標準峰高最大值，若不大于，則選擇被測氣體低濃度文件中數(shù)據(jù)進行濃度換算處理，否則選擇被測氣體高濃度文件中數(shù)據(jù)。將換算得到的CH4氣體峰高值和濃度值，代入油樣濃度換算公式，計算出油樣中溶解的CH4氣體含量X［1］。計算所得的氣樣中CH4濃度值和油樣中CH4濃度值都將被保存，用以后續(xù)計算、分析。

表2 1號標準氣體試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Experiment data of No.1 standard gas

表3 2號標準氣體實驗數(shù)據(jù)Tab.3 Experiment data of No.2 standard gas

一般情況下，行業(yè)標準[5]允許的誤差范圍是檢測器測量所得誤差均在±0.5%之內(nèi)。

由表2、表3可知，當氣體濃度較低時，相對誤差比較大，對這樣的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)利用相對誤差比較精度是不合理的。因此，根據(jù)行業(yè)要求，在低濃度時測量誤差不得超過±10-6，經(jīng)過計算測量誤差H2為0.02 mg·m-3，CH4為 0.14 mg·m-3，C2H6為 0.03 mg·m-3，C2H4為 0.31 mg·m-3，C2H2為 0.2 mg·m-3，CO 為 0.24 mg·m-3，CO2為 0.65 mg·m-3，符合行業(yè)要求。 故所設(shè)計的氧化鋯檢測器測量精度符合標準。在高濃度時，氧化鋯檢測器測得數(shù)據(jù)精度高于行業(yè)標準，完全能夠滿足要求。

6 結(jié)語

在分析傳統(tǒng)油中氣監(jiān)測系統(tǒng)組成、工作原理以及原有功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計了油中氣在線監(jiān)測裝置。利用氧化鋯檢測器及CO2紅外檢測器，經(jīng)由Modbus通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于油中氣監(jiān)測系統(tǒng)。同時，根據(jù)選定的控制策略實現(xiàn)了高精度的溫度控制（±0.5℃）。設(shè)計了一套上位機監(jiān)測軟件。該軟件擁有良好的人機交互界面，方便用戶修改數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)。為變壓器油中氣測量提供了方便可靠的方法。

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On-line Monitoring System for Dissolved Gasses in 220 kV Transformer Oil

LI Si-jue1，HAN Qiang1，CHEN Yun-lei2
（1.College of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China；2.Shanghai Okamura Furniture and Logisitic System Co.，Ltd.，Shanghai 200062，China）

The on-line monitoring system of 220 kV transformer oil based on zirconia detector and CO2infrared detector is introduced.On the basis of the calibration test，it has realized the on-line real-time monitoring of seven characteristic gas’s content.Thus，it can accomplish the diagnostic analysis of transformer’s working state.

on-line monitoring system；dissolved gas analysis（DGA）；oil transformer；detector；data processing

TP277；TM411

B

1001-9944（2017）08-0060-05

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.015

2017-01-20；

2017-05-29

李思玨（1995—），男，在讀本科生，研究方向為機電一體化、傳感器；韓強（1971—），男，博士，副教授，研究方向為機電一體化集成控制技術(shù)、機械電子、智能化檢測與控制等。