罗显跃(铜仁供电局贵州铜仁554300)
摘要：变压器油中气在线监测技术通过对绝缘油中溶解气体的测量和分析，实现对大型变压器内部运行状态的在线监控，能够及时发现和诊断其内部故障，弥补了实验室色谱分析的不足，为保证变压器的安全经济运行提供了技术支持，是保证变压器及电网系统安全经济运行的重要手段。文章分析了变压器油中气在线监测系统现状，并探究了系统设计和控制的策略。
关键词:变压器油;在线监测:检测器;数据处理
一、变压器油中气在线监测系统的现状现行的油中溶解气体监测系统采用色谱分析监测手段，其存在一定的局限性:①试验周期长;②对需要跟踪分析其发展状况和产气增长速率的大型变压器，不能连续监测。安装油中溶解气体在线监测装置，通过对绝缘油中溶解气体的测量和分析，可以实现大型变压器内部运行状态的在线监控，能够及时发现和诊断其内部故障，随时掌握设备的运行状况，弥补了试验室色谱分析的不足，为保证变压器的安全经济运行和状态检修提供了技术支持，是保证变压器及电网系统安全经济运行的重要手段，可以给电力行业带来经济效益和社会效益。由于在线监测的重要意义，国内外都对此做过大量的研究开发工作。尤其是近几年来，国内外在变压器油在线监测原理的研究和装置的研制方面取得了很大的进展，成熟的油中溶解气体在线监测仪不断投入使用，对充油变压器故障气体的在线监测提供了各种解决方案，大大提高了变压器运行维护和故障监测水平。
根据国内外技术分析，存在问题主要有:一台在线色谱监测系统一般只监测一台变压器，利用率低;受环境因素的影响大，电磁环境、环境温度和湿度等均有影响，导致了数据的准确性不理想，对变压器可能造成不利影响。油路循环系统，如果密封不好，一是造成漏油，二是可能致使空气渗入变压器，造成设备的含气量升高，危及变压器安全运行等。
二、变压器油中气在线监测系统的研究1、在线监测系统的总体构架油中气体在线监测系统是以一个完整的嵌入式应用系统为核心，结合实际情况和处理器的功能，选择合适的温度采集模块、系统输入模块(键盘或触摸屏)、显示模块(数码管或液晶显示屏)、通讯模块(并行总线或现场总线等)。一般而言，嵌入式系统的构架主要由嵌入式处理器、存储器、输入/输出口、相关外设及各类软件组成。由于变压器油中气在线监测装置的研制涉及到分析化学，电子技术和精密机械等多个学科，因此系统的复杂度较高。根据在线监测系统功能多样，结构复杂的特点，在软硬件设计上采用模块化设计的方法，以发挥其调试简单、开发周期短的特点。在线监测系统的总体结构如下图所示:图1在线监测系统总体结构图2、在线监测系统结构设计及控制策略2.1在线监测系统处理器数字信号处理(DigitalSignalProcessor,DSP)具有灵活、精确、抗干扰能力强、设备尺寸小、速度快、性能稳定和易于升级等优点。DSP的强大数据处理能力和高运行速度，确保了目前大多数设备采用数字技术设计的实现，成为数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。
变压器油中气在线监测系统采用的是TI公司生产的TMS320LF2407处理器，具有强化的乘法运算。TMS320LF2407芯片内部集成了的串行通信接口(SCI)模块是一个标准的通用异步接收/发送(DART)通信接口，通信接口有SCITXD(SCI发送输出引脚)和SCIRXD(SCI接收输入引脚)2个外部引脚，引脚的信号电平TTL类型。
当需要和PC机的RS232口或其他，例如RS422口通信时，由于二者的信号逻辑电平不一致，必须进行信号电平转换。
2.2检测器及其电路设计在线监测系统的检测器部分是一种能检测在线监测装置流出组分及其变化的器件，被测组分是以气态分子与载气分子相混合从柱后流出的，肉眼不可能识别。因此，必须要有一个装置或方法，将混合气态中的组分浓度(mg/mL)或质量流量(g/s)变成可测量的电信号，且信号的大小与组分的量成正比。因此检测器通常由两部分组成:传感器和检测电路。一个完整的在线监测系统必须包含检测器及其相应检测电路。
2.2.1氧化锆检测器结构设计氧化锆检测器的固体电解质由ZrO2和Y2O3构成，呈一端封闭的试管内，管长为90mm，内径为6mm，壁厚为1mm，锆管的内部与空气想通，为参比半电池；外部与待测气体想通，为测量半电池。整个锆管插入陶瓷管内，陶瓷管外围加热炉装置。氧化锆传感器的信号经下位机初步处理后由色谱工作站进行数据处理，不需要设计专门的检测电路。
2.2.2CO2红外检测器结构设计本检测器选用了PYS3228TCG2/G20红外气体传感器和IRL715红外光源。PYS3228TCG2/G20红外气体传感器上有两个滤光片，其中一个通道只允许CO2分子能够吸收的波长为4.2μm的红外光通过，所以到达此通道的光强反映了CO2的浓度;通过另外一个4.OOμm滤光片通道的光强则反映了气室内除了C02以外其它混合气体的浓度变化情况。IRL715红外光源发出的波长范围为从可见的光波长到4.4Pm，本检测器的气室采用了一体化设计，气室总长为100mm,具有体积小，抗震性好，抗腐蚀等特点。气室的圆柱型结构和内壁镀膜技术最大程度上减小了光线在传播过程中的损耗，增加了光强并延长了光程的长度，这就表示红外光在测量过程中将经过更多的气体，得到更多的信息。
3、在线检测系统控制策略3.1温度控制策略目前，应用最广泛的一种温度控制方法是采用按差值信号的比例(Proportion--积分(Integral）-微分(Differential)进行计算控制量的方法，即PID法。PID调节式温度控制电路实际上是一种增益能自动调节的放大电路，动态时放大系数低，有利于系统的稳定性，而静态时放大系数高，有利于提高控温精度，提高了控制质量。常规的PID控制原理如图下所示:其表达公式为：其中，u(t)为调节器的输出信号;KP为比例系数;e(t)为差值信号，e=T-Tset（T:温度测量值，Tset:温度设定值)；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数，它是按照偏差的比例、积分和微分组合而成的控制规律。
3.2时间控制策略在时间的设置上，要保证脱气时间内能获得足够的样气;同时要合理设置每种样气的分析时间，确保二氧化碳能取得准确的浓度信号，以及保证色谱分析时色谱柱中只有两种气体(其中一种为载气)得到相对清晰的谱线图;最后要有充分的时间进行吹扫工作，使装置中只充满载气，保证装置下次检验精度。设置时间时也要充分考虑整个装置运行一周期所需时间，保证检测精度的同时尽量缩短运行周期。
以本装置为例，启动后，首先静止600秒，确保载气充满装置，排出杂质气体;其次根据所选脱气装置设定脱气时间1200秒;然后在吹扫时间600秒内，样气随载气进入检测器;在分析时间1200秒期间，获取红外检测器信号和氧化错检测器信号，并绘制出色谱图。所以时间的设定，考虑的因素比较多，以实验具体需要时间为准。按技术指标规定，监测系统整个运行一周期时间为2小时以内，本课题设计的在线监测系统完全满足该要求。
结束语随着电网智能化建设的不断推进，对变压器的在线监测会越来越重要，同时对监测水平的要求也会越来越高。但油中气体在线监测装置发展至今，仍然存在不少的问题，这一方面要求各个厂家进一步改进和完善生产技术，努力提高生产水平，使设备质量和稳定性得到更大的提高；另一方面需要各用户努力提高管理技术水平，加强维护和检查。
参考文献[1]周爱东换流变压器有载开关产生微量乙炔气体的工程计算法[J].变压器,2013，50(10):10-13.[2]胡红红.浅析变压器油中溶解气体在线监测装置及其应用[J].变压器,2013,50(4):75-78.