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MSDGA激光光声光谱变压器油中气体在线监测系统

气相色谱法设备需要在环境良好的实验室且经过严格的校准后才能获得准确的数据。将实验室设备简化移植到户外恶劣环境的在线设备后，在线数据准确性太差，仅重复性可供参考，所以只能对已经发生故障的变压器变化趋势提供参考，无法达到提前预警，更无法分析正常工作的变压器的运行状态。

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  • 产品描述

  • 1. 油中气体监测现状

    气相色谱法设备需要在环境良好的实验室且经过严格的校准后才能获得准确的数据。将实验室设备简化移植到户外恶劣环境的在线设备后，在线数据准确性太差，仅重复性可供参考，所以只能对已经发生故障的变压器变化趋势提供参考，无法达到提前预警，更无法分析正常工作的变压器的运行状态。

    在线气相色谱分析设备与实验室设备一样，仍然需要定期校准，频繁更换载气色谱柱等耗材，耗费大量人力成本。

    数十年来，全球高压电力相关企业一直致力于如何实现有效且低成本实时在线监测大型油浸电力设备 (包括变压器) 的运行状态，提升电网运行的安全可靠性能及运行效率。

    目前传统解决方案有以下及几种：

    （1）实验室使用气相色谱仪进行分析

    （2）在线式气相色谱设备

    （3）红外机械光声光谱设备

    （4）光纤光声光谱设备

    		 图片9

     

    2.产品概述

    本产品为国家电网物联网基础核心技术攻关项目中先进感知技术的应用，针对油浸电力设备的油中气体进行状态分析，特别是对大型高压、超高压及特高压电力变压器进行实时在线监测及故障预警。

    系统关键器件自主设计：窄线宽半导体激光器，特殊调制的激光波长，避免了多种气体的交叉干扰，提高了微量气体检测精度；自主专利技术的亚超声波谐振频率光声池，体积小巧，响应效率高，降低外界噪声对系统的影响，使系统具有良好稳定性和准确性。

    该装置通过多地挂网检验，运行良好，数据稳定性、重复性都达到了很好的预期指标，其可靠监测分析以及后续免维护的性能，有能力在服务于变压器运行安全，同时为用户节省可观的运行维护成本。

    3.油中气体监测现状解析

    3.1实验室气相色谱检测

    时效性差，仅重复性数据可供参考

    3.2在线式气相色谱

    在线气相色谱分析设备与实验室设备一样，需要定期校准，频繁更换载气色谱柱等耗材，耗费大量人力成本。

    3.3红外机械光声光谱

    只能对变压器故障变化趋势提供参考，无法达到提前预警及运行状态分析的要求。由于属于合资企业，所以价格昂贵、核心技术掌握于国外企业手中。

    4.当前问题

    4.1标准缺陷：检测标准未能与时俱进，甚至把实验室做科学研究的指标及方法要求到工况现场，导致设备难以实现或者昂贵到无法普及推广！

    4.2过度监测：将只要相关的设备全上！由于不同厂家的监测手段各成体系，协调施工复杂，导致只能实施样板站工程，无法广泛推广，不能合理利用资源！

    4.3监测不足：设备昂贵导致资金安排困难或设备自身功能欠缺等问题，未能广泛安装有效的监测设备，无法接入电力物联网！

    4.4设备问题：设备自身受野外温度湿度及振动等因素影响，抗干扰能力不足，或者维护复杂，不具备自检自诊断功能，发生故障后无法上报！

    4.5商务问题：设备安装完毕后长时间未能及时联调开通运行！

    5.技术路线

    针对市场的迫切需求，我司研发的适用于户外的油中溶解气体在线监测预警设备，核心技术是动态顶空负压油气分离及激光光声光谱气体检测。

    5.1油气分离：该单元是设备的运行的第一道流程，将变压器油中的微量气体安全稳定地分离出来并转移到检测单元，同时将脱气后更清洁的油样返回变压器。我们总结了多年来现场应用的吹泡脱气及真空脱气的优缺点，研制出了更高效的新型动态顶空负压油气分离装置，大幅缩短了检测时长，提高了设备工作效率。

    5.2气体检测：该单元是设备运行的关键流程，将分离出的混合气无需处理直接进行精密测量，再将气体排放到空气中。采用了先进的激光传感技术，解决了传统方案受环境温度、震动、噪声、交叉干扰等因素的影响，研制的气体检测单元提高了检测精度，无机械运动结构，大大延长了设备的工作寿命。

    6.如何选择

    6.1系列产品

    各种监测装置会有系列产品对应不同的应用场景，以激光光声光谱油中气体在线监测预警装置为例，有单组份、少组份、多组分等系列产品对应不同等级的变压器，以避免过度监测或监测不足。

    6.2产品功能 

    综合在线监测建议以激光光声光谱油中气体在线监测预警装置作为基础功能，油质分析 (油含水量、介电常数等) 作为辅助功能，铁芯接地电流作为补充功能。在预算允许的情况下选配瓦斯气体及局放定位功能。免维护呼吸器对无隔膜胶囊的变压器特别重要，有隔膜气囊的也有一定的保护作用。

    6.3 故障研判

    不同的故障会产生不同的气体，气体含量随故障程度的不同而不同，我们根据不同 的气体浓度可以反演分析出现了什么样的故障及故障程度。

    （1）乙炔是公认与放电相关的关键故障气体，但气浓度又非常低，所以全球厂家目前都在全力攻关如何以更高的性价比精确地测量乙炔；

    （2）乙烯、甲烷，与乙炔配合通过大卫三角法进行分析能对变压器的局放、电弧、过热等故障进行合理判断的重要气体。大卫三角法突出的优点是保留了一些由于落在提供的比值限值之外而被三比值法漏判的数据，比值点落在哪个区域内，则该区域所对应的故障类型就是该比值对应的故障类型，并且可视化气体的位置，总能提供一种诊断结果，且错误率低。三比值法虽然加上乙烷进行比对，但仅对温度分析起参考作用，只能应用于严重故障，不管是矿物油还是植物油，正常或者轻度故障时，其比值没有意义。所以预警系统无法使用三比值法，无需监测乙烷！

    （3）氢气在所有故障中都会产生，但无法确认具体故障，适用于低压油浸设备，用于简单判断是否有故障。

    （4）一氧化碳、二氧化碳也可以用于反映油纸固体绝缘故障，但没有严格的界限，规律也不明显，应与甲烷乙炔的变化通过大卫三角法来进行综合分析，所以以这两个气体可以作为参考。

    （5）油质分析、微水含量可进一步确诊什么原因导致变压器发生了什么故障。

    6.4监测原理对比

    对比项目 激光光声光谱 光纤光声光谱 红外机械光声光谱 在线式气相色谱
    日常维护 无需耗材、无需维护 无需耗材、无需维护 无需耗材、无需维护 消耗耗材，频繁维护
    可靠性 高 低 中 低
    准确度 高 低 中 低
    重复性 高 中 高 中
    抗震动 高 低 低 中
    综合成本 中 中 高 中
    核心器件

    可调制单波长窄线宽

    半导体激光器

    精准指向测量

    寿命长达10年

    可调制单波长窄线宽

    半导体激光器

    精准指向测量

    寿命长达10年

    不可调制宽谱红外光源

    多种玻璃滤波片造成

    交叉干扰问题

    光源寿命短

    化学色谱模块

    在线运行时仅

    重复性数据可以参考

    其他基本不达标
    核心模块

    光声池轻巧响应高

    长5厘米重20克

    超声波段调制频率

    光声池重约1000克

    调制频率1-2KHz

    处于环境噪声范围

    光声模块重达5000克

    调制频率1-2KHz

    处于环境噪声范围

    		 色谱单元
    运行模式

    电调制，寿命长

    没有机械运动部分，不受外界影响

    电调制，寿命长

    但光纤部分极易受外界震动及噪声影响

    机械转盘调制

    寿命不长

    受环境噪声震动干扰

    受环境影响

    寿命短

    稳定性可靠性差

     

    7.产品优势

    • 窄线宽半导体激光器

    特殊调制的激光波长，避免了多种气体的交叉干扰，提高了微量气体检测精度；

    • 自主专利技术光声转换池

    自主专利技术的超声波谐振频段光声转换池，体积小巧，响应效率高，降低外界噪声对系统的影响，使系统具有良好的稳定性和准确性。

    • 良好的抗干扰性和准确性

    特殊设计的高灵敏度亚超声波微音器，降低外界环境及噪声对系统的影响，使系统具有良好的抗干扰性和准确性。

    • 良好的运行稳定性

    运行良好，数据稳定性、重复性都达到了很好的预期指标，其可靠监测分析以及后续免维护的性能，保障变压器安全运行，同时为用户节省可观的运行维护成本。

    8.功能及指标

    产品型号 产品简介 应用场景 安装方式
    二组分
    MSDGA-2    		 测量C2H2、H2（H2O、油质分析） 针对配网变压器、自备电厂变压器以及其他油浸式电力设备进行故障预警监测。 壁挂式

    五组分

    MSDGA-5

    		 测量C2H2、CH4、C2H4、H2、CO（H2O、油质分析） 针对110kV变压器，通过大卫三角形图示法、三比值法等方法做故障分析与诊断，可安装于变压器支架上，不占地面空间。 机柜式
    八组分
    MSDGA-8    		 C2H2、CH4、C2H4、H2、CO、CO2、C2H6、H2O（油质分析） 针对220kV及以上电压等级变压器进行故障预警监测，并通过大卫三角形图示法、三比值法等方法做故障分析与诊断，可选配油质分析模块和局放监测模块。 机柜式
    运行指标
    电源 AC220V  <1KW
    重量 <100KG
    外形尺寸 标准19'机柜或壁挂机箱
    环境温度 -40℃~+55℃
    环境湿度 10～95%
    控制方式 自动、菜单、手动控制可选
    通信方式 RS485/RJ45/光纤/4G无线
    技术指标 ppm(μL/L)
    检测参量 最小可检量 检测范围 测量误差限值（A级）
    乙炔C2H2 0.2 0.2～1000 ±0.2或±20%
    乙烯C2H4 0.5 0.5～1000 ±0.5或±30%
    甲烷CH4 0.5 0.5～1000 ±0.5或±30%
    氢气H2 2 2～2000 ±2或±30%
    一氧化碳CO 25 25～5000 ±25或±30%
    二氧化碳CO2 25 25～15000 ±25或±30%
    乙烷C2H6 0.5 0.5～1000 ±0.5或±30%
    微水H2O 0 0-100% ±5%

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