橋式傳感器電路在油中溶解氣體監(jiān)測中的應(yīng)用

周利軍，杜培東，吳廣寧，劉 君，趙贏峰，朱毅剛，李國良

（1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都610031；2.廣東電網(wǎng)惠州供電局，惠州516001）

變壓器絕緣油是由沸點相近的多種烴類組成的化合物，是理想的絕緣介質(zhì)和傳熱介質(zhì)，廣泛應(yīng)用于油浸式變壓器、電抗器、調(diào)壓器、互感器等電氣設(shè)備。隨著變壓器容量和電壓等級的提高，為保證變電站供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，變壓器在線監(jiān)測研究和故障預(yù)警越來越受到重視。基于多種特征氣體的變壓器油色譜，在鐵路系統(tǒng)和電力領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，實時監(jiān)測絕緣油中甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙炔（C2H2）、乙烯（C2H4）、一氧化碳（CO）、氫氣（H2）等六種氣體濃度的時間變化，結(jié)合變壓器試驗結(jié)果即可確定潛在危險以及故障類型。當(dāng)前工程應(yīng)用的變壓器油中溶解氣體的檢測方法主要有可見光譜分析法、氣相色譜法等，可見光譜分析法是氣體在特定光線照射下發(fā)出波段的頻率不同，從而分析出油中各種氣體的含量；氣相色譜法是利用氣體流動相在固定相中的不同吸附釋放速率差來完成氣體的分離，均可實現(xiàn)在線監(jiān)測，只是各種氣體檢測方法各有優(yōu)缺點；目前國內(nèi)大多數(shù)色譜儀廠家都采用氣相色譜分析法，該方法可以很好地反映變壓器的內(nèi)部故障，利用氣相色譜法檢測油中溶解氣體；但是從取油樣—油氣分離—色譜分析—傳感器采集—上位機(jī)處理等過程來看，特別在色譜分析到傳感器采集這一環(huán)節(jié)，為了抑制傳感器的溫度漂移，在色譜柱外圍采用加熱器，維持傳感器工況溫度恒定，以減少外界溫度變化對傳感器測量誤差的影響是可行的，但是每次加熱器加熱到某恒定溫度，此加熱過程會對傳感器的穩(wěn)定性及響應(yīng)特性產(chǎn)生影響。另外，載氣濃度的差異、連續(xù)兩次色譜運(yùn)行工況的差別、傳感器長時間久置等因素導(dǎo)致傳感器發(fā)生的一些不確定變化，均可成為系統(tǒng)運(yùn)行時傳感器產(chǎn)生測試誤差的誘因。所以，本文嘗試用一個同型號的副傳感器組成橋式采集電路來抵消處在同種工況下主傳感器的測試誤差，并改變傳統(tǒng)采集電路的非線性數(shù)學(xué)關(guān)系，開發(fā)了新型在線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行試驗證明，此項監(jiān)測技術(shù)合理可行，可以提高傳感器測試精度，保證油色譜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

變壓器油有很強(qiáng)的氣體溶解能力，可以溶解空氣、氫氣、一氧化碳、二氧化碳以及烴類氣體。氫氣、烴類氣體是在對變壓器做試驗以及在變壓器運(yùn)行中，由變壓器油裂解而生成；一氧化碳和二氧化碳是絕緣介質(zhì)自然劣化和遭到破壞時被釋放到油中，本文設(shè)計的變壓器絕緣油中氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)由脫氣單元、氣體含量測定單元和上位機(jī)（電氣）控制單元組成，硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1。電氣控制單元設(shè)有CPU 電路板和脫氣繼電器控制板，兩塊電路板相互配合實現(xiàn)油回路清洗（抽真空）、油氣分離、氣回路（抽真空）、色譜柱進(jìn)樣采樣、傳感器輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)上傳等功能。上位機(jī)設(shè)有大型變壓器油色譜專家診斷軟件，經(jīng)RS232 轉(zhuǎn)RS485接口實現(xiàn)與下位機(jī)CPU 板之間通信、數(shù)據(jù)交換等功能。

脫氣單元采用真空壓差脫氣法，變壓器油經(jīng)油泵抽到油缸中，脫氣單元的油缸（脫氣室）底部裝有電磁攪拌裝置，在脫氣過程中可以對油樣進(jìn)行攪拌，增強(qiáng)油氣分離程度，實現(xiàn)油氣分離后，分離出的氣體經(jīng)干燥管后由氣驅(qū)推入六通閥的定量管中，如圖1 中六通閥，實線為采樣時氣流方向，虛線為進(jìn)樣時氣流方向。氣體含量測定單元色譜柱內(nèi)填充著固定相，可順序分離出多組分氣體，最后通過氣敏傳感器橋式分壓電路進(jìn)行采集；而氣敏傳感器是由具有加熱回路的N 型半導(dǎo)體SnO2敏感膜封裝而成，當(dāng)與還原性氣體接觸，會與吸附的氧分子起反應(yīng)，將被氧束縛的電子釋放出來，敏感膜表面電導(dǎo)增加，使元件電阻減小，電阻的變化導(dǎo)致其電壓發(fā)生變化，氣體傳感器將采集到的電壓信號經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換傳給安裝在上位機(jī)控制單元CPU 板的數(shù)據(jù)存儲器，數(shù)據(jù)存儲器根據(jù)上位機(jī)的命令由單片機(jī)控制通過RS485 上傳至上位機(jī)智能分析軟件，上位機(jī)軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2 所示。所開發(fā)的分析軟件有科學(xué)的數(shù)學(xué)分析方法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行界定分析，最后由智能數(shù)據(jù)處理模塊計算出各組分氣體的含量以及各自的增長率，再由故障診斷模塊對變壓器故障進(jìn)行診斷，評判其絕緣性能，從而實現(xiàn)變壓器故障的在線監(jiān)測。

圖2 油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.2 Software structure of oil chromatographic on-line monitoring system

2 傳感器技術(shù)

2.1 傳感器誤差分析

在正確標(biāo)定的前提下，多種氣體油色譜的性能誤差主要有：其一，真空脫氣環(huán)節(jié)不可能實現(xiàn)完全油氣分離；只能通過一些措施改進(jìn)油氣分離性能。由分子動力學(xué)角度考慮，在加熱棒加熱、磁子攪拌絕緣油的過程中，溫度、壓強(qiáng)、器壁接觸面積都會使液體分子和氣體分子運(yùn)動加速，增大分子之間的碰撞次數(shù)，有利于油氣分離程度的提高。所以改進(jìn)油缸結(jié)構(gòu)為變徑活塞式，在油缸驅(qū)動樣品絕緣油上升的過程中，可大大提高與器壁的接觸面積和氣體分子脫離絕緣油的概率，起到多次擴(kuò)容、壓縮氣體的作用，盡可能地將絕緣油中的氣體分離出來，改進(jìn)油缸結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 油缸結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of oil cylinder

其二，氣敏傳感器非線性引起的測試誤差。傳感器誤差主要有以下幾個方面；①傳感器輸出采用常規(guī)電阻分壓，輸出表達(dá)式非線性引起的誤差，如圖4 和式（1）。②傳感器結(jié)構(gòu)內(nèi)部加熱回路和測量回路在同一結(jié)構(gòu)件內(nèi)，如圖4，無任何隔熱措施，勢必會影響傳感器的性能，導(dǎo)致傳感器有很大的溫度漂移。關(guān)于溫度補(bǔ)償，文獻(xiàn)[1-2]研究從電子電路設(shè)計方面對傳感器的非線性進(jìn)行補(bǔ)償，文獻(xiàn)[3]研究了從軟件角度，基于算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的非線性補(bǔ)償。③由傳感器動態(tài)響應(yīng)特性不理想引起計算波形面積時引起的誤差。針對傳感器動態(tài)、暫態(tài)響應(yīng)，文獻(xiàn)[4]分別建立了數(shù)學(xué)模型，通過仿真驗證了其正確性。雖然近些年來，關(guān)于氣敏傳感器的非線性補(bǔ)償，由氣體濃度與氣敏電阻的數(shù)學(xué)關(guān)系出發(fā)，設(shè)計電子電路以實現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)难芯砍晒芏?，但是?yīng)用在工程項目產(chǎn)品之中的很少。文獻(xiàn)[5]用一個同型號的傳感器組成自補(bǔ)償橋式電路，提高了抗干擾性，但是并沒有改變傳感器信號采集的非線性關(guān)系。本文從載氣瓶—色譜柱—傳感器端的結(jié)構(gòu)部件出發(fā)，對從載氣閥到壓力開關(guān)出來的三氣路鋼管接口做一分二處理，經(jīng)主、副傳感器組成的橋式分壓電路可有效補(bǔ)償傳感器的測量誤差，從而提高油色譜的工作性能。

VC=VH=5 V，RL=10 kΩ，RS為傳感器的體電阻，VRL為傳感器輸出電壓。

2.2 傳感器輸出線性分壓電路

氣體含量測定單元內(nèi)色譜柱連接結(jié)構(gòu)及傳感器橋式分壓線性信號采集電路如圖5 所示。

圖5 傳感器橋式采集電路Fig.5 Bridge type acquisition circuit of sensor

由上文知，當(dāng)有供給電子類氣體通過傳感器時，其電阻變化量為ΔRS為負(fù)值，所以CPU 板采集時?。?/p>

由電路知識知：

由此可得：

RS1、RS2分別為傳感器A、B 有0.3～0.45 MPa 載氣通過時的電阻值大小，ΔRS為傳感器A 有采樣氣體通過時的電阻變化量；VCC為傳感器的工作電壓。

在本系統(tǒng)中VCC=5 V；R1=R2=10 k

對式（3）做如下近似。

①對于同批次的氣敏傳感器，其靜態(tài)電阻RS相差很小，可近似認(rèn)為RS1=RS2，得：

②VO表達(dá)式分母

（R1+R2）（RS1+RS2+ΔRS）中，

（R1+R2）（RS1+RS2）?（R1+R2）ΔRS；

近似認(rèn)為

所以有

因此，按這種方式即可實現(xiàn)傳感器模擬信號的線性輸出，此時基線電壓表達(dá)式為

式（7）化簡得

式中：ΔR′S1、ΔR′S2分別為基線時間內(nèi)傳感器A、B有載氣通過時的阻值變化量。

同批次氣敏傳感器之間的靜態(tài)電阻相差很小，差異性主要表現(xiàn)在有樣品氣體通過時的動態(tài)響應(yīng)以及恢復(fù)后的線性保持度，如式（8）所示，信號采集電路用一個同型號的傳感器構(gòu)成橋式電路后，外界溫濕度變化、傳感器響應(yīng)慣性等因素引起輸出信號的波動均可由同工況中的補(bǔ)償傳感器B抵消，實現(xiàn)誤差補(bǔ)償。在色譜柱未進(jìn)樣時（基線時間），VO的值在零附近，如圖6 油品測試曲線中基線位置所示，波動只取決于傳感器的工藝制造因素，即兩個傳感器的靜態(tài)電阻RS和傳感器有載氣通過時電阻值的差別大小，按照氣敏傳感器的技術(shù)參數(shù)，此兩項阻值誤差均在0.3%之內(nèi)，差值很小，所以，當(dāng)各組分氣體經(jīng)色譜柱分離進(jìn)入傳感器A，傳感器的響應(yīng)時間和恢復(fù)時間均縮短，從而提高了分辨能力和靈敏度；對于上位機(jī)軟件，一種氣體波峰產(chǎn)生結(jié)束與下一種氣體波形出現(xiàn)之前，由于恢復(fù)時間的縮短，使得這段時間內(nèi)輸出信號與基線的一直性保持較好，提高軟件計算波形面積的準(zhǔn)確度，有利于氣體濃度的測定。

圖6 油品測試曲線Fig.6 Test curve of oil

3 案例與數(shù)據(jù)分析

圖7 所示的是運(yùn)行兩年的變壓器絕緣油氣體分析數(shù)據(jù)，油中氣體分析結(jié)果是其他氣體含量為0，只有含量較小的H2、CO，并沒有超過警戒值或注意值，對于運(yùn)行正常的變壓器油檢測此量是合理的；圖8 所示是一臺故障停運(yùn)的變壓器色譜數(shù)據(jù)，CO、H2、C2H4含量較大，且伴有100 μL/L 左右的C2H2，其色譜分析結(jié)果：變壓器差動、瓦斯繼電器會同時動作，甲烷、乙烯、乙炔、氫氣、總烴含量均超過注意值數(shù)倍，可直接采用三比值法判斷故障類型。查編碼屬高能放電故障，可能會出現(xiàn)工頻續(xù)流放電、繞組對地之間的絕緣油發(fā)生電弧擊穿、調(diào)壓開關(guān)切斷電源等；結(jié)合外部電氣試驗測得B相高壓繞組直流電阻不平衡率達(dá)25%，初步判斷為B 相繞組有嚴(yán)重電弧故障；吊罩檢查發(fā)現(xiàn)B 相高壓繞組中性點處出現(xiàn)嚴(yán)重匝間短路，有電弧放電痕跡，主變本體損壞較嚴(yán)重。

圖7 一臺運(yùn)行兩年的變壓器色譜數(shù)據(jù)分析Fig.7 Chromatographic data analysis of a transformer operating normally two years

將所設(shè)計的變壓器絕緣油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)投入現(xiàn)場試驗，現(xiàn)場安裝如圖9 所示。

圖9 油色譜現(xiàn)場試驗安裝示意Fig.9 Test installation schemes of oil chromatographic

4 結(jié)語

本文基于油色譜最重要的脫氣和傳感器采集等兩大關(guān)鍵方面，設(shè)計開發(fā)了變壓器絕緣油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置的硬件和軟件系統(tǒng)，分析多種氣體油色譜的性能提高的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；設(shè)計傳感器線性分壓電路，使傳感器輸出呈線性關(guān)系，用同型號的副傳感器B 抵消主傳感器A 的非線性誤差，實現(xiàn)誤差補(bǔ)償；最后基于運(yùn)行正常和故障停運(yùn)的兩臺變壓器油色譜監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果反映了該系統(tǒng)的可靠性，可以作為變壓器油中氣體含量測定的監(jiān)測裝置，實用性強(qiáng)，具有重大的工程意義。

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