油浸式電力變壓器輕瓦斯誤報警給現場運維人員準確判斷變壓器設備的真實健康狀態帶來了困擾，甚至出現由于判斷錯誤導致變壓器非必要停運的事件發生。鑒于此，中廣核集團中廣核核電運營有限公司的馮玉輝 、高超在2024年第12期《電氣技術》上撰文研究一種新型智能化氣體繼電器，實現對變壓器氣體繼電器內氣體容積的實時準確監測，從而有效甄別輕瓦斯報警情況，保障人員和設備安全，達到盡早發現變壓器潛在故障隱患的目的。

氣體繼電器作為油浸式電力變壓器重要的非電量保護設備之一，能反映電力變壓器油位下降、絕緣擊穿、鐵心或繞組受潮、過熱及局部放電等故障。GB/T 6451—2023《油浸式電力變壓器技術參數和要求》中明確要求對于容量為800kV?A及以上的電力變壓器，宜配置氣體繼電器作為非電量保護。

有文獻介紹了兩起典型的變壓器設備故障中，氣體繼電器正確動作切除變壓器的案例，由此可見氣體繼電器的準確可靠動作對保障變壓器的安全運行至關重要，可有效避免惡性事故發生。但是，氣體繼電器誤動作導致誤判變壓器健康狀態，甚至變壓器誤停運的案例時有發生。

由于氣體繼電器重瓦斯保護節點均連接跳閘信號，無論動作是否準確，變壓器都會安全停運，因此風險管控要求相對較低；但氣體繼電器輕瓦斯保護節點通常連接報警信號，一旦出現輕瓦斯報警，由于對保障人身和設備安全、保障能源企業設備可用率、保障電網輸送電潮流分配安全等多方面因素的綜合考量，現場運維人員難以實現對該類故障的高效處理。

DL/T 572—2021《電力變壓器運行規程》規定，變壓器輕瓦斯報警處理的典型流程為：瓦斯保護信號動作時，應立即對變壓器進行檢查，檢查是否因積聚空氣、油位降低、二次回路故障或變壓器內部故障造成。

以前，變壓器的電壓等級、額定容量均較小，發生惡性事故的可能性較低，在沒有有效診斷工具的情況下，通常通過點火試驗的方法來判斷變壓器內部是否真實發生故障，這要求操作人員須有相關經驗，而且在操作過程中存在人身安全隱患。

2019年11月，國網某1 000kV交流特高壓變電站，檢修人員在主變壓器輕瓦斯保護動作時，按照規定現場檢查主變壓器氣體繼電器和取氣盒，進行變壓器本體絕緣油離線取樣，并對本體開展鐵心及夾件接地電流測試等，過程中發生變壓器爆燃，造成嚴重事故。

國家電網公司十八項電網重大反事故措施（2018版）規定，“當變壓器1天內連續發生2次輕瓦斯報警時，應立即申請停電檢查（若24h內連續發生2次輕瓦斯報警，說明變壓器可能存在嚴重故障）；非強迫油循環結構且未裝排油注氮裝置的變壓器（電抗器）本體輕瓦斯報警，應立即申請停電檢查”。某核電集團《油浸式電力變壓器應急響應預案》中也明確規定，變壓器出現輕瓦斯報警（判斷為誤報警除外），現場不能開展變壓器相關工作。

綜上所述，研究一種可準確判斷變壓器輕瓦斯保護動作正確性的智能化方法迫在眉睫。

1 氣體繼電器裝用情況及誤報統計分析

變壓器內部發生故障時，絕緣材料因溫度過高而產生氣體，氣體上升至油箱上部，通過管路匯集于氣體繼電器內，氣體繼電器內上部浮球隨著油位下降至一定量（250～300mL）時觸動輕瓦斯保護干簧觸點動作吸合，發出輕瓦斯報警信號。

行業內在運500kV及以上電壓等級變壓器使用的氣體繼電器主要有德國EMB、德國Messko、德國TRAFO- UNION、意大利COMEN、英國WEIR、日本Fukuda及國產QJ系列等產品，通常采用80mm管路連接方式，整定流速為1.3～1.5m/s。某電力公司變壓器氣體繼電器安裝情況見表1。

表1 氣體繼電器安裝情況

據不完全統計，2010—2020年國家電網公司110kV及以上變壓器輕瓦斯誤報警比例為18.7%，引起氣體繼電器輕瓦斯誤報警的故障模式主要有干簧管損壞、浮球進油、空氣進入、二次絕緣缺陷等。

有文獻介紹了一起干簧管裂紋引起的氣體繼電器誤動案例，有文獻介紹了一起充氮滅火裝置截流閥誤動引起的主變本體輕瓦斯動作異常案例，有文獻介紹了一起油路排氣不徹底導致的輕瓦斯告警案例。經統計，近年來行業內氣體繼電器輕瓦斯誤報警案例原因見表2。

表2 輕瓦斯誤報警案例原因

從表2不難看出，變壓器輕瓦斯誤報警的主要原因是變壓器絕緣油處理階段排氣不充分、油泵負壓區出現滲漏、二次回路絕緣缺陷（接線盒積水、受潮、端子腐蝕、二次線纜絕緣損壞）等問題。這些問題通過提升變壓器運維檢修管理水平等措施可以有效防范。

但是，氣體繼電器干簧觸點缺陷、浮球進油等產品質量潛在隱患往往不能在設備投運前的檢查中被發現，隨著運行年限增加，在長期振動影響下裝置逐漸失效。下面對幾起典型輕瓦斯誤動案例進行分析，以期找到一種可有效識別輕瓦斯誤報警的方法，從而保證變壓器設備的安全穩定運行。

2 輕瓦斯誤報案例分析

2.1 干簧觸點裂紋導致輕瓦斯誤報警

2020年1月，某110kV變電站2號主變壓器本體氣體繼電器出現輕瓦斯報警。經檢查發現，該氣體繼電器內部的輕瓦斯干簧管內部已充滿變壓器油，輕瓦斯干簧觸點引出線端存在裂紋，內部兩簧片發生位移傾斜并與干簧管壁接觸，干簧觸點靠近且呈閉合導通狀態；在另一個重瓦斯干簧觸點引出線端也檢查到相同裂紋，干簧觸點內部已充滿絕緣油。氣體繼電器干簧觸點存在裂紋如圖1所示。

2.2 上浮球進油導致輕瓦斯誤報警

2021年3月，某核電廠2號高廠變出現變壓器本體輕瓦斯報警。經檢查發現，該氣體繼電器上浮球已下降至最低點，聯動磁鐵吸合干簧管觸點觸發了輕瓦斯報警。對故障氣體繼電器進行拆解后發現，其上浮球已開裂進油，進油量超過浮球體積的3/4。

正常情況下，氣體繼電器的浮球內部是密閉空氣，浮球進油后，其內部空氣減少，浮球受到的向上浮力減小，導致浮球下降，進而觸發輕瓦斯報警。氣體繼電器上浮球開裂進油如圖2所示。

圖1 氣體繼電器干簧觸點存在裂紋

圖2 氣體繼電器上浮球開裂進油

2.3 二次回路缺陷導致輕瓦斯誤報警

2023年9月，某核電廠主控室出現125V直流電源系統絕緣低報警。經檢查發現，1號輔助變壓器氣體繼電器接線絕緣及電位異常，對氣體繼電器接線盒進行檢查后發現，其接線盒內部已進水。對接線盒電纜密封膠進行解剖檢查發現，內部電纜格蘭處密封不佳，接線盒格蘭與電纜尺寸不匹配。氣體繼電器接線盒格蘭密封失效如圖3所示。

圖3 氣體繼電器接線盒格蘭密封失效

此外，由于氣體繼電器二次回路缺陷導致氣體繼電器輕瓦斯報警的案例還有很多。如：2003年某換流站因換流變平波電抗器氣體繼電器接線盒進水造成雙極閉鎖，共損失1 281MW；2019年某換流站因換流變壓器氣體繼電器觸點回路故障造成臨時停運。

3 智能氣體繼電器研究

目前，行業內傳統氣體繼電器仍采用傳統保護原理，相關技術革新只集中在氣體繼電器內部結構優化方面，如提出了雙浮球式、浮球擋板式、開口杯擋板式等繼電器機構，部分解決了由于油泵起停、變壓器空載合閘、變壓器遭受外部短路導致器身晃動等機械擾動引起的瓦斯誤動問題。

但是，在實際的變壓器日常運維工作中仍存在以下問題：不能實時讀取氣體繼電器集氣室內氣體的真實體積及成分，導致數據缺失，影響對變壓器健康狀況的實時準確判斷；無法及時監測變壓器本體的輕瓦斯容積、壓力、溫度和液位變化等。

有文獻提出一種變壓器故障樣本多維診斷及結果可信度分析方法； 有文獻提出一種融合決策樹和模糊數學的新型三比值法，用于變壓器故障診斷； 有文獻提出一種基于黏菌算法（slime mould algorithm, SMA）-變分模態分解（variational mode decomposition, VMD）-門控循環單元（gated recurrent unit, GRU）模型的變壓器油中溶解氣體含量預測方法； 有文獻提出氣體繼電器流場分析與參數動態測量方法，但由于無法掌握氣體繼電器真實體積，難以甄別輕瓦斯報警的正確性，不利于故障的及時診斷。

因此，研究一種可實時監測集氣室內部氣體真實體積及氫氣含量變化的新型智能氣體繼電器具有重要意義。

3.1 液位監測模塊設計與驗證

由于氣體繼電器的內部空間結構相對固定，通過監測氣體繼電器集氣室內液位高度的變化即可準確計算出內部氣體真實體積的變化。檢測液位高度變化的方法主要有浮球式、超聲波測量、激光測量、時域反射（time domain reflectometry, TDR）法、電容式等，其中TDR法和電容式測量方法在工程中的應用較為廣泛。

TDR法是一種利用反射信號來推算待測件位置和阻抗的測試方法，通過向傳輸路徑中發送一個脈沖或階躍信號，當傳輸路徑中的阻抗發生變化時，部分信號會被反射，其余信號繼續傳輸。通過測量反射信號的電壓幅值和從反射點到信號輸出點的時間，可計算出傳輸路徑中阻抗變化的位置和數值。該方法的相關設備安裝方便、環境抗干擾度高，但價格昂貴、結構復雜。

電容式液位檢測方法利用電容量與液位高度值的線性關系來推算容器內介質的物理位置。該方法具有精度高、可靠性高、相關設備結構簡單、安裝方便、動態響應好等特點。

電容式液位傳感器主要由兩個部分組成：1個金屬棒電極和1個圓柱體參考電極。兩個電極形成一個電容器。當液位在容器中上升或下降時，由于液體的介電常數與空氣的介電常數（約為1）不同，電極與液體間的介電常數會發生改變，從而改變電容器的電容值；隨著液位高度的變化，液體與電極間的接觸面積也會變化，從而會進一步影響電容值。

傳感器內部設置一個電路，用于測量電容值的變化。當電容值變化時，電路將其轉換為電信號輸出，可通過式（1）和式（2）準確計算出非導電液位高度，電容式液位高度檢測原理如圖4所示。

式（1）-（2）

圖4 電容式液位高度檢測原理

電容式液位檢測結果直接決定氣體繼電器內部氣體容積測量結果的準確性。由于變壓器絕緣油存在強界面張力、絕緣油黏度隨溫度變化，電極表面吸附的油膜直接影響電容器傳感器的檢測準確度。綜合考慮變壓器現場應用條件、氣體繼電器內部緊湊結構，以及傳感器布置空間和運行穩定性，本文選用非導體雙筒式電容傳感器來檢測氣體繼電器內部液位的變化情況。

電極表面存在油膜會影響電容器傳感器的檢測準確性。為消除這一影響，在研制和試驗過程中，對液位傳感裝置進行多次優化改進，最終采用傳感器上下測量孔單側圓孔開槽、對側長橢圓開槽方式，以減少絕緣油界面張力、黏度對測量結果的影響。槽寬不影響液位測量，且盡量不改變強度。

液位測試情況如圖5所示，改進后的液位傳感裝置精度高、穩定性好，測量氣體體積的偏差在±5%范圍內，優于JB/T 9647—2014《變壓器用氣體繼電器》中相關規定（氣體繼電器氣體體積刻度最大允許偏差為±10%），達到了預設的技術指標要求，滿足對油面狀態的實時監測需求。

圖5 液位測試情況

在室溫條件下測試不同油面高度下液位傳感器檢測輸出的液位高度，并與實際液位高度進行對比，每組測試10次，取最大值作為檢測結果。液位傳感器測試數據見表3。以液位高度60mm為基準，在不同環境溫度下（-40℃～40℃，間隔20℃）測試液位傳感器檢測輸出的液位高度，并與實際高度進行對比。液位高度為60mm時不同溫度下的測試數據見表4。

表3 液位傳感器測試數據

表4 液位高度為60mm時不同溫度下的測試數據

3.2 氫氣監測模塊設計與驗證

根據對變壓器故障類型產氣情況的分析可知，幾乎所有變壓器故障均產生氫氣。因此，將氫氣作為故障初始指示氣體，在絕大多數變壓器故障的早期監測中均有效，可實現對多數變壓器內部故障的預防和故障性質判斷，也可避免傳統人工取氣樣分析或現場點火試驗過程中的人身安全隱患。

采用Pd/Ni合金技術對氣體繼電器內部集氣室中的氫氣含量進行測試，主要機理為Pd將氫氣分子催化為氫原子，Pd/Ni合金吸附氫原子后晶格發生改變，導致傳感器體積電阻改變。根據理論分析與測試比對分析，傳感器體積電阻的改變量可以表征故障氣體氫氣的濃度，并轉換為4～20mA的直流電流信號。

經測試，氫氣監測模塊的測試精度高、重復性好，能夠快速反映變壓器內部故障情況及發展趨勢，滿足氫氣體積分數在0～5000 m L/L 檢測范圍內測量誤差在±15%內的要求，重復性在±3%內。 氫氣傳感器測量誤差測試數據見表5，氫氣傳感器測量重復性測試數據見表6。

表5 氫氣傳感器測量誤差測試數據

通過典型放電（油中電暈放電、油中沿面放電、油中間隙放電、電弧放電等）模型和典型熱故障（低溫過熱、高溫過熱等）模型試驗數據分析，可以得到變壓器不同故障類型的氫氣組分體積分數的大致幅值（可信）區間，以此來間接輔助判斷變壓器設備狀態，并設計相關的動作閾值，當組分體積分數

表6 氫氣傳感器測量重復性測試數據

高于該閾值時發出變壓器故障預警信號，構成基于氫氣氣體特征的新型輕瓦斯保護。以油中間隙放電模型下氫氣體積分數與單位時間放電量的關系為例，當單位時間放電量小時，氫氣體積分數的變化較小，其含量基本為零，而在發生絕緣擊穿后，氫氣體積分數會急劇增加，可以達到100000 m L/L 量級。

結合實驗室典型故障試驗結果及行業內故障案例經驗反饋，若變壓器內部發生放電故障，產生的游離氣體中均含有較多的氫氣，其體積分數至少為10000～1000000 m L/L ，因此只要氫氣傳感器檢出大于10000 m L/L 時，就基本可以判斷變壓器內部發生放電故障，應及時發出變壓器故障預警信號。

基于集約化、小型化設計理念，將液位監測模塊和氫氣測量傳感器合成二合一智能傳感器模塊，不僅有利于節省安裝空間、確保探頭不改變氣體繼電器固有動作特性，而且可滿足絕大多數氣體繼電器產品在不開孔或少開孔情況下的安裝要求。

二合一智能傳感器外形如圖6所示。所設計的傳感器可在-40℃（環境最低溫度）～+80℃（絕緣油最高溫度）內長期運行，同時可耐受2bar（1bar=1×10 5 Pa ）絕對壓力和真空度小于13Pa壓力的要求。

圖6 二合一智能傳感器外形

智能氣體繼電器結構如圖7所示，二合一智能傳感器模塊與氣體繼電器按圖7方式進行結合。所設計的傳感器可充分利用氣體繼電器排氣閥等原有孔洞，可在氣體繼電器不開孔或少開孔的情況下實現安裝，確保變壓器長期運行過程中不出現滲漏油情況。

經實際測試，采用該設計方案的智能氣體繼電器可實現實時監測繼電器內部油面狀態變化（繼電器內氣體容積變化）、診斷繼電器內部氣體是否為變壓器內部故障產生的功能。

圖7 智能氣體繼電器結構

4 輕瓦斯保護動作正確性判斷邏輯

二合一智能傳感器模塊單元采用4線制Modbus TCP/IP協議（基于傳輸控制協議作為底層傳輸）輸出方式。采用單片機控制板接收智能氣體繼電器輕瓦斯保護常開觸點輸入的數字量信號及二合一智能傳感器模塊輸入的模擬量信號，通過內置邏輯判斷識別輕瓦斯保護動作正確性。

結合輕瓦斯保護報警信號、液位傳感器的輸出量變化、氫氣傳感器的輸 出量變化三個物理量，可準確給出氣體繼電器輕瓦斯報警正確性的智能化判斷，同時給出相應的風險提示或預警。 輕瓦斯動作正確性判斷智能化設計原理如圖8所示。

圖8 輕瓦斯動作正確性判斷智能化設計原理

通過智能氣體繼電器在線綜合診斷系統內置邏輯判斷，可有效甄別非變壓器本體絕緣故障（如瓦斯繼電器浮球破裂、干簧管失效、二次回路絕緣異常等）造成的氣體繼電器誤報警情況，為現場運維人員提供技術支撐，可指導技術人員在現場開展下一步工作。

智能氣體繼電器在線綜合診斷邏輯見表7，其中對應物理量符合相關情況以“√”標識，對應物理量不符合相關情況以“×”標識。同時，由于該智能氣體繼電器兼具氣體容積、氫氣含量的實時監測功能（可監測到故障氣體產生起始點及氣體增長速率），可為判斷變壓器內部缺陷性質及缺陷發展速率提供依據。

表7 智能氣體繼電器在線綜合診斷邏輯

5 結論

本文介紹了一種新型智能氣體繼電器設計方案，該氣體繼電器可實現對繼電器內部氣體容積變化情況、繼電器內部氣體是否為變壓器內部故障產生開展實時快速監測與診斷，有助于對電力變壓器進行更精準、更及時的健康狀態評估，為盡早發現變壓器潛在故障隱患提供了技術支撐。通過結合智能氣體繼電器特點，設計了一套完整的輕瓦斯動作正確性智能化判斷邏輯，可有效甄別變壓器輕瓦斯保護動作正確性，從而保障現場人員與變壓器設備安全。

本工作成果發表在2024年第12期《電氣技術》，論文標題為“ 油浸式電力變壓器智能化氣體繼電器研究 ”，作者為：馮玉輝 、高超。

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