摘要：油浸式电力变压器轻瓦斯误报警给现场运维人员准确判断变压器设备的真实健康状态带来了困扰，甚至出现由于判断错误导致变压器非必要停运的事件发生。鉴于此，中广核集团中广核核电运营有限公司的冯玉辉 、高超在2024年第12期《电气技术》上撰文研究一种新型智能化气体继电器
油浸式电力变压器轻瓦斯误报警给现场运维人员准确判断变压器设备的真实健康状态带来了困扰，甚至出现由于判断错误导致变压器非必要停运的事件发生。鉴于此，中广核集团中广核核电运营有限公司的冯玉辉 、高超在2024年第12期《电气技术》上撰文研究一种新型智能化气体继电器，实现对变压器气体继电器内气体容积的实时准确监测，从而有效甄别轻瓦斯报警情况，保障人员和设备安全，达到尽早发现变压器潜在故障隐患的目的。
气体继电器作为油浸式电力变压器重要的非电量保护设备之一，能反映电力变压器油位下降、绝缘击穿、铁心或绕组受潮、过热及局部放电等故障。GB/T 6451—2023《油浸式电力变压器技术参数和要求》中明确要求对于容量为800kV∙A及以上的电力变压器，宜配置气体继电器作为非电量保护。
有文献介绍了两起典型的变压器设备故障中，气体继电器正确动作切除变压器的案例，由此可见气体继电器的准确可靠动作对保障变压器的安全运行至关重要，可有效避免恶性事故发生。但是，气体继电器误动作导致误判变压器健康状态，甚至变压器误停运的案例时有发生。
由于气体继电器重瓦斯保护节点均连接跳闸信号，无论动作是否准确，变压器都会安全停运，因此风险管控要求相对较低；但气体继电器轻瓦斯保护节点通常连接报警信号，一旦出现轻瓦斯报警，由于对保障人身和设备安全、保障能源企业设备可用率、保障电网输送电潮流分配安全等多方面因素的综合考量，现场运维人员难以实现对该类故障的高效处理。
DL/T 572—2021《电力变压器运行规程》规定，变压器轻瓦斯报警处理的典型流程为：瓦斯保护信号动作时，应立即对变压器进行检查，检查是否因积聚空气、油位降低、二次回路故障或变压器内部故障造成。
以前，变压器的电压等级、额定容量均较小，发生恶性事故的可能性较低，在没有有效诊断工具的情况下，通常通过点火试验的方法来判断变压器内部是否真实发生故障，这要求操作人员须有相关经验，而且在操作过程中存在人身安全隐患。
2019年11月，国网某1 000kV交流特高压变电站，检修人员在主变压器轻瓦斯保护动作时，按照规定现场检查主变压器气体继电器和取气盒，进行变压器本体绝缘油离线取样，并对本体开展铁心及夹件接地电流测试等，过程中发生变压器爆燃，造成严重事故。
国家电网公司十八项电网重大反事故措施（2018版）规定，“当变压器1天内连续发生2次轻瓦斯报警时，应立即申请停电检查（若24h内连续发生2次轻瓦斯报警，说明变压器可能存在严重故障）；非强迫油循环结构且未装排油注氮装置的变压器（电抗器）本体轻瓦斯报警，应立即申请停电检查”。某核电集团《油浸式电力变压器应急响应预案》中也明确规定，变压器出现轻瓦斯报警（判断为误报警除外），现场不能开展变压器相关工作。
综上所述，研究一种可准确判断变压器轻瓦斯保护动作正确性的智能化方法迫在眉睫。
1 气体继电器装用情况及误报统计分析
变压器内部发生故障时，绝缘材料因温度过高而产生气体，气体上升至油箱上部，通过管路汇集于气体继电器内，气体继电器内上部浮球随着油位下降至一定量（250～300mL）时触动轻瓦斯保护干簧触点动作吸合，发出轻瓦斯报警信号。
行业内在运500kV及以上电压等级变压器使用的气体继电器主要有德国EMB、德国Messko、德国TRAFO- UNION、意大利COMEN、英国WEIR、日本Fukuda及国产QJ系列等产品，通常采用80mm管路连接方式，整定流速为1.3～1.5m/s。某电力公司变压器气体继电器安装情况见表1。
表1 气体继电器安装情况
据不完全统计，2010—2020年国家电网公司110kV及以上变压器轻瓦斯误报警比例为18.7%，引起气体继电器轻瓦斯误报警的故障模式主要有干簧管损坏、浮球进油、空气进入、二次绝缘缺陷等。
有文献介绍了一起干簧管裂纹引起的气体继电器误动案例，有文献介绍了一起充氮灭火装置截流阀误动引起的主变本体轻瓦斯动作异常案例，有文献介绍了一起油路排气不彻底导致的轻瓦斯告警案例。经统计，近年来行业内气体继电器轻瓦斯误报警案例原因见表2。
表2 轻瓦斯误报警案例原因
从表2不难看出，变压器轻瓦斯误报警的主要原因是变压器绝缘油处理阶段排气不充分、油泵负压区出现渗漏、二次回路绝缘缺陷（接线盒积水、受潮、端子腐蚀、二次线缆绝缘损坏）等问题。这些问题通过提升变压器运维检修管理水平等措施可以有效防范。
但是，气体继电器干簧触点缺陷、浮球进油等产品质量潜在隐患往往不能在设备投运前的检查中被发现，随着运行年限增加，在长期振动影响下装置逐渐失效。下面对几起典型轻瓦斯误动案例进行分析，以期找到一种可有效识别轻瓦斯误报警的方法，从而保证变压器设备的安全稳定运行。
2 轻瓦斯误报案例分析
2.1 干簧触点裂纹导致轻瓦斯误报警
2020年1月，某110kV变电站2号主变压器本体气体继电器出现轻瓦斯报警。经检查发现，该气体继电器内部的轻瓦斯干簧管内部已充满变压器油，轻瓦斯干簧触点引出线端存在裂纹，内部两簧片发生位移倾斜并与干簧管壁接触，干簧触点靠近且呈闭合导通状态；在另一个重瓦斯干簧触点引出线端也检查到相同裂纹，干簧触点内部已充满绝缘油。气体继电器干簧触点存在裂纹如图1所示。
2.2 上浮球进油导致轻瓦斯误报警
2021年3月，某核电厂2号高厂变出现变压器本体轻瓦斯报警。经检查发现，该气体继电器上浮球已下降至最低点，联动磁铁吸合干簧管触点触发了轻瓦斯报警。对故障气体继电器进行拆解后发现，其上浮球已开裂进油，进油量超过浮球体积的3/4。
正常情况下，气体继电器的浮球内部是密闭空气，浮球进油后，其内部空气减少，浮球受到的向上浮力减小，导致浮球下降，进而触发轻瓦斯报警。气体继电器上浮球开裂进油如图2所示。
图1 气体继电器干簧触点存在裂纹
图2 气体继电器上浮球开裂进油
2.3 二次回路缺陷导致轻瓦斯误报警
2023年9月，某核电厂主控室出现125V直流电源系统绝缘低报警。经检查发现，1号辅助变压器气体继电器接线绝缘及电位异常，对气体继电器接线盒进行检查后发现，其接线盒内部已进水。对接线盒电缆密封胶进行解剖检查发现，内部电缆格兰处密封不佳，接线盒格兰与电缆尺寸不匹配。气体继电器接线盒格兰密封失效如图3所示。
图3 气体继电器接线盒格兰密封失效
此外，由于气体继电器二次回路缺陷导致气体继电器轻瓦斯报警的案例还有很多。如：2003年某换流站因换流变平波电抗器气体继电器接线盒进水造成双极闭锁，共损失1 281MW；2019年某换流站因换流变压器气体继电器触点回路故障造成临时停运。
3 智能气体继电器研究
目前，行业内传统气体继电器仍采用传统保护原理，相关技术革新只集中在气体继电器内部结构优化方面，如提出了双浮球式、浮球挡板式、开口杯挡板式等继电器机构，部分解决了由于油泵起停、变压器空载合闸、变压器遭受外部短路导致器身晃动等机械扰动引起的瓦斯误动问题。
但是，在实际的变压器日常运维工作中仍存在以下问题：不能实时读取气体继电器集气室内气体的真实体积及成分，导致数据缺失，影响对变压器健康状况的实时准确判断；无法及时监测变压器本体的轻瓦斯容积、压力、温度和液位变化等。
有文献提出一种变压器故障样本多维诊断及结果可信度分析方法；有文献提出一种融合决策树和模糊数学的新型三比值法，用于变压器故障诊断；有文献提出一种基于黏菌算法（slime mould algorithm, SMA）-变分模态分解（variational mode decomposition, VMD）-门控循环单元（gated recurrent unit, GRU）模型的变压器油中溶解气体含量预测方法；有文献提出气体继电器流场分析与参数动态测量方法，但由于无法掌握气体继电器真实体积，难以甄别轻瓦斯报警的正确性，不利于故障的及时诊断。
因此，研究一种可实时监测集气室内部气体真实体积及氢气含量变化的新型智能气体继电器具有重要意义。
3.1 液位监测模块设计与验证
由于气体继电器的内部空间结构相对固定，通过监测气体继电器集气室内液位高度的变化即可准确计算出内部气体真实体积的变化。检测液位高度变化的方法主要有浮球式、超声波测量、激光测量、时域反射（time domain reflectometry, TDR）法、电容式等，其中TDR法和电容式测量方法在工程中的应用较为广泛。
TDR法是一种利用反射信号来推算待测件位置和阻抗的测试方法，通过向传输路径中发送一个脉冲或阶跃信号，当传输路径中的阻抗发生变化时，部分信号会被反射，其余信号继续传输。通过测量反射信号的电压幅值和从反射点到信号输出点的时间，可计算出传输路径中阻抗变化的位置和数值。该方法的相关设备安装方便、环境抗干扰度高，但价格昂贵、结构复杂。
电容式液位检测方法利用电容量与液位高度值的线性关系来推算容器内介质的物理位置。该方法具有精度高、可靠性高、相关设备结构简单、安装方便、动态响应好等特点。
电容式液位传感器主要由两个部分组成：1个金属棒电极和1个圆柱体参考电极。两个电极形成一个电容器。当液位在容器中上升或下降时，由于液体的介电常数与空气的介电常数（约为1）不同，电极与液体间的介电常数会发生改变，从而改变电容器的电容值；随着液位高度的变化，液体与电极间的接触面积也会变化，从而会进一步影响电容值。
传感器内部设置一个电路，用于测量电容值的变化。当电容值变化时，电路将其转换为电信号输出，可通过式（1）和式（2）准确计算出非导电液位高度，电容式液位高度检测原理如图4所示。
式（1）-（2）
图4 电容式液位高度检测原理
电容式液位检测结果直接决定气体继电器内部气体容积测量结果的准确性。由于变压器绝缘油存在强界面张力、绝缘油黏度随温度变化，电极表面吸附的油膜直接影响电容器传感器的检测准确度。综合考虑变压器现场应用条件、气体继电器内部紧凑结构，以及传感器布置空间和运行稳定性，本文选用非导体双筒式电容传感器来检测气体继电器内部液位的变化情况。
电极表面存在油膜会影响电容器传感器的检测准确性。为消除这一影响，在研制和试验过程中，对液位传感装置进行多次优化改进，最终采用传感器上下测量孔单侧圆孔开槽、对侧长椭圆开槽方式，以减少绝缘油界面张力、黏度对测量结果的影响。槽宽不影响液位测量，且尽量不改变强度。
液位测试情况如图5所示，改进后的液位传感装置精度高、稳定性好，测量气体体积的偏差在±5%范围内，优于JB/T 9647—2014《变压器用气体继电器》中相关规定（气体继电器气体体积刻度最大允许偏差为±10%），达到了预设的技术指标要求，满足对油面状态的实时监测需求。
图5 液位测试情况
在室温条件下测试不同油面高度下液位传感器检测输出的液位高度，并与实际液位高度进行对比，每组测试10次，取最大值作为检测结果。液位传感器测试数据见表3。以液位高度60mm为基准，在不同环境温度下（-40℃～40℃，间隔20℃）测试液位传感器检测输出的液位高度，并与实际高度进行对比。液位高度为60mm时不同温度下的测试数据见表4。
表3 液位传感器测试数据
表4 液位高度为60mm时不同温度下的测试数据
3.2 氢气监测模块设计与验证
根据对变压器故障类型产气情况的分析可知，几乎所有变压器故障均产生氢气。因此，将氢气作为故障初始指示气体，在绝大多数变压器故障的早期监测中均有效，可实现对多数变压器内部故障的预防和故障性质判断，也可避免传统人工取气样分析或现场点火试验过程中的人身安全隐患。
采用Pd/Ni合金技术对气体继电器内部集气室中的氢气含量进行测试，主要机理为Pd将氢气分子催化为氢原子，Pd/Ni合金吸附氢原子后晶格发生改变，导致传感器体积电阻改变。根据理论分析与测试比对分析，传感器体积电阻的改变量可以表征故障气体氢气的浓度，并转换为4～20mA的直流电流信号。
经测试，氢气监测模块的测试精度高、重复性好，能够快速反映变压器内部故障情况及发展趋势，满足氢气体积分数在0～5000mL/L检测范围内测量误差在±15%内的要求，重复性在±3%内。氢气传感器测量误差测试数据见表5，氢气传感器测量重复性测试数据见表6。
表5 氢气传感器测量误差测试数据
通过典型放电（油中电晕放电、油中沿面放电、油中间隙放电、电弧放电等）模型和典型热故障（低温过热、高温过热等）模型试验数据分析，可以得到变压器不同故障类型的氢气组分体积分数的大致幅值（可信）区间，以此来间接辅助判断变压器设备状态，并设计相关的动作阈值，当组分体积分数
表6 氢气传感器测量重复性测试数据
高于该阈值时发出变压器故障预警信号，构成基于氢气气体特征的新型轻瓦斯保护。以油中间隙放电模型下氢气体积分数与单位时间放电量的关系为例，当单位时间放电量小时，氢气体积分数的变化较小，其含量基本为零，而在发生绝缘击穿后，氢气体积分数会急剧增加，可以达到100000mL/L量级。
结合实验室典型故障试验结果及行业内故障案例经验反馈，若变压器内部发生放电故障，产生的游离气体中均含有较多的氢气，其体积分数至少为10000～1000000mL/L，因此只要氢气传感器检出大于10000mL/L时，就基本可以判断变压器内部发生放电故障，应及时发出变压器故障预警信号。
基于集约化、小型化设计理念，将液位监测模块和氢气测量传感器合成二合一智能传感器模块，不仅有利于节省安装空间、确保探头不改变气体继电器固有动作特性，而且可满足绝大多数气体继电器产品在不开孔或少开孔情况下的安装要求。
二合一智能传感器外形如图6所示。所设计的传感器可在-40℃（环境最低温度）～+80℃（绝缘油最高温度）内长期运行，同时可耐受2bar（1bar=1×105Pa）绝对压力和真空度小于13Pa压力的要求。
图6 二合一智能传感器外形
智能气体继电器结构如图7所示，二合一智能传感器模块与气体继电器按图7方式进行结合。所设计的传感器可充分利用气体继电器排气阀等原有孔洞，可在气体继电器不开孔或少开孔的情况下实现安装，确保变压器长期运行过程中不出现渗漏油情况。
经实际测试，采用该设计方案的智能气体继电器可实现实时监测继电器内部油面状态变化（继电器内气体容积变化）、诊断继电器内部气体是否为变压器内部故障产生的功能。
图7 智能气体继电器结构
4 轻瓦斯保护动作正确性判断逻辑
二合一智能传感器模块单元采用4线制Modbus TCP/IP协议（基于传输控制协议作为底层传输）输出方式。采用单片机控制板接收智能气体继电器轻瓦斯保护常开触点输入的数字量信号及二合一智能传感器模块输入的模拟量信号，通过内置逻辑判断识别轻瓦斯保护动作正确性。
结合轻瓦斯保护报警信号、液位传感器的输出量变化、氢气传感器的输出量变化三个物理量，可准确给出气体继电器轻瓦斯报警正确性的智能化判断，同时给出相应的风险提示或预警。轻瓦斯动作正确性判断智能化设计原理如图8所示。
图8 轻瓦斯动作正确性判断智能化设计原理
通过智能气体继电器在线综合诊断系统内置逻辑判断，可有效甄别非变压器本体绝缘故障（如瓦斯继电器浮球破裂、干簧管失效、二次回路绝缘异常等）造成的气体继电器误报警情况，为现场运维人员提供技术支撑，可指导技术人员在现场开展下一步工作。
智能气体继电器在线综合诊断逻辑见表7，其中对应物理量符合相关情况以“√”标识，对应物理量不符合相关情况以“×”标识。同时，由于该智能气体继电器兼具气体容积、氢气含量的实时监测功能（可监测到故障气体产生起始点及气体增长速率），可为判断变压器内部缺陷性质及缺陷发展速率提供依据。
表7 智能气体继电器在线综合诊断逻辑
5 结论
本文介绍了一种新型智能气体继电器设计方案，该气体继电器可实现对继电器内部气体容积变化情况、继电器内部气体是否为变压器内部故障产生开展实时快速监测与诊断，有助于对电力变压器进行更精准、更及时的健康状态评估，为尽早发现变压器潜在故障隐患提供了技术支撑。通过结合智能气体继电器特点，设计了一套完整的轻瓦斯动作正确性智能化判断逻辑，可有效甄别变压器轻瓦斯保护动作正确性，从而保障现场人员与变压器设备安全。
本工作成果发表在2024年第12期《电气技术》，论文标题为“ 油浸式电力变压器智能化气体继电器研究”，作者为：冯玉辉 、高超。
来源：电气技术一点号
