变压器油路腐蚀及气体监测系统技术领域
本发明涉及一种监测技术，特别涉及一种变压器油路腐蚀及气体监测系统。
背景技术
电力变压器油回路长期运行中会出现油路腐蚀，电回路中的过热或者局放
故障，也需要油样中溶解气体分析才能够发现。
发明内容
本发明是针对电力变压器油回路长期运行容易出现过热或者局放故障的问
题，提出了一种变压器油路腐蚀及气体监测系统，实现油回路管道腐蚀以及气
相色谱在线分析。
本发明的技术方案为：一种变压器油路腐蚀及气体监测系统，包括挂壁探
头、PC机、IC卡芯片和腐蚀测量及色谱分析系统，挂壁探头包括电阻探针和气
体传感器，电阻探针包括作为监测腐蚀的暴露试片和作为参考的封闭挂片，附
着于变压器油管道内的挂壁探头采集的电阻和气体信号送到腐蚀测量及色谱分
析系统进行色谱分析、腐蚀速度的计算和显示，腐蚀测量及色谱分析系统通过
IC卡与上位机之间进行数据的通讯传输，上位机利用IC卡对数据进行保存和录
入。
所述挂壁探头包括六个电阻探针挂片和四个气体传感器，电阻探针挂片为
薄长条状挂片，六片挂片每块的阻值在0～50mΩ之间，六片挂片串连连接，左
右两端两挂片为暴露试片，中间四个挂片为封闭挂片，四组气体传感器通过绝
缘材料分别粘附于四组封闭挂片电阻上。
所述腐蚀测量及色谱分析系统以单片机为控制核心，单片机外围有高精度
数控恒流源、前置运算放大器、高位的模数转换器、IC卡的数据通讯和外围辅
助模块；其中恒流源为数控式恒流源，其基准电压由单片机内数模转换器提供，
通过控制单片机的输出来控制恒流源的大小以及输出方式，完成电阻探针和气
体传感器信号电压的采集后，通过前置运算放大器将采集信号放大后，再通过
模数转换器后数据送入到单片机中进行处理，自动量程的切换通过单片机输出
信号改变前置运算放大器的增益来实现，单片机输出通过彩屏进行数据的显示，
单片机处理后的数据通过IC卡的数据通讯RS232接口保存在IC卡中。
所述前置运算放大器选择高输入阻抗、低输出阻抗、低失调电压和温度漂
移以及高共模抑制比的仪用放大器。
本发明的有益效果在于：本发明变压器油路腐蚀及气体监测系统，实现油
回路管道腐蚀以及气相色谱在线分析，系统简单、灵敏、适用性强的特性，主
要应用在500KV变压器及电抗器油回路的监测领域。
附图说明
图1为本发明变压器油路腐蚀及气体监测系统结构框图；
图2为本发明腐蚀电阻挂片的结构示意图；
图3为本发明PC机操作界面图；
图4为本发明油气分离示意图。
具体实施方式
油回路不受外界电场和磁场的影响，可直接将电阻探针以及气体传感器安
放于油管道内壁，以期实现实时地在线监测，无需停运变压器，并可查明变压
器发生的油回路及电回路内部故障。为了灵敏快速的表示变压器油管道腐蚀的
变化，要求测量出管道腐蚀电阻挂片微欧级的变化、为了使腐蚀发生在管道表
面时就能够有效抑制，所以对测量系统分辨力的要达到1μΩ的级别。与挂片电
阻整合的探头中，包括气体传感器，实时将被监测变压器油中气体信息转变为
电信号；电信号通过与挂片电阻公用通信通讯控制器，然后传到上位机，实时
显示管道的腐蚀状态和被监测气体浓度读数；实时读取和保存监测数据和结果。
如图1所示变压器油路腐蚀及气体监测系统结构框图，系统包括四个部分：
挂壁探头100、PC机200、IC卡芯片300、腐蚀测量及色谱分析系统400，附着
于变压器油管道内的挂壁探头实现腐蚀挂片电阻的测量、油气体采集，送腐蚀
测量及色谱分析系统400进行色谱分析、腐蚀速度的计算、彩屏的显示，腐蚀
测量及色谱分析系统400通过IC卡300和上位机200之间进行数据的通讯传输，
上位机主要是利用IC卡300对数据进行保存和录入。
挂壁探头100包括了六个电阻探针挂片以及四个气体传感器，电阻探针做
成很薄的长条状的挂片，作为腐蚀传感器的电阻试样的阻值非常小，；六片挂片
每块的阻值在0～50mΩ之间，电阻探针挂片是由六个特定的钢片来研制的，结
构如图2所示，串连连接，左右两端各两试片为暴露试片P1、P2，中间四个电
阻试片为封闭挂片R01、R02、R03、R04，四组气体传感器通过绝缘材料分别
粘附于这四组封闭挂片电阻上。在监测的过程中，暴露试片用来对管道腐蚀环
境进行监测，密闭的对照试片可以作为温度补偿功能的参考点。
针对六个电阻探针试片的特殊结构采用多通道测量，如图1所示进行实时
的在线切换和同时测量。以弥补数字万用表精度不够、微欧计只能进行单次测
量等问题，保证本发明中的监测系统快速高效智能的效果。
腐蚀测量及色谱分析系统400中腐蚀监测功能的实现方案为：
1)微电阻检测仪的监测分辨力在0-5mΩ电阻的检测分辨力达1uΩ；5mΩ
-50mΩ电阻检测分辨力达10uΩ；采用继电器实现多个通道间的快速转换及量程
的自动切换。
2)实现腐蚀速度的在线计算和显示，并且可以实现腐蚀数据的保存以及报警
等功能。
3)利用IC卡实现数据在上位机和下位机之间数据的传输和读取存储功能。
4)计算部分采用四线测量法，消除接触电阻和测量导线电阻的影响，实现6
个腐蚀电阻挂片腐蚀前后微电阻的精确测量。
5)通过MSP430单片机10进行电阻挂片厚度的检测以及腐蚀速度的计算，并
把以上数据通过彩频以菜单的形式进行显示。
气体传感器中有微型燃料电池，依据下面的反应式可将几种特征气体直接
转换为电信号：
氢气H2→2H++2e-
一氧化碳CO+H2O→CO2+2H++2e-
乙炔C2H2+4H2O→2CO2+10H++10e-
乙烯C2H4+4H2O→2CO2+12H++12e-
腐蚀测量及色谱分析系统400系统中色谱分析功能的实现方案为：：
1)实时将被监测变压器油中气体信息转变为电信号；对电信号进行定期采
样；
2)电信号强度与气体浓度成正比，通过测量电信号便可以得知气体浓度和变
化趋势
3)计算出采样时变压器油中气体的浓度、小时变化趋势和日变化趋势；显示
当前测量结果；
4)按照用户设定的警报触发条件，启动报警。并对警报发生、处理、恢复过
程进行完整记录；
5)监测绝缘油中的氢气(H2)，一氧化碳(CO)，乙炔(C2H2)和乙烯(C2H4)
四种故障特征气体的复合浓度及产气速率。
腐蚀测量及色谱分析系统400以MSP430单片机10为控制核心，主要有高
精度数控恒流源20、精密前置运算放大器30、高位的模数转换器40、IC卡的
数据通讯50和外围辅助模块60、多通道的自动切换70(可选功能按键配合单
片机进行多通道采集)。其中恒流源20为数控式恒流源，通过控制单片机10的
输出来控制恒流源20的大小以及输出方式，采用1A脉冲式恒流源20作为测量
系统的激励源。完成进行挂片电阻和气体传感器两路信号电压的采集后，通过
放大电路30将采集信号放大后，再通过AD模数转换器40后数据送入到单片
机10中进行处理。自动量程的切换通过单片机10输出信号改变前置运算放大
器30的增益来实现。单片机10输出通过彩屏进行数据的显示。单片机10处理
后的数据通过IC卡的数据通讯50RS232接口保存在IC卡300中，IC卡300实
现数据在单片机10以及上位机200之间的通讯。
利用IC卡300实现数据在上位机200和单片机10之间的通讯，通过IC卡
300把四路挂片数字信号及特征气体浓度信号传输到上位机200中，在上位机
200中也可以进行挂片信息及气体浓度的录入。
要避免因1A的电流过大对挂片的测量带来温漂、以及传感器工作温度的影
响，本发明中恒流源20设计为数控的。在恒流源20的设计过程中，基准电压
的选择非常重要，因为基准电压的精确度决定着恒流源20的精度。本次恒流源
20的设计选择单片机MSP430的DAC输出作为恒流源20的基准电压，稳定性
非常好，而且DAC的输出可以由程序来控制，可以实现数控式脉冲恒流源20
的设计，也降低了系统的功耗。
上述两路电压信号大都在mV级，而检测分辨力要达uV级，因此为了提高
测量的准确性以及抗干扰性，选择高输入阻抗，低输出阻抗，低失调电压和温
度漂移以及高共模抑制比的仪用放大器作为前置运算放大器30。然后对电压信
号进行滤波，选择高位的AD进行采集，并送入MSP430单片机10中进行数据
的处理和显示。在实时测量过程中，通过改变前置运算放大器30的增益来实现
量程的自动切换。最后通过IC卡300实现下位机腐蚀测量及色谱分析系统和上
位机之间的通讯。
变压器油路腐蚀及气体监测系统的PC机界面如图3所示；主要包括设备连
接、探针信息设置、IC卡操作和信息显示部分。各部分功能如下：(1)设备连
接：主要实现上位机界面和IC卡读卡器的连接和断开，可进行串口的设置。(2)
探针信息设置：可以查看或者设置电阻探针的信息，实现电阻探针4个电阻挂
片阻值的读取或者设置，并可计算测量时间。(3)实时气体浓度：可以实现油
气相色谱监测结果的显示；包括，氢气(H2)，一氧化碳(CO)，乙炔(C2H2)
和乙烯(C2H4)四种故障特征气体的复合浓度及产气速率。而且可以选择保存
或者清除这些信息。(4)IC卡操作：可以实现IC卡的寻卡操作，并显示IC卡
的UID号。待IC卡寻卡成功，可以进行腐蚀电阻挂片测量数据的数据读取、数
据保存、IC卡复位操作。
本发明中变压器油路腐蚀及气体监测系统的两个功能分别是：通过测量腐
蚀电阻挂片的电阻值计算腐蚀电阻挂片电阻试片厚度的变化，进而计算腐蚀速
度。
针对电阻挂片的特殊结构，系统自带的多通道切换测量系统，能够多个电
阻的同时切换测量。测量系统采用四线制测量法进行微电阻的测量，可以消除
接触电阻和测量导线的影响，防止测量腐蚀电阻挂片的微电阻值的误差。以便
能在较短时间内获得有效数据，检出最小减薄量，及时的反应腐蚀的情况。
气体传感器中的复合油膜将变压器油中的特征气体完全分离，如附图4所
示，后直接由燃料电池阴极输出电流信号反应这些特征气体，腐蚀电阻挂片的
微小电阻值上的电流信号，两路电流信号都转化为电压信号，再通过前置运算
放大器30的放大、通过高位的模数转换器40进行数据的采集，MSP430单片机
10进行数据的处理和显示,实现油路腐蚀速度及电回路故障特征气体的在线计算
和显示。监测系统完成一个完整的采样分析需要在6分钟。最短检测周期可设
定为为30分钟，最长检测周期可任意设定。
报警量的设置为：氢气(H2)，一氧化碳(CO)，乙炔(C2H2)和乙烯(C2H4)
四种故障特征气体的复合浓度(150ppm高报警、300高高报警)、时产气速率
(15ppm/hour高报警、30ppm/hour高高报警)、日产气速率(30ppm/hour高报警、
60高高报警)、气体传感器及挂片电阻温度(5℃低低报警、15℃低报警、65℃
高报警、75℃高高报警)、挂片电阻开路短路报警。