Les transformateurs font partie des actifs les plus critiques et les plus coûteux de tout système électrique. Leur fiabilité opérationnelle affecte directement la sécurité et la stabilité de l’ensemble du réseau. L'analyse des gaz dissous (DGA) est largement reconnue comme la méthode la plus efficace pour détecter les défauts naissants des transformateurs – véritablement le « test sanguin » pour les transformateurs.
After decades of development, online DGA monitoring has evolved from simple single‑gas hydrogen detection to a landscape with multiple coexisting technologies. This article systematically reviews the principles, characteristics, and application scenarios of the main DGA technologies – gas chromatography, infrared spectroscopy, photoacoustic spectroscopy, and others – to help readers select the most suitable technical solution for their needs.
La surveillance monogaz de l'hydrogène (H₂) a été la première technologie appliquée à la surveillance en ligne des transformateurs. L'hydrogène offre une sensibilité élevée et une réponse rapide, ce qui le rend capable de détecter les défauts internes naissants et de refléter la plupart des défauts électriques. technologie
L'hydrogène est un sous-produit courant de la plupart des défauts à un stade précoce
Rapide réponse
Limitations :
Surveille un seul gaz – ne peut pas identifier le type de défaut
L'hydrogène résiduel piégé lentement dans les structures en acier du transformateur se libère au fil du temps, créant des interférences de fond
Certains défauts (par exemple, une surchauffe locale) peuvent générer du méthane avant l'hydrogène, entraînant une détection manquée
Diagnostic de défaut retardé et difficulté à identifier le problème spécifique problème
En raison de ces limitations inhérentes à la surveillance monogaz, les technologies de surveillance multigaz sont progressivement devenues courantes.
1.2 Développement de la surveillance multigaz Technologies
Aujourd'hui, les technologies de surveillance multigaz DGA se répartissent en quatre catégories principales : chromatographie en phase gazeuse, spectroscopie infrarouge, spectroscopie photoacoustique et réseaux de capteurs. Parmi ceux-ci, la chromatographie en phase gazeuse est la norme de laboratoire traditionnelle, tandis que la spectroscopie infrarouge et la spectroscopie photoacoustique sont devenues des points chauds de recherche pour la surveillance en ligne ces dernières années.
2.1 Principe de fonctionnement
Avantages :
Step 1: Gas extraction
An oil sample is collected from the transformer, and dissolved gases are separated from the oil using vacuum degassing or headspace extraction.
Step 2: Chromatographic separation
The extracted gas mixture is carried by an inert carrier gas (such as helium, nitrogen, or argon) through a chromatographic column. The column is packed with a stationary phase. Different gas molecules interact differently with the stationary phase, so they travel through the column at different speeds, achieving separation.
Step 3: Detection and quantification
The separated gases enter a detector (commonly a Thermal Conductivity Detector, TCD, or a Flame Ionization Detector, FID). The detector output produces a chromatogram – peak position identifies the gas species, and peak area reflects gas concentration.
2.3 Application Scénarios
High sensitivity: Down to 0.1 ppm; detection limit for key gases like acetylene ≤ 0.5 ppm
High accuracy and repeatability: As a laboratory standard, results are reliable
Comprehensive gas coverage: Can measure nine or more fault gases simultaneously
Mature technology: Well‑established international standards and extensive application experience
Des études montrent que la GC et la spectroscopie photoacoustique (PAS) présentent une grande cohérence dans la mesure des concentrations de gaz dissous dans le pétrole ; les deux technologies déterminent efficacement la composition et la concentration du gaz.
Requires carrier gas: Consumes high‑purity inert gases, increasing operating costs
Requires regular calibration: Needs standard gas mixtures for calibration
Discontinuous monitoring: Traditional GC is batch‑based – cannot provide real‑time continuous monitoring
Complex maintenance: Columns, valves, and other parts require regular servicing
Time delay: From sampling to results takes hours to days
Laboratory offline analysis: Used as a benchmark method for fault confirmation
Periodic inspections: Regular sampling for non‑critical transformers
Online monitoring systems: Miniaturized GC systems exist, but they still consume carrier gas
La spectroscopie infrarouge détecte les gaz en fonction de leur absorption de longueurs d'onde infrarouges spécifiques, conformément à la loi de Lambert-Beer. Différentes molécules de gaz ont des spectres d'absorption infrarouge uniques – leurs spectres « d'empreintes digitales ».
Caractéristiques :
Principle:
FTIR uses a Michelson interferometer to generate interference light. After passing through the gas sample, the light undergoes Fourier transformation to produce an infrared absorption spectrum. The position of absorption peaks identifies gas species, and the peak intensity corresponds to gas concentration.
Haute résolution spectrale et bonne sélectivité
Système de chemin optique relativement complexe
Sensibilité limitée pour les gaz traces (limite de détection typique ~0,5 ppm)
3.2 Spectroscopie d'absorption laser à diode accordable (TDLAS)
Caractéristiques:
Principle:
TDLAS uses a tunable semiconductor laser whose emission wavelength is precisely aligned with the characteristic absorption line of the target gas. By scanning the laser wavelength and measuring the absorption peak intensity, gas concentration is quantified.
Haute sensibilité, jusqu'à des niveaux de ppb
Forte capacité anti-interférence et bonne sélectivité
Nécessite plusieurs lasers ou un balayage de longueur d'onde pour la mesure de plusieurs composants
3.3 Spectroscopie infrarouge non dispersive (NDIR)
Caractéristiques :
Sélectivité modérée – sensible aux interférences d'autres gaz
Limite de détection ~0,5 ppm
Couramment utilisé pour les gaz à un ou deux composants détection
4. Spectroscopie photoacoustique (PAS)
4.1 Principe de fonctionnement
4.2 Technique Caractéristiques
Avantages :
Limitations :
Where:
S = photoacoustic signal intensity
k = instrument constant
α = gas absorption coefficient
P = optical power
C = gas concentration
Les vibrations environnementales peuvent affecter la précision des mesures
No carrier gas required: Direct gas measurement – no consumable carrier gas
High sensitivity: Detection limit for key gases like acetylene reaches 0.1–0.5 ppm
Fast response: Suitable for real‑time continuous monitoring
No moving parts: When using MEMS electronic modulation, reliability is high
Low maintenance: No consumables
Exigences élevées en matière de sensibilité du microphone
4.3 Photoacoustique améliorée Spectroscopie (PAS amélioré)
La technologie PAS moderne améliorée surmonte les limites du PAS traditionnel grâce à plusieurs innovations :
4.4 PAS vs. GC : comparatif Vérification
5. Autres technologies émergentes
MEMS infrared light source: Electronic modulation replaces the mechanical chopper, eliminating vibration noise
Dual‑chamber enhanced gas cell: Gold‑coated absorption cavities with resonance enhancement technology improve detection sensitivity
Vacuum degassing: Temperature‑controlled vacuum degassing compatible with multiple oil types
Enhanced PAS achieves consumable‑free, maintenance‑free, full‑gas‑coverage online monitoring capability.
La spectroscopie Raman est basée sur l'effet de diffusion Raman. Il analyse la composition du gaz en mesurant le spectre de diffusion produit lorsque la lumière laser interagit avec les molécules de gaz. huile
Un seul laser peut détecter simultanément plusieurs gaz
5.2 Technologie de matrice de capteurs
Les matrices de capteurs se composent de plusieurs capteurs sensibles aux gaz. La composition du gaz est analysée à l'aide d'algorithmes de reconnaissance de formes. intégrer
La sélectivité et la stabilité doivent encore être améliorées
Significativement affecté par la température et l'humidité ambiantes
6. Résumé de la comparaison technologique
(Un tableau de comparaison détaillé serait placé ici. Vous trouverez ci-dessous un résumé textuel.)
Current status:
With advances in laser and fiber optic technologies, RS is gradually expanding its role in DGA. Enhanced RS systems have reduced detection limits for gases such as C₂H₂ and CH₄ to tens of ppm, sufficient for online monitoring applications.
7. Tendances technologiques
7.1 Fonctionnement sans gaz vecteur
Le GC traditionnel nécessite du gaz vecteur, ce qui augmente les coûts d'exploitation et la complexité. Les technologies optiques (PAS, spectroscopie infrarouge, etc.) ne nécessitent aucun gaz vecteur et représentent la direction dominante pour la future surveillance en ligne.
7.2 Paramètres de surveillance intégrés
Le passage de la surveillance d'un seul gaz à la surveillance de plusieurs composants, combinée à l'humidité, à la température et à d'autres paramètres, permet une évaluation complète de l'état du transformateur. fonctionnement sans entretien et TDLAS offre une sensibilité exceptionnelle. Les tendances futures privilégient l'intégration de plusieurs technologies pour obtenir des avantages complémentaires. Méthodes DGA. Des études montrent que les réseaux de neurones artificiels (ANN) peuvent atteindre une précision de 76,8 % dans le diagnostic des défauts DGA, ce qui est nettement supérieur aux méthodes traditionnelles (Dornenburg 55 %, triangle de Duval 40 %, Roger 38,4 %, CEI 31,8%). Comment choisir la bonne solution technique
Conclusion
(A detailed comparison table would be placed here. Below is a textual summary.)
| Technology | Principle | Detection Limit (C₂H₂) | Carrier Gas | Maintenance | Best For |
|---|---|---|---|---|---|
| GC | Separation + detection | ≤0.5 ppm | Required | High | Laboratory / reference |
| PAS | Photoacoustic effect | 0.1-0.5 ppm | Not required | Low | Online continuous |
| FTIR | Infrared absorption | ~0.5 ppm | Not required | Medium | Multi‑component online |
| TDLAS | Laser absorption | <0.1 ppm | Not required | Low | Single/dual gas high precision |
| NDIR | Infrared absorption | ~0.5 ppm | Not required | Low | Single gas |
| Raman | Raman scattering | 10-50 ppm | Not required | Medium | Direct in‑oil measurement |
Sources: Multiple peer‑reviewed studies and technical datasheets.
Traditional GC requires carrier gas, increasing operating cost and complexity. Optical technologies (PAS, infrared spectroscopy, etc.) require no carrier gas and represent the mainstream direction for future online monitoring.
Moving from single‑gas to multi‑component monitoring, combined with moisture, temperature, and other parameters, enables comprehensive transformer condition assessment.
Different technologies have different strengths: GC offers high accuracy, PAS provides maintenance‑free operation, and TDLAS delivers exceptional sensitivity. Future trends favor integrating multiple technologies to achieve complementary advantages.
Combining artificial intelligence (AI) and machine learning algorithms enables automatic fault type identification and severity assessment – overcoming the dependency on expert experience and inconsistent diagnostic results of traditional DGA methods. Studies show that artificial neural networks (ANN) can achieve 76.8% accuracy in DGA fault diagnosis, significantly higher than traditional methods (Dornenburg 55%, Duval triangle 40%, Roger 38.4%, IEC 31.8%).
| Application Scenario | Recommended Technology | Rationale |
|---|---|---|
| Laboratory benchmark analysis | GC | Highest accuracy, standard‑approved |
| Critical transformer online monitoring | Enhanced PAS | Maintenance‑free, full gas coverage |
| Medium‑voltage transformers | 3‑gas PAS or NDIR | Moderate cost, covers main faults |
| Fast leak localization | TDLAS | High sensitivity, fast response |
| Distribution transformer early warning | Single‑gas hydrogen monitor | Low cost, meets basic needs |
| Research & in‑depth diagnostics | Raman or FTIR | Multi‑dimensional information |
Dissolved gas analysis for transformer oil has evolved from single‑component to multi‑component, from offline to online, and from electrical to optical methods.
Gas chromatography, as the traditional standard method, remains irreplaceable in laboratory applications due to its high accuracy and comprehensive coverage.
Photoacoustic spectroscopy, with its maintenance‑free and consumable‑free characteristics, has become the ideal choice for online continuous monitoring.
For power utilities, selecting the right DGA technology requires balancing asset criticality, budget constraints, maintenance capabilities, and diagnostic needs. As next‑generation technologies like enhanced PAS mature, maintenance‑free, full‑gas‑coverage, intelligent diagnostic online monitoring is becoming a reality – providing strong support for the transition from “periodic maintenance” to “predictive maintenance” of power equipment.
HERTZINNO’s online DGA systems (DGA900, DGA500, DGA300) use enhanced MEMS‑based photoacoustic spectroscopy to deliver consumable‑free, maintenance‑free continuous monitoring, with flexible configurations ranging from single‑gas to 9+1 (nine gases + moisture). Learn more →
