CN104849434B - 一种油中溶解气体检测仪器精度的标定系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于高压电气设备在线监测的研究与应用技术领域，特别是变压器油中溶解气体监测效果的校准，具体涉及一种油中溶解气体检测仪器精度的标定系统，包括电源和变压器在线监测装置，还包括气体源、气样发生器、配油源、油样发生器、小型空气增压泵、油气检定仪、工控机和废油缸，所述油气检定仪包括油气混成室，以及设置在油气混成室内的压力传感器、温度传感器和加热器，本发明配置灵活、计算准确、维护方便，通过进气量、进油量及油气混成室的温度、压力值大小，利用勒夏特列原理计算出油中溶解气体各组分的浓度，减少了检验周期，本发明采用星型拓扑结构的布置方式，确保在检验中不会影响其它监测回路的正常运行。

Description

一种油中溶解气体检测仪器精度的标定系统

技术领域

本发明属于高压电气设备在线监测的研究与应用技术领域，特别是变压器油中溶解气体监测效果的校准，具体涉及一种油中溶解气体检测仪器精度的标定系统。

背景技术

绝缘油为变压器内部的关键介质，当变压器发生电或热故障时会伴随生成少量活泼的氢原子和不稳定的碳氢化合物的自由基，并在复杂的化学反应下，化合形成氢气和低分子烃类气体，如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等。因此，可通过监测、分析油中溶解气体尽早发现变压器内部的潜伏性故障。

近年来，变压器油中溶解气体在线监测越来越受电力企业的欢迎，监测装置的应用规模不断扩大，可监测到的绝缘油中故障特征气体亦包括了氢气、乙炔等主要特征气体，油中溶解气体在线监测装置安装于变电站现场，受各种现场条件因素的制约，需要对在投入运行前和在运行中的监测装置进行检验，以确保监测装置准确性、连续性能够满足电力企业的要求，通常的做法是采用“标油”标定方法检验监测装置，但是在实际操作中存在以下问题：

(一)、手动配置标油的方法极其繁琐，且放置时间短，配置数量也小，浪费大量的人力、物力和财力。

(二)、在线监测装置部署于变电站现场，而标油的配置和应用环境均需在实验室，不利于推广对运行中监测装置的校准工作。

以上问题导致现有技术产品中多为孤立检测装置，阻碍了在线监测装置现场校准工作的开展。

发明内容

本发明的目的为解决现有技术的上述问题，提供了一种能检验监测装置检测油中溶解气体含量，准确性高，可重复测量，误差小的油中溶解气体检测仪器精度的标定系统，而且还可以减少检验周期，为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种油中溶解气体检测仪器精度的标定系统，包括电源和变压器在线监测装置，其特征在于：还包括气体源、气样发生器、配油源、油样发生器、小型空气增压泵、油气检定仪、工控机和废油缸，所述气体源通过电缆信号线和气管与气样发生器进行连接，所述气样发生器也通过电缆信号线和气管与油气检定仪连接，所述配油源通过电缆信号线和油管与油样发生器连接，所述油样发生器也通过电缆信号线和油管与油气检定仪连接，所述油气检定仪通过电缆信号线和气管与小型空气增压泵连接，所述油气检定仪通过电缆信号线和油管与废油缸连接，所述油气检定仪还通过电缆信号线和油管与变压器在线监测装置连接，所述油气检定仪通过电缆信号线与工控机进行连接，所述油气检定仪包括油气混成室，以及设置在油气混成室内的压力传感器、温度传感器和加热器，所述压力传感器、温度传感器和加热器都分别通过电缆线与微处理器连接。

优选地，所述小型空气增压泵的最大工作压力为0.5Mpa，最大流量达1350L/min。

优选地，所述标定系统先将纯净的绝缘的配油源和标准的气体源分别通过油样发生器和气样发生器加入油气检定仪中，在温度为60℃条件下，标准的气体源和配油源在油气混成室中通过循环压缩混合使油中溶解气体达到分配平衡，并检测标定出油中溶解气体各组分的浓度。

优选地，所述检测油中溶解气体的浓度的步骤如下：

(1)、设置拟定的气体溶解浓度，然后将油样和气样在油气检定仪内的油气混成室中进行混合，静置得到气体组分溶解于油样中；

(2)、分别调节油气混成室内的温度、压强和油气的浓度，得到一定含有指定浓度气体的测试油，混成后的测试油所产生的压强和气样单独占有整个容器时所产生的压强相同；

(3)、将完成溶解气体浓度设置后的测试油提供至变压器在线监测装置进行测试，测试时间小于等于2小时，并在测试后获取检测值ε；

(4)、重复步骤(3)测试过程5次，每次测试过程中的所设置的油中溶解气体浓度S相同，测试气体组分的类型一致；

(5)、比对计算5次变压器在线监测装置的气体浓度测试值与所设置的气体浓度值之间的平均偏差θ，并提供给测试人员，其中，

式中，θ为平均偏差，S为所设置的气体浓度，ε1～ε5为变压器在线监测装置检测值。

优选地，所述油样为25号变压器绝缘油，所述气样为H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄和C₂H₆气体中的一种或多种，气样的气体纯度≥99％。

综上所述，本发明还具有以下有益效果：

(1)配置灵活：本发明的标定系统可根据工作需要灵活配置于各变电站，适应智能变电站的现场需要。

(2)运行安全：非侵入检测方式，在线监测装置安装于变压器设备体外、该仪器又装设于监测装置的体外，不用改变设备原有结构及运行方式，则可实现一次回路与二次回路隔离，不影响电气设备的运行安全；同时安装过程中无须对设备停电。

(3)计算准确：根据进气量、进油量及油气混成室的温度、压力值大小，利用勒夏特列原理(Le Chatelier's principle)计算出油中溶解气体各组分的浓度。

(4)维护方便：采用星型拓扑结构的布置方式，确保在检验单套油中溶解气体在线监测装置时不会影响其它监测回路的正常运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施实例或现有技术描述中所需要的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种油中溶解气体检测仪器精度的标定系统的原理结构示意图。检测标定油中溶解气体的浓度的

图2是本发明的油气检定仪的原理示意图。

图3是本发明一种油中溶解气体检测仪器精度的标定系统的检测标定的流程图。

附图中，1-气体源，2-气样发生器，3-配油源，4-油样发生器，5-小型空气增压泵，6-油气检定仪，7-工控机，8-废油缸，61-油气混成室，62-压力传感器，64-加热器，65-微处理器。

具体实施方式

下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的目的在于提供一种油中溶解气体检测仪器精度的标定系统，包括电源和变压器在线监测装置，还包括气体源1、气样发生器2、配油源3、油样发生器4、小型空气增压泵5、油气检定仪6、工控机7和废油缸8，所述气体源1通过电缆信号线和气管与气样发生器2进行连接，所述气样发生器2也通过电缆信号线和气管与油气检定仪6连接，所述配油源3通过电缆信号线和油管与油样发生器4连接，所述油样发生器4也通过电缆信号线和油管与油气检定仪6连接，所述油气检定仪6通过电缆信号线和气管与小型空气增压泵5连接，所述油气检定仪6通过电缆信号线和油管与废油缸8连接，所述油气检定仪6还通过电缆信号线和油管与变压器在线监测装置连接，废油缸8用于收集将油样与气样混成后的油，在本发明中，气管通路通过电磁阀控制开闭，用于调整气体的流量、速度等参数；而油管通路通过逆止阀控制开闭，防止油样倒流，电缆信号回路用于传输检测值及控制启停的命令，所述油气检定仪6通过电缆信号线与工控机7进行连接，其信号回路可传输检测值、误差及控制命令等，运维人员可通过工控机7设置检验参数，并查询检测结果。

所述气体源1可为油气检定仪6提供气样，所述气样为H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄和C₂H₆气体中的一种或多种，所述标准气样发生器2内储存有7只气瓶，其中，每只气瓶的容量为3L，每种气体均存储于单独的气瓶中，其气瓶压力稳定性≤0.001Mpa，气体纯度≥99％。

所述气样发生器2可设置需要提供给油气检定仪6的气样(标气)类型、大小、顺序、速度；并将供给的气样数量、时间等信号发送至油气检定仪6，其供气方式包括自动与手动进气两种；所述配油源3可为油气检定仪6提供油样(标油)为25号变压器绝缘油(凝固点为-25℃)，油样存储于单独的油缸中，其油缸压力≤0.04MP，容量≤5L，所述油样发生器4可设置需要提供给油气检定仪6的油样大小、速度，并将供给的油样数量、时间等信号发送至油气检定仪6，其供油方式包括自动与手动进油两种；所述的小型空气增压泵5为以电力驱动的气泵，通过持续地活塞运动不停地压缩空气，产生气压，能够将工作系统的空气压力提高到2～5倍，仅需要将标定系统内压缩空气作为气源即可，该泵适合单气源增压，最大工作压力为0.5Mpa，最大流量为1,350L/min，当达到所设定的压力时，无额外能量消耗。

如图2所示，作为本发明的最佳实施例，所述油气检定仪6包括油气混成室61，以及设置在油气混成室61内的压力传感器62、温度传感器63和加热器64，所述压力传感器62、温度传感器63和加热器64都分别通过电缆线与微处理器65连接；所述油气混成室61主要实现将气样发生器2提供的定量气体溶解于油样发生器4提供的定量油样中；所述压力传感器63用于检测油气混成室内的压力，将测量的压力转换成与电信号输入至微处理微处理器65，压力传感器可耐350℃的高温；所述温度传感器63用于检测油气混成室内的温度，本传感器有极高的响应速度，可以测量室温快速变化的过程；所述加热器64用于加热油气混成室61的温度，可将室温升至指定温度(通常是60℃)，并确保其在检定过程中处于恒温状态，加热器功率大，体积小，升温快，并且采用智能控制模式，控温精度高，加热器升温至指定温度的时间≤1.5小时。

微处理器主要完成工作的工包括：1)利用勒夏特列原理(Le Chatelier'sprinciple)进行各种组分气体的气相色谱分析和油中气体浓度计算；2)控制气样发生器2至油气检定仪6油气混成室的气样大小、时间等；3)控制油样发生器4至油气检定仪6油气混成室的油样大小、时间等；4)控制油气混成室的温度、压力，并采集测值；5)采集实验室内油中溶解气体检测仪器或变压器在线监测装置的检测数据。

所述标定系统先将纯净的绝缘的配油源3和标准的气体源1分别通过油样发生器4和气样发生器2加入油气检定仪6中，在温度为60℃条件下，标准的气体源1和配油源3在油气混成室61中通过循环压缩混合使油中溶解气体达到分配平衡，并检测出油中溶解气体各组分的浓度，利用勒夏特列原理(Le Chatelier's principle)，根据气样、油样的进量以及温度、压力的改变值分析计算油中气体浓度，

勒夏特列原理系定性预测化学平衡点的原理，即是当改变浓度、压强、温度等可逆反应的条件后，便破坏了原有化学平衡，并向被减弱条件的方向移动。本发明即是利用勒夏特列原理，在油气混成室(可密封的容器)中注入定量的油样、气样，使之溶解，并调节温度改变油中气体浓度，所得到的油样同时供给油气检定仪6、变压器在线监测装置分别检测，并在比对它们的检测结果后，得出是否存在测试误差或需调整标定的具体参数，如图3所示，检测标定出油中溶解气体的浓度的步骤及流程如下：

(1)、设置拟定的气体溶解浓度，然后将油样和气样在油气检定仪6内的油气混成室61中进行混合，静置得到气体组分溶解于油样中；

(2)、分别调节油气混成室61内的温度、压强和油气的浓度，得到一定含有指定浓度气体的测试油，混成后的测试油所产生的压强和气样单独占有整个容器时所产生的压强相同；

调节温度、压强和油气的浓度的步骤如下：首先，若增大油气混成室61油气的浓度，平衡移动的结果应使油中气体的浓度减小，即只能向正反应方向移动；其次，若增油气混成室61内平衡体系的压强，平衡移动的结果应使体系的压强减小，即平衡向气体体积减小方向移动；再次，若油气混成室61内的温度，平衡移动的结果应使体系的温度降低，即平衡向吸热方向移动；最后，若改变油气溶解反应进行的速率，不会影响最终平衡的改变，即对正逆反应的影响程度是一样的。

在本发明实施例中，油样、气样在油气检定仪6油室内的混合，且各类气样溶解于油样中。油样为纯净的25号变压器绝缘油，气样为H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄和C₂H₆气体中的一种或多种，且按气样发生器2既定配给的数量均匀地分布在整个油气混成室61中，所述各气体组分彼此之间不发生化学反应。根据检测要求，调节油气混成室61，得到一定含有指定浓度气体的油，混成后的油所产生的压强和它单独占有整个容器时所产生的压强相同，也就是说，一定量的气体在溶解于一定容积油的容器中后的浓度、压强仅与温度有关。即是确保浓度平衡与温度与油及油室温度常数K有关，温度常数K在通常取60℃。以配置指定浓度的CO₂为例，当油中未溶解的CO₂与溶解的CO₂时存在平衡：调高温度时，浓度变化，平衡向释放二氧化碳的方向移动，以减弱浓度对油中溶解气体动态平衡的影响；

(3)、将完成溶解气体浓度设置后的测试油提供至变压器在线监测装置进行测试，测试时间小于等于2小时，并在测试后获取检测值ε；

(4)、重复步骤(3)测试过程5次，每次测试过程中的所设置的油中溶解气体浓度S相同，测试气体组分的类型一致；

(5)、比对计算5次变压器在线监测装置的气体浓度测试值与所设置的气体浓度值之间的平均偏差θ，并提供给测试人员，其中，

式中，θ为平均偏差，S为所设置的气体浓度，ε1～ε5为变压器在线监测装置检测值。

本发明的标定系统不仅能检验监测装置检测油中溶解气体含量的准确性、重复性，本发明还可以通过先将纯净的绝缘油和标准气加入检定仪中，在恒温条件下，油样和标准气样在油气混成室中通过循环使油中溶解气体在气、液两项达到分配平衡，并根据勒夏特列原理(Le Chatelier's principle)计算出油中溶解气体各组分的浓度，把样品油的浓度分别与实验室检测仪器或变压器在线监测装置的测值进行比、对标定，视标定结果是否相同，误差越小说明在线检测系统性能越好，本系统不仅能够在实验室里检验监测装置，还可以在变电站现场检验监测装置，减少了检验周期。

本发明的一种油中溶解气体检测仪器精度的标定系统将部署于监测装置附近，通常为变压器场地内；同时，标定系统也可以安置于实验室内，检验送检的油中溶解气体检测仪器，主要用于被检监测装置的标定和校验，通过该仪器配置的标油、标气对被检监测装置进行测量误差、测量重复性、最小检测浓度等功能的校验，本发明的标定系统可将所配置含有指定气体的油样通过油管提供给需校准的监测装置进行检测，通过双绞线电缆采集监测装置的检测结果，最后通过工控机8查阅监测装置检测值的误差，以便于设备运维人员进行标定，本发明解决了当前变压器油中溶解气体在线监测领域中无法对监测装置进行现场实时动态标定的问题，同时，针对性地检验监测装置的运行情况，及时修正监测装置的测量偏差、重复性偏差，以便于及时、准确地发现被监测变压器所存在的潜伏性故障；并实现制定故障变压器及其监测装置的特维特巡、检修技改策略，最终达到电力生产中的安全、效能、成本平衡。

结合图1，对发明的具体操作过程如下：

1).将一种油中溶解气体检测仪器精度的标定系统安装于某220kV变电站的变压器在线监测装置附近，并以双绞线电缆、油管与在线监测装置连接，实际工作中，可根据变压器在线监测装置数量和现场环境选择具体安装位置，但与监测装置的距离不宜过远；

2).气体源1按已设置的参数将特征气体经导气管送至气样发生器2，因此，可由气体源1、气样发生器2经气管向油气检定仪6提供检验所需的气样，气样发生器2按检验需要按设定的流量、速度将气样经气管送至油气检定仪6；

3).配油源3将配油经油管送至油样发生器4，此时，配油源3、油样发生器4经油管向油气检定仪6提供检验所需的油样，油样发生器4按检验需要按设定的流量、速度将油样经油管送至油气检定仪6；

4).由小型空气增压泵5经油管向油气检定仪6提供驱动促使油路循环的气压，与此此时，小型空气增压泵5经气管向油气检定仪6提供检验所需的气压；

5).油气检定仪6将气样发生器2送至的气样与油样发生器4送至的油样进行混成，并检验油中气体含量的浓度；

6).油气检定仪6完成气样与油样的混成及混成后油的气体浓度检验，并将混成油送至变压器在监测装置中进行检验，同时还有接收变压器在线监测装置检测混成油气体浓度值；

7).油气检定仪6将自身的检测值与接收到的监测装置检测值一并发送至工控机7，工控机7对油气检定仪6上传的检测信号进行分析诊断、对比及存储，并可在第一时间提供给技术人员调取查询；

8).废油缸8在油气检定仪6完成一个检定流程后回收原存于油气检定仪6中的废油；

9).上述过程反复进行5次，每次间隔30分钟，以分析监测数据的重复性；

10).设备运维人员通过工控机7查询监测装置检测结果的准确性、重复性，并以此制定是否对监测装置进行调校，或其它具体的巡视、维策略；

11).废油缸8在动态检验、校准完毕后回收原存于油气检定仪6中的废油。

以上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种油中溶解气体检测仪器精度的标定系统，包括电源和变压器在线监测装置，其特征在于：还包括气体源(1)、气样发生器(2)、配油源(3)、油样发生器(4)、小型空气增压泵(5)、油气检定仪(6)、工控机(7)和废油缸(8)，所述气体源(1)通过电缆信号线和气管与气样发生器(2)进行连接，所述气样发生器(2)也通过电缆信号线和气管与油气检定仪(6)连接，所述配油源(3)通过电缆信号线和油管与油样发生器(4)连接，所述油样发生器(4)也通过电缆信号线和油管与油气检定仪(6)连接，所述油气检定仪(6)通过电缆信号线和气管与小型空气增压泵(5)连接，所述油气检定仪(6)通过电缆信号线和油管与废油缸(8)连接，所述油气检定仪(6)还通过电缆信号线和油管与变压器在线监测装置连接，所述油气检定仪(6)通过电缆信号线与工控机(7)进行连接，所述油气检定仪(6)包括油气混成室(61)，以及设置在油气混成室(61)内的压力传感器(62)、温度传感器(63)和加热器(64)，所述压力传感器(62)、温度传感器(63)和加热器(64)都分别通过电缆线与微处理器(65)连接；

所述标定系统先将纯净的绝缘的配油源(3)和标准的气体源(1)分别通过油样发生器(4)和气样发生器(2)加入油气检定仪(6)中，在温度为60℃条件下，标准的气体源(1)和配油源(3)在油气混成室(61)中通过循环压缩混合使油中溶解气体达到分配平衡，并检测标定出油中溶解气体各组分的浓度；所述检测标定油中溶解气体的浓度的步骤如下：

(1)、设置拟定的气体溶解浓度，然后将油样和气样在油气检定仪(6)内的油气混成室(61)中进行混合，静置得到气体组分溶解于油样中；

(2)、分别调节油气混成室(61)内的温度、压强和油气的浓度，得到一定含有指定浓度气体的测试油，混成后的测试油所产生的压强和气样单独占有整个容器时所产生的压强相同；

(3)、将完成溶解气体浓度设置后的测试油提供至变压器在线监测装置进行测试，测试时间小于等于2小时，并在测试后获取检测值ε；

(4)、重复步骤(3)测试过程5次，每次测试过程中的所设置的油中溶解气体浓度S相同，测试气体组分的类型一致；

(5)、比对计算5次变压器在线监测装置的气体浓度测试值与所设置的气体浓度值之间的平均偏差θ，并提供给测试人员，其中，

$\mathrm{\θ}=S-\frac{\mathrm{\ϵ}1+\mathrm{\ϵ}2+\mathrm{\ϵ}3+\mathrm{\ϵ}4+\mathrm{\ϵ}5}{5},$

式中，θ为平均偏差，S为所设置的气体浓度，ε1～ε5为变压器在线监测装置检测值。

2.根据权利要求1所述的一种油中溶解气体检测仪器精度的标定系统，其特征在于：所述小型空气增压泵(5)的最大工作压力为0.5Mpa，最大流量为1350L/min。

3.根据权利要求1所述的一种油中溶解气体检测仪器精度的标定系统，其特征在于：所述油样为25号变压器绝缘油，所述气样为H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄和C₂H₆气体中的一种或多种，气样的气体纯度≥99％。