CN106290664B - 一种绝缘油中气体分离检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高电压等级充油电气设备绝缘油中溶解气体分析的气体分离检测装置，属于气相色谱检测技术领域。本绝缘油中气体分离检测装置，包括箱体，内置加热炉、样气分离机构与样气检测机构，样气分离机构与样气检测机构之间通过气管相连，样气分离机构包括一个三通分流器及两根色谱柱‑色谱柱一与色谱柱二，三通分流器一端与进样的气管相连，另外两个端口分别与色谱柱一与色谱柱二相连，两根色谱柱绕成螺旋状，盘在加热炉上；样气检测机构容置于加热炉内，样气检测机构包括两组检测组件，一组检测组件对接一根色谱柱；箱体内还设有保温棉。本发明提供的是一种装置简单，体积小，分离效果好，长期稳定性好的绝缘油中气体分离检测装置。

Description

一种绝缘油中气体分离检测装置

技术领域

本发明涉及一种气相色谱检测设备和检测技术类，尤指一种用于高电压等级充油电气设备绝缘油中溶解气体分析的气体分离检测装置。

背景技术

变压器是电力系统中十分重要的设备，因此对变压器的运行状态进行监控是保证电网安全运行的关键。以变压器油中溶解的特征气体作为变压器故障监测的对象，结合色谱检测技术检测和分析气体含量的变化，从而判断充油电力设备内部是否存在故障及故障性质，已经被实践证明是行之有效的手段之一。从变压器油中分离出来的是包含有H₂、CO、CO₂、N₂、O₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₂、C₂H₆等的混合气体，其中诊断变压器故障需要检测的主要是：H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₂、C₂H₆。变压器色谱技术中气体的定量检测常采用热导池检测器(TCD)和氢火焰检测器(FID)，虽然这两种检测器的技术都比较成熟，适合在实验室条件下适用，存在体积大、成本高、灵敏度低(TCD)、辅助气路复杂等缺点。因此，对其进行改进以适应现场的需求是十分必要的。尤其用FID进行检测需要点燃被测气体，是一种破坏性气体检测方法，不利于检测气体的回收利用，且因有明火，不适用于变电站现场。

我国发明专利公开了一种在线绝缘油中气体分析色谱仪及色谱检测方法(专利申请号：201010611860.0)，其中气体分析色谱仪包括箱体，箱体内设置进样机构，样气分离机构和样气检测机构，进样机构、样气分离机构和样气检测机构之间依次通过气路管道相连，进样机构向样气分离机构中充入定量的绝缘油中气体，所述样气分离机构包括两根色谱柱和加热铝锭，两根色谱柱绕成螺旋状，盘在加热铝锭上，两根色谱柱之间首尾串行连接，一根色谱柱用于将H₂、CO、O₂、CH₄气体组与C₂H₄、C₂H₂和C₂H₆分离开，另一根色谱柱用于进一步将H₂、CO、O₂、CH₄气体组中的各气体分离开；样气分离机构将绝缘油中H₂、CO、O₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₂和C₂H₆分离开，并按顺序进入样气检测机构，由该样气检测机构依次检测7种气体的含量；所述样气检测机构包括锆管、加热偶、石英管和电阻丝，锆管和热电偶设置在石英管内，样气检测机构的进样口与锆管相连，用于向锆管内通入样气；电阻丝缠绕在石英管上用于对其中的锆管加热，加热偶与锆管底部相对设置，用于检测锆管的温度，并由电阻丝控制锆管的温度始终在工作温度；石英管外还设置有保温棉。

上述气体分析色谱仪虽在一定程度上解决了现有难题，但仍存在一定的问题，比如，两根色谱柱之间首尾串行连接，气体依次经流两根色谱柱进行分离，若色谱柱较短则分离效果不佳，若色谱柱较长则检测结果较长，且依据色谱柱中的填料并不能有效的对目标气体进行分离，分离检测效果有限；样气检测机构设在样气分离机构外，还要另设加热及保温措施；进样方式也比较复杂，不适用于常规进样装置及模式，总体装置结构较复杂，另外以金属氧化物为基质的可燃气体传感器为主体的检测系统，有着长期稳定性差、易中毒失效的缺点。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种装置简单，体积小，分离效果好，长期稳定性好的绝缘油中气体分离检测装置。

本发明的绝缘油中气体分离检测装置，包括箱体，内置加热炉、样气分离机构与样气检测机构，样气分离机构与样气检测机构之间通过气管相连，样气分离机构包括一个三通分流器及两根色谱柱-色谱柱一与色谱柱二，三通分流器一端与进样的气管相连，另外两个端口分别与色谱柱一与色谱柱二相连，两根色谱柱绕成螺旋状，盘在加热炉上；样气检测机构容置于加热炉内，样气检测机构包括两组检测组件，一组检测组件对接一根色谱柱；箱体内还设有保温棉。

本发明可用于在线检测或离线检测系统中，优先应用于绝缘油中溶解气体组分的在线监测系统。

本发明采用双流路分离系统，针对变压器油中溶解的目标气体组份分别进行分离检测，同时工作但又互不干扰，节省了进样时间与出峰时间，检测结果准确。本气体分离检测装置输入端直接与进样单元对接，常规气相色谱进样系统即可；输出端与用于放大电信号的信号处理器连接后，直接与电脑系统的工作站对接即可，装置独立，使用方便。

样气检测机构容置于加热炉内，极大的节省了装置的空间；箱体内由加热炉加热，保温棉填充进箱体空白处，色谱柱、样气检测机构保温情况下工作，装置简单。

进一步的，样气检测机构中检测组件包括进气通道、出气通道及至少一条的检测通道，进气通道、出气通道分别与检测通道之间开设有供气流流通的气孔通道一，进气通道与色谱柱通过气管相连，样气从色谱柱内流出进入进气通道，再流入检测通道，最后从出气通道流出；检测通道内装有检测元件，检测元件的上端为感应区，朝向进气通道，下端连有供电线及信号输出线，朝向检测组件外部。这样设计，保证样气从色谱柱内流出后能通过检测元件检测，而不会绕过检测通道就流入出气通道，确保了检测结果的准确性。

进一步的，样气检测机构呈块状，两组检测组件平行设于样气检测机构内，采用微机械加工，在样气检测机构内开设对应的进气通道()、出气通道及检测通道。样气检测机构采用微机械加工，将检测组件集成设置于样气检测机构内，使样气检测机构总体积小，同时死体积小，组分峰形尖锐，响应灵敏度高，克服了传统检测单元设计结构大、峰形扩散大，峰形较胖的缺点。

进一步的，检测元件是采用MEMS技术的气体固态微池检测器。该检测器体积小，效率高，持久稳定性好，对各气体组分均有响应，克服了传统设计的以金属氧化物为基质的可燃气体传感器(如TGS813代表的)为主体的检测系统的长期稳定性差、易中毒失效的缺点。

进一步的，检测组件的检测通道为两条，每条检测通道内螺接一支检测元件，两条检测通道之间开设有供气流流通的气孔通道二，其中一条检测通道与进气通道相通，另一条检测通道与出气通道相通。样气可二次检测，提高检测结果的精确度。两条检测通道之间开设有供气流流通的气孔通道二，进一步确保了样气从色谱柱内流出后能通过检测元件检测，而不会绕过检测通道就流入出气通道。

进一步的，两条检测通道内的两支检测元件，其中一支检测元件的敏感感应区外层涂有隔离层。其中一支检测元件隔离敏感感应区，样气不经过感应区，该检测元件仅用作修正环境、温度变化对检测过程所产生的偏差，进一步提高了检测结果的准确性。

进一步的，加热炉的主体为金属的空心圆柱体，下端封有底板，底板底面设有柱状安装脚座，通过安装脚座将加热炉固定在箱体底部；加热炉上设有用于放置加热电热管的空腔，底板上还开设有底洞，供气管及线路穿过。采用金属制圆柱体，传热性能好，优选为铝制，密度小导热率高；通过柱状安装脚座，垫高加热炉主体，方便气管及线路从底板下方穿过；电热管通电放热，通过铝制的加热炉主体传热，最终达到保温检测的效果。

进一步的，箱体侧面开设有若干门洞，供气管及线路穿过，箱体下方设有“几”形垫座。箱体垫放在垫座上，易于取放。

进一步的，色谱柱一主要用于分离碳1、碳2的烃类组份，填料选用高分子多孔聚合物，由苯乙烯与交联剂二乙烯苯交联共聚合成的单体为固定相；色谱柱二主要用于分离氢气、一氧化碳等永久气体，填料采用碳素材料做为担体。

本装置中色谱柱对气体组分的分离度高，克服了传统设计中氢气、一氧化碳和甲烷分离较差，并且受到绝缘油中溶解氧气组分的干扰，氢气与一氧化碳定量不准确的缺点。两根色谱柱填料不同，分离效果不同，出峰时间不同，有选择性的出峰，使两组检测组件的检测结果相对独立，互相干扰性小，检测结果更准确。尤其是氢气，最先出峰，相同检测条件下，其出峰值最高，其它气体相比响应值较低，若侧重让氢气完整出峰，则碳1、碳2的烃类组份及CO、CO₂的出峰效果可能会有重叠，分离效果不佳，要使各组件均能达到较好的出峰效果，则需平衡检测条件，但实际情况较难选择检测条件，导致检测结果误差较大。

该气体分离检测装置用于分离检测CH₄、CO₂、C₂H₄、C₂H₂、C₂H₆、H₂、CO这7种气体。色谱柱一用于分离CH₄、CO₂、C₂H₄、C₂H₂、C₂H₆；色谱柱二用于分离H₂、CO；或色谱柱一用于分离CO₂、C₂H₄、C₂H₂、C₂H₆；色谱柱二用于分离H₂、CO、CH₄；或色谱柱一用于分离CH₄、C₂H₄、C₂H₂、C₂H₆；色谱柱二用于分离H₂、CO、CO₂。

本发明针对这7样气体进行检测，样气成分为H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₂和C₂H₆，选用不同的填料，分离检测的样气不同，在工作站中设置不同的出峰条件，选择性地出峰，使各组分样气的出峰响应值均能相对达到最大化，从而提高检测的准确性。

本气体分离检测装置在工作中所用载气为洁净空气。空气的使用过程安全，简单易得，可使用洁净空气发生系统，可避免频繁更换载气钢瓶的麻烦。

总体来说，本发明所提供的一种绝缘油中气体分离检测装置，是针对绝缘油中溶解气体组分监测设备制造需求而专门开发的核心部件，采用进口微硅加工结合精密机械加工技术集成的高稳定性、长寿命气体固态微池检测器，能完成对绝缘油中氢气、一氧化碳、二氧化碳、乙烷、乙烯、乙炔、甲烷等组分的定性、定量检测。

本发明的一种绝缘油中气体分离检测装置，与现有设备相比具有以下优点。

1、本发明采用双流路分离系统，针对变压器油中溶解的目标气体组份分别进行分离检测，同时工作但又互不干扰，节省了进样时间与出峰时间，检测结果准确。

2、本气体分离检测装置输入端直接与进样单元对接，常规气相色谱进样系统即可；输出端与用于放大电信号的信号处理器连接后，直接与电脑系统的工作站对接即可，装置独立，使用方便。

3、本气体分离检测装置中样气检测机构采用微机械加工，将检测组件集成设置于样气检测机构内，使样气检测机构总体积较小，同时死体积小，从而组分峰形尖锐，响应灵敏度高，克服了传统检测单元设计结构大、峰形扩散大，峰形较胖的缺点。

4、本气体分离检测装置中检测元件是采用MEMS技术的气体固态微池检测器，体积小，效率高，持久稳定性好，对各气体组分均有响应，克服了传统设计的以金属氧化物为基质的可燃气体传感器为主体的检测系统的长期稳定性差、易中毒失效的缺点。

5、本气体分离检测装置中，采用两根并列的色谱柱用于分离目标气体，两根色谱柱填料不同，分离效果不同，出峰时间不同，在工作站中设置不同的出峰条件，有选择性的出峰，使两组检测组件的检测结果相对独立，互相干扰性小，检测结果更准确。本装置中色谱柱对气体组分的分离度高，克服了传统设计中氢气、一氧化碳和甲烷分离较差，并且受到绝缘油中溶解氧气组分的干扰，氢气与一氧化碳定量不准确的缺点。

附图说明

图1是本发明装置的总示意图。

图2是本发明装置的气路流向示意图。

图3是本发明装置去除箱体的内部结构示意图。

图4是本发明装置去除箱体的另一角度内部结构示意图。

图5是本发明装置去除箱体及加热炉后的仰视示意图。

图6是本发明实施例一中样气检测机构的结构示意图。

图7是本发明实施例一中样气检测机构的另一角度结构示意图。

图8是本发明实施例一中检测组件的透视示意图。

图9是本发明实施例一中色谱柱一分离检测图谱。

图10是本发明实施例一中色谱柱二分离检测图谱。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图1至10对本发明提供的医用配件的错位出料装置作具体阐述。

实施例一

如图1-4所示，本实施例提供的一种绝缘油中气体分离检测装置，包括箱体1，内置加热炉2、样气分离机构3与样气检测机构4，样气分离机构3与样气检测机构4之间通过气管5相连，样气分离机构3包括一个三通分流器33及两根色谱柱-色谱柱一31与色谱柱二32，三通分流器33一端与气管5相连，另外两个端口分别与色谱柱一31与色谱柱二32相连，两根色谱柱绕成螺旋状，上下并联盘在加热炉2外壁；样气检测机构4容置于加热炉2内，样气检测机构4包括两组检测组件40，一组检测组件对接一根色谱柱，检测组件40的输入端与色谱柱相连，将气体信号转换成电信号，检测组件的输出端与信号处理器相连；箱体1内还设有保温棉。箱体1侧面开设有若干门洞12，供气管及线路穿过，箱体下方设有“几”形垫座11。加热炉2的主体21为铝制的空心圆柱体，下端封有底板22，底板底面设有柱状安装脚座23，通过安装脚座23将加热炉2固定在箱体1底部；加热炉主体21上设有用于放置加热电热管的空腔24，底板22上还开设有底洞25，供气管及线路穿过。

结合图5-8所示，样气检测机构4中检测组件40包括进气通道41、出气通道42及两条的检测通道43，两条检测通道之间开设有供气流流通的气孔通道二45，其中一条检测通道与进气通道41相通，另一条检测通道与出气通道42相通，进气通道41、出气通道42分别与检测通道43之间开设有供气流流通的气孔通道一44，通道之间整体呈H形。进气通道41与色谱柱通过气管5及气管接头螺接，样气从色谱柱内流出进入进气通道41，再流入与之对应的检测通道43，检测通道内气体也会进行流通，最后从与检测通道对应的出气通道42流出，出气通道42上也连有气管5。每条检测通道43内螺接一支检测元件46，本实施例中，检测元件46是采用MEMS技术的气体固态微池检测器，其以TCD热导池为基本工作原理，利用气体流过感应区带走热量，温度产生变划，从而产生所需的电信号；其核心感应部位用铂金丝作材料，性能更稳定。该气体固态微池检测器采用MEMS技术，具有体积小、效率高、对各气体组分均有响应、持久稳定性好的优点，克服了传统设计的以金属氧化物为基质的可燃气体传感器为主体的检测系统的长期稳定性差、易中毒失效的缺点。

检测元件46的上端为感应区，朝向进气通道41，下端连有供电线及信号输出线，朝向检测组件40外部。实际工作中，本装置外连有电路板(信号处理器)，用于放大电信号，利于数据采集及处理，其设有3个端口，其中一个为直流24V总电源端口，一个为检测元件供电及信号输入端口，最后一个是将处理好的信号输出的输出端口。两支检测元件，其中一支检测元件的敏感感应区外层涂有隔离层。这样样气不经过该检测元件的感应区，收集的数据仅用作修正环境、温度变化对检测过程所产生的偏差，进一步提高了检测结果的准确性。

本实施例中样气检测机构4呈块状，为不锈钢材质，两组检测组件平行独立设于样气检测机构4内，采用微机械加工，在样气检测机构4内开设对应的通孔作用进气通道41、出气通道42及检测通道43。采用微机械加工，将检测组件集成设置于样气检测机构内，使样气检测机构总体积小，同时使检测组件死体积小，组分峰形尖锐，响应灵敏度高，克服了传统检测单元设计结构大、峰形扩散大，峰形较胖的缺点。

本实施例中，针对变压器油中溶解的7种目标气体组份分别进行分离检测。其中色谱柱一用于分离CH₄、CO₂、C₂H₄、C₂H₂、C₂H₆，色谱柱二用于分离H₂、CO。色谱柱一侧重分离碳1、碳2的烃类组份，采用高分子多孔聚合物，由苯乙烯与交联剂二乙烯苯交联共聚合成的单体为固定相，如美国WATERS公司Porapark系列中的Porapark N分离甲烷、乙烷、乙烯和乙炔，色谱柱采用进口316内抛光不锈钢管，规格4m*1/8英寸。色谱柱二侧重分离氢气、一氧化碳等永久气体，采用碳素材料做为担体，主要成分是聚偏二氯乙烯高温热解灼烧后的残留物，如Carboxen 1004,色谱柱采用进口316内抛光不锈钢管，规格4m*1/8英寸。当然，色谱柱内也可根据经验采用混合填料，以达到更好的分离效果。本装置中色谱柱对气体组分的分离度高，克服了传统设计中氢气、一氧化碳和甲烷分离较差，并且受到绝缘油中溶解氧气组分的干扰，氢气与一氧化碳定量不准确的缺点。

如图2所示，本气体分离检测装置输入端-样气分离机构的三通端口，直接与进样单元对接，常规气相色谱进样系统即可，样气通过六通阀进样，随三通并列均匀分流至两色谱柱内，经过分离，再分别流入与之对应的检测组件内，样气由进气通道流入，经过两支检测元件，最后从出气通道内流出，流出的样气可回收或收集后另行处理。检测元件将气体信号转化为电信号，传输至外接的电路板，再经信号放大处理，最后传输至工作站内，进行信号数据处理，得出检测结果。本气体分离检测装置在工作中所用载气为洁净空气。空气的使用过程安全，简单易得，可使用洁净空气发生系统，可避免频繁更换载气钢瓶的麻烦。

两根色谱柱填料不同，分离效果不同，出峰时间不同，选择不同的出峰条件，有选择性的出峰，使两组检测组件的检测结果相对独立，互相干扰性小，检测结果更准确。

本实施例中装置的工作条件为：载气：洁净空气；柱前压力：0.1Mpa；柱后流量：总流量15ml/min(调节柱前压达到)；柱温：75℃；加热炉电源：220V100W；桥供电源：直流24V。

样气经六通阀进样后，图谱效果如图9、图10所示，其中图9为色谱柱一分离检测图谱，图10为色谱柱二分离检测图谱，图上为连续3次进样的对比效果图。由色谱图可以看出，色谱柱一及对应的检测组件用于分离检测CH₄、CO₂、C₂H₄、C₂H₂、C₂H₆，色谱柱二及对应的检测组件用于分离检测H₂、CO。经色谱柱分离后，各组分分离效果明显，尤其是克服了传统设计中氢气、一氧化碳和甲烷分离较差，并且受到绝缘油中溶解氧气组分的干扰，氢气与一氧化碳定量不准确的缺点，从而出峰时间区别明显，又因检测组件死体积小，故组分峰形尖锐，响应灵敏度高；在数据处理工作站上设置不同的出峰条件择选目标峰，删除或屏蔽非目标峰，既得简洁清晰的图谱。

以下为验证本装置对标准气的数据重复性。以组分峰高计，连续十二次进样的相对标准偏差，如下表：

由上表可以看出，本检测系统各组分连续进样但相对误差小，经实验，经连续1000次进样测试灵敏度变化不大于10％，长期稳定性好，完全可以适用于绝缘油中溶解气体组分的监测系统。另外，经检测发现，检测组件对大部分组分在检测浓度范围内都呈线性关系，克服了过去可燃气体传感器与各气体组分浓度是非线性响应，难以进行标定，定量准确性差的缺点。

总体来说，本实施例中所提供的一种绝缘油中气体分离检测装置，是针对绝缘油中溶解气体组分在线监测设备制造需求而专门开发的核心部件，采用进口微硅加工结合精密机械加工技术集成的高稳定性、长寿命气体固态微池检测器，能完成对绝缘油中氢气、一氧化碳、二氧化碳、乙烷、乙烯、乙炔、甲烷等组分的定性、定量检测。

实施例二

作为本发明的第二实施例，检测组件40中的检测通道43为一条，对应的检测元件仅一支，进气通道41、出气通道42分别与检测通道43之间开设有供气流流通的气孔通道一44，通道之间整体呈“Y”形。因实施例一中的两支检测元件，其中一支检测元件的敏感感应区外层涂有隔离层，收集的数据仅用作修正环境、温度变化对检测过程所产生的偏差，实际工作中环境、温度造成的数据偏差极小，为节约成本，检测元件可以仅为一支，对应的检测通道为一条。其它内容同实施例一。

以上所述仅为本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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种绝缘油中气体分离检测装置，包括箱体(1)，加热炉(2)、样气分离机构(3)与样气检测机构(4)，样气分离机构(3)与样气检测机构(4)之间通过气管(5)相连，其特征在于，所述样气分离机构(3)包括一个三通分流器(33)及两根色谱柱-色谱柱一(31)与色谱柱二(32)，三通分流器(33)一端与进样的气管(5)相连，另外两个端口分别与色谱柱一(31)与色谱柱二(32)相连，两根色谱柱绕成螺旋状，盘在加热炉(2)上；样气检测机构(4)容置于加热炉(2)内，样气检测机构(4)包括两组检测组件(40)，一组检测组件(40)对接一根色谱柱；箱体(1)内还设有保温棉；

所述样气检测机构(4)中检测组件(40)包括进气通道(41)、出气通道(42)及至少一条的检测通道(43)，进气通道(41)、出气通道(42)分别与检测通道(43)之间开设有供气流流通的气孔通道一(44)，进气通道(41)与色谱柱通过气管(5)相连，样气从色谱柱内流出进入进气通道(41)，再流入检测通道(43)，最后从出气通道(42)流出；检测通道(43)内装有检测元件(46)，检测元件(46)的上端为感应区，朝向进气通道(41)，下端连有供电线及信号输出线，朝向检测组件(40)外部；

所述样气检测机构(4)呈块状，两组检测组件平行独立设于样气检测机构(4)内，在样气检测机构(4)内开设对应的进气通道(41)、出气通道(42)及检测通道(43)；所述检测组件(40)的检测通道(43)为两条，每条检测通道(43)内螺接一支检测元件(46)，两条检测通道(43)之间开设有供气流流通的气孔通道二(45)，其中一条检测通道(43)与进气通道(41)相通，另一条检测通道(43)与出气通道(42)相通；

两条所述检测通道(43)内的两支检测元件(46)，其中一支检测元件(46)的敏感感应区外层涂有隔离层；

色谱柱一用于分离CH₄、CO₂、C₂H₄、C₂H₂、C₂H₆，色谱柱二用于分离H₂、CO；或色谱柱一用于分离CO₂、C₂H₄、C₂H₂、C₂H₆，色谱柱二用于分离H₂、CO、CH₄；或色谱柱一用于分离CH₄、C₂H₄、C₂H₂、C₂H₆，色谱柱二用于分离H₂、CO、CO₂；色谱柱一填料选用高分子多孔聚合物，由苯乙烯与交联剂二乙烯苯交联共聚合成的单体为固定相；色谱柱二填料采用碳素材料做为担体；

样气检验机构(4)采用微机械加工，将样气检验组件集成设置于样气检验机构(4)内部；

所述检测元件(46)是采用MEMS技术的气体固态微池检测器。

2.如权利要求1所述的绝缘油中气体分离检测装置，其特征在于，所述加热炉(2)的加热炉主体(21)为金属的空心圆柱体，下端封有底板(22)，底板底面设有柱状安装脚座(23)，通过安装脚座将加热炉固定在箱体底部；加热炉主体(21)上设有用于放置加热电热管的空腔(24)，底板(22)上还开设有底洞(25)，供气管及线路穿过。

3.如权利要求1所述的绝缘油中气体分离检测装置，其特征在于，所述箱体侧面开设有若干门洞(12)，供气管及线路穿过，箱体下方设有“几”形垫座(11)。