CN106370746A - 带油气分离功能的植物绝缘油中溶解气体分析仪及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带油气分离功能的植物绝缘油中微量溶解气体分析仪及检测方法。其特征是：用氦气做载气，利用真空脱气与微型热导色谱仪联用技术，分析植物绝缘油中的十组分气体：氢气，氧气，氮气，一氧化碳，二氧化碳，甲烷，乙烯，乙烷，丙烷，乙炔。采用四色谱柱分离系统，利用阀门进行柱切换，采用气泵循环气体进样，样品一次性全部进入A色谱柱的同时，B和D色谱柱串接到A色谱柱尾端，氢气，氧气，氮气，甲烷，一氧化碳出来后，十通阀切换原始状态。二氧化碳，乙烯，乙炔，乙烷，丙烷先在热导检测器A通道出峰。氢气，氧气，氮气，一氧化碳，甲烷在热导检测器的B通道出峰。该仪器对各气体灵敏度高，适合于在智能电网中进行推广和使用。

Description

带油气分离功能的植物绝缘油中溶解气体分析仪及检测方法

一、技术领域

本发明属于电网技术领域的技术，涉及一种带油气分离功能的植物绝缘油中溶解气体分析仪及检测方法，主要应用于充油电气设备的植物绝缘油中溶解气体分析。

二、背景技术

目前，变电站、电厂等内部的充油电气设备的绝缘油普遍采用矿物油，矿物绝缘油属于不可再生资源，自然降解率低，会对环境产生污染，且燃点低，防火性能差。植物绝缘油是一种环保、可再生液体绝缘介质，燃点高于300℃，不易发生火灾，自然降解率达到90％以上，在发生泄漏后不会产生环境污染。在世界石油资源及能源日益紧张的情况下，植物绝缘油将成为矿物绝缘油很好的绿色替代品。

绝缘油在电气设备发生过热或者放电故障时，会在油中产生气体，并将气体溶解在油中。目前，针对矿物油中溶解的气体分析，已经有了标准的方法和流程，即三检测器+转化炉气相色谱技术(两个氢火焰离子化检测器+一个热导检测器)，使用手工进样方式。对于植物绝缘油中溶解气体分析，由于植物绝缘油与矿物绝缘油主要成分的不同(矿物油的主要成分为链式烷烃，植物绝缘油的主要成分为甘油三酸酯)，故在热和电的作用下产生的气体种类和含量将有较大的差别，比如植物绝缘油中气体将产生大量的一氧化碳和二氧化碳，同时会产生丙烷。同时，植物绝缘油与矿物绝缘油的奥斯特瓦尔德系数也有较大的差别，如果将传统的机械振荡法直接用于植物绝缘油中溶解气体分析，将导致较大的误差。

近年来，国内重庆大学对植物绝缘油的制取、理化和电气性能开展了一些理论和试验研究，但涉及到植物绝缘油中溶解气体分析方面的内容较少。尤其在植物绝缘油中溶解气体分析的方法方面，目前国内属于空白，仅有的少数的研究也是套用传统的矿物油中溶解气体的分析方法。

综上所述，如何在原有矿物绝缘油中溶解气体分析方法的基础上提出一种重复性、准确性和灵敏度符合中国国家标准和电力行业标准，能够同时用于现场检测、在线监测和实验室检测，适合于大规模推广的植物绝缘油中溶解气体的分析方法成为电力科研工作者的一个重要课题。

三、发明内容

针对现有技术分析植物绝缘油中溶解气体存在的问题，本发明的目的在于：提供一种带油气分离功能的植物绝缘油中溶解气体分析仪及检测方法，采用氦气作为载气，采用真空全脱气体方法，无需另配气体分离装置，无需氢气等易燃易爆气体作为辅助气，无需奥斯特瓦尔德系数进行气体浓度校正，可以安全、稳定、可靠的运行在变电站现场，实施快速、准确的植物绝缘油色谱在线监测和分析，从而提高植物绝缘油色谱分析的效率和分析结果的准确性。

本发明提供的带油气分离功能的植物绝缘油中溶解气体分析仪及检测方法，其特征在于：采用氦气做载气及四色谱柱分离系统，利用阀门进行柱切换、真空脱气与微型热导色谱仪联用技术及气泵循环气体进样法，分析植物油中溶解气的十组分体：氢气，氧气，氮气，一氧化碳，二氧化碳，甲烷，乙烯，乙烷，丙烷，乙炔。系统包括载气模块、色谱柱分离模块、真空脱气模块、色谱检测模块、气泵循环气体进样模块。

进一步，所述载气模块采用99.999％纯度的存储于高压钢瓶中的氦气作为载气，高压钢瓶出口处连接载气过滤器，过滤器出口端通过三通装置将载气分为两路，分别供给两路色谱柱系统。

进一步，所述色谱柱分离模块包括四根色谱柱，分别为烃类分析柱(A柱)，分子筛柱(B柱)，节流器柱(C柱)，延时柱(D柱)，其中A柱和C柱串联，B柱和D柱串联。

进一步，所述真空脱气模块包括步进电机、油缸、活塞及传动轴，步进电机通过传动轴可以拉动活塞，从而将油缸内部拉为真空状态，并导致油中气体在真空状态下析出。

进一步，所述色谱检测模块采用参考通道可互换型热导检测器，检测器的通道1连接到C柱的尾端，通道2连接到D柱的尾端。当进样阀转动后，A柱链接到延时D柱的前端，此时氢气，氧气，氮气，一氧化碳，甲烷五组分气体以较快的速度进入D柱。等甲烷完全进入D柱后，切换色谱柱回到原始状态，此时二氧化碳，乙烯，乙炔，乙烷，丙烷在A柱分离完成后通过热导检测器的通道1进行检测，此时热导检测器的通道2为参考通道。A柱峰出完后，D延时柱中的氢气，氧气，氮气，一氧化碳，甲烷五组分混合气体进入分子筛B柱，分离后依次进入热导检测器的通道2进行检测，此时热导检测器的通道1为参考通道。

进一步，所述气泵微循环气体进样模块一端连接真空脱气模块，一端连接体积为1ml的气体取样定量环。进样前先启动气泵进行气体微循环3min，保证气体取样定量环中的气体浓度与真空脱气室脱出的气体浓度一致。

本发明的带油气分离功能的植物绝缘油中溶解气体分析仪及检测方法与现有的设备及检测方法相比具有以下优点：

其一，采用基于MEMS技术的参考通道可互换微型热导通用检测器技术，只需要一种载气即可实现植物绝缘油中溶解气体的十组分气体分离和高灵敏度的检测。传统的分析矿物油中溶解气体的气相色谱分析法需要氮气，氢气，空气三种气源，系统结构复杂，成本高，维护麻烦，且氢火焰离子化检测器需要点火，如果应用于变电站现场，可能存在安全隐患。另外，对于一氧化碳和二氧化碳的检测，传统的分析方法需要增加镍转化炉，镍转化炉在长期使用时转化效率会发生变化，从而影响一氧化碳和二氧化碳的测量准确性。对于矿物油而言，因为一氧化碳和二氧化碳是非关键特征气体，具体故障的诊断时只需要用到氢气和四种烃类气体即可完成，故不影响故障的诊断。但是对于植物绝缘油来说，一氧化碳和二氧化碳属于关键特征气体，需要用于故障的诊断，故其测量的准确性也是至关重要的。本发明的基于MEMS技术的参考通道可互换微型热导检测器属于通用型检测器，无需镍转化炉等装置，不存在转化效率变化的问题，能保证长期运行时的稳定性和准确性。

其二，采用真空全脱气与气泵微循环气体自动进样技术，提高了系统稳定性、准确性和降低了系统误差。传统的绝缘油中溶解气体分析方法的特征气体脱气方式为“机械振动法”，气体脱出后需要通过定量注射器手动转移到色谱柱入口处的进样器，进样方式一般为“手动”进样。上述进样方法步骤繁多，对操作人员的熟练程度有很高的要求，由于不同人员的操作手法不同，当其对进行对同一台仪器进行实验时，会导致测量结果存在差异。同时机械振动法需要通过奥斯特瓦尔德系统进行气体浓度校正，由于植物绝缘油与矿物绝缘油的奥斯特瓦尔德系数存在差异，采用传统的矿物油奥斯特瓦尔德系数进行气体浓度校正时，必然会导致较大的误差。本发明提供的带油气分离功能的植物绝缘油中溶解气体分析仪及检测方法采用真空全脱气技术，无需奥斯特瓦尔德系数对气体浓度进行校正，同时采用气泵微循环气体自动进样技术，利用嵌入式计算机技术设计了智能自动化控制程序，气体的微循环取样及进样操作均通过计算机控制完成，避免了人为操作不一致导致的误差，在提高仪器的自动化水平的同时，保证了进样的重复性和准确性。

四、附图说明

图1是本发明的待机状态流程图；

图2是本发明的进样状态流程图；

图3是本发明的分析状态流程图。

五、具体实施方式

如图1所示，本发明的带油气分离功能的植物绝缘油中溶解气体分析仪及检测方法，包括真空脱气装置1，气泵2、定量环3、载气供气A模块4，载气供气B模块5，Porapack柱6、延时柱7、节流器柱8，分子筛柱9、热导检测器10、过滤器/干燥器11及必要的管道。

如图1所示，基线状态时，来自氦气瓶的载气过滤器/干燥器11进入到载气供气A模块4和载气供气B模块5，上述载气模块的作用主要是压力和流量控制。然后载气供气A模块4的载气依次流过Porapack柱6、节流器柱8、热导检测器10的A通道。Porapack柱6主要实现二氧化碳、乙烯、乙烷、乙炔、丙烷的分离，节流器柱8辅助控制进入热导检测器的流量。此时真空脱气装置1、气泵2与定量环3处于联通状态，并形成一个气路的闭循环，真空脱气装置1脱气完毕后气泵2启动，实现真空脱气装置1的气室与定量环3间的气体微循环，从而保障脱出气体的浓度与测量气体浓度的一致性。

如图2所示，进样状态时，通过阀门切换，定量环3串接到Porapack柱7的前端，同时Porapack柱7串接到延时柱6的前端，此时载气供气A模块4的供气依次流过定量环3、Porapack柱6、延时柱7、分子筛柱9、热导检测器10的B通道。定量环3中的氢气、氧气、氮气、甲烷、一氧化碳、乙烯、乙烷、乙炔、丙烷等特征气体全部同时进入到Porapack柱6，由于Porapack柱6对氢气、氧气、氮气、甲烷、一氧化碳的吸附能力较弱，上述气体以较快的速度通过Porapack柱6到达延时柱7，并在延时柱中缓慢通过。当最后一个组分一氧化碳的全部进入延时柱7后，阀门切换，进入分析状态，定量环3脱离色谱柱系统。

如图3所示，分析状态时，二氧化碳、乙烯、乙烷、乙炔、丙烷通过Porapack柱6实现完全分离，并在微型热导检测器10的A通道上检测，节流器柱8实现流量的辅助控制，此时微型热导检测器10的B通道是作为参考通道。通过流量的控制，当Porapack柱6上的最后一个气体出峰完成时，氢气、氧气、氮气、甲烷、一氧化碳开始流出延时柱D，通过分子筛柱9实现完全分离，并在微型热导检测器10的B通道上检测，此时微型热导检测器10的A通道是作为参考通道。出峰完成后，载气供气A模块4，载气供气B模块5的气压自动降低，系统转为待机状态，等待下一个分析周期的到来。

本发明所有的操作及系统气压、流量、阀门的切换等均通过嵌入式计算机进行控制并自动实现，避免了人为因素的干扰，减少了系统分析的误差，提高了分析的准确性。

根据以上技术方案的带油气分离功能的植物绝缘油中溶解气体分析仪及检测方法，不仅符合国内电力行业对充油电气设备绝缘油检测得的实验室的检测标准Q/GDW540-2，同时实现了各组分气体的全检测，对各组分气体的灵敏度符合国家标准的相关要求，在提高植物绝缘油检测分析仪测量数据的重复性和准确性的同时简化了系统的硬件结构，缩小了体积且减轻了重量，提高了系统的自动化水平和整机仪器性能，且成本适中，适合对充植物绝缘油的电气设备进行在线监测和现场检测，适合进行大规模的推广和应用。

此检测方法不仅为电力行业的充植物绝缘油的电气设备的状态监测技术提供了有力的技术支持，同时也由于具有优良的性价比而为输变电企业提高综合经济效益提供了技术保障。需要指出的是根据本发明的具体实施方式所做出的任何变形，均不脱离本发明的精神以及权利要求记载的范围。

Claims (6)

1.一种带油气分离功能的植物绝缘油中溶解气体分析仪及检测方法，其特征在于：采用氦气做载气及四色谱柱分离系统，利用阀门进行柱切换、真空脱气与微型热导色谱仪联用技术及气泵微循环气体自动进样法，分析油中溶解气的十组分体：氢气，氧气，氮气，一氧化碳，二氧化碳，甲烷，乙烯，乙烷，丙烷，乙炔。系统包括载气模块、色谱柱分离模块、真空脱气模块、色谱检测模块、气泵微循环气体进样模块。

2.根据权利要求1所述的带油气分离功能的植物绝缘油中溶解气体分析仪及检测方法，其特征在于，所述载气模块采用99.999％纯度的存储于高压钢瓶中的氦气作为载气，高压钢瓶出口处连接载气过滤器，过滤器出口端通过三通装置将载气分为两路，分别供给两路色谱柱系统。

3.根据权利要求2所述的带油气分离功能的植物绝缘油中溶解气体分析仪及检测方法，其特征在于，所述色谱柱分离模块包括四根色谱柱，分别为烃类分析柱(A柱)，分子筛柱(B柱)，节流器柱(C柱)，延时柱(D柱)，其中A柱和C柱串联，B柱和D柱串联。

4.根据权利要求3所述的带油气分离功能的植物绝缘油中溶解气体分析仪及检测方法，其特征在于，所述真空脱气模块包括步进电机、油缸、活塞及传动轴，步进电机通过传动轴可以拉动活塞，从而将油缸内部拉为真空状态，并导致油中气体在真空状态下析出。

5.根据权利要求4所述的带油气分离功能的植物绝缘油中溶解气体分析仪及检测方法，其特征在于，所述色谱检测模块采用参考通道可互换型热导检测器，检测器的通道1连接到C柱的尾端，通道2连接到D柱的尾端。

6.根据权利要求5所述的带油气分离功能的植物绝缘油中溶解气体分析仪及检测方法，其特征在于，所述气泵微循环气体进样模块一端连接真空脱气模块，一端连接体积为1ml的气体取样定量环。进样前先启动气泵进行气体微循环3min，保证气体取样定量环中的气体浓度与真空脱气室脱出的气体浓度一致。