CN110865139A - 一种新型全寿命免维护变压器油中气体色谱在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型全寿命免维护变压器油中气体色谱在线监测装置，属于电子技术领域，包括电器柜，电器柜内设有两个不锈钢载气瓶、样气瓶、开关电源、接线端子、空气开关、主CPU板、气体检测模块、气体分离模块和油气分离模块，本发明设计了双钢瓶交叉供气方式，配合线性度传感器以及随动式自动捕峰技术，使得变压器油中气体色谱在线监测装置可以在装置使用周期内实现无需更换载气、无需人工校准的免维护使用，可靠性更高，且价格适中。真正意义上实现了变压器在线监测的无人值守，非常适合变电站智能化改造项目的实施。

Description

一种新型全寿命免维护变压器油中气体色谱在线监测装置

技术领域

本发明属于电子技术领域，特别涉及一种新型全寿命免维护变压器油中气体色谱在线监测装置。

背景技术

油浸式变压器状态在线监测主要有几种不同监测原理，最常用的有油中气体及微水含量监测，内部局部放电量监测，铁心接地电流等等。目前最广泛应用的在线监测设备就是变压器油中气体在线监测系统，根据国网公司对截止2015年的变压器在线监测设备使用情况不完全统计：油中气体分析可以发现变压器内部的发热和放电性故障。50％以上的变压器故障是通过油中气体异常发现的。可见油中气体分析对及时发现设备缺陷，提示故障性质，查找和消除缺陷起到关键性的作用，是目前广泛应用于变压器在线监测的一种手段，十分有效。

油中气体分析有单氢监测、多组分油色谱监测及光谱监测等手段，相对于单氢监测的单一性以及光谱监测的高昂的价格，这之中最行之有效、性价比高且经过长期现场验证的是色谱原理的油中气体监测产品。但是随着变压器油色谱在线监测装置的大量推广，其在使用的过程中需要更换载气、需要定期校准等维护工作量大的问题逐步显现。

现有技术存在的问题和缺点

(1)需要定期更换载气：色谱原理需要高纯空气或者氮气作为载气，载气储存于钢瓶中，一般色谱厂家提供两瓶8L铝合金钢瓶，平均一年使用一瓶，两瓶用完之后需要另行采购；有些厂家提出了空压机的无载气方案，但是空气压缩机制造出来的空气存在的纯度不够、稳定性不好以及水分较高等问题，一直没有得到推广。

(2)需要定期校准：由于采用了气象色谱原理配合电化学传感器，使得该技术需要定期进行人工校验以保证装置的稳定性和精度；

(3)容易受干扰：装置在使用过程中容易受到外接环境因素的干扰，零飘严重，造成装置在使用过程中经常出现误报的现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型全寿命免维护变压器油中气体色谱在线监测装置，解决了在保证原先色谱装置精度高、稳定性好的前提下，在装置寿命期内实现无需更换载气、无需人工校准的免维护使用的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种新型全寿命免维护变压器油中气体色谱在线监测装置，包括电器柜，电器柜内设有两个不锈钢载气瓶、样气瓶、开关电源、接线端子、空气开关、主CPU板、气体检测模块、气体分离模块和油气分离模块，两个所述不锈钢载气瓶分别设有第一减压阀和第二减压阀，第一减压阀和第二减压阀均通过连接器与气体分离模块连接，样气瓶上设有第三减压阀，第三减压阀通过连接器连接气体分离模块；

油气分离模块用于将变压器中的油样进行油气分离，并将分离后得到的特征气体通过连接器输入到气体分离模块；

气体分离模块包括气相色谱柱，连接器连接气相色谱柱，气相色谱柱用于将经不锈钢载气瓶中载气输送而来的特征气体或样气瓶提供的气体进行气体分组分离，生成气体分组；

气体检测模块包括用于检测气体分组的气体检测传感器；

主CPU板包括传感器解调器电路、CPU和通信模块，气体检测传感器连接传感器解调器电路，传感器解调器电路和通信模块均连接CPU；

外部电源通过接线端子连接空气开关，空气开关为主CPU板供电。

优选的，所述不锈钢载气瓶中内含10L容量的99.9999％高纯氮气，用于作为油色谱在线监测装置的载气。

优选的，所述样气瓶内含1L的样气。

优选的，所述气体检测传感器的型号为GTM-20。

本发明所述的一种新型全寿命免维护变压器油中气体色谱在线监测装置，解决了在保证原先色谱装置精度高、稳定性好的前提下，在装置寿命期内实现无需更换载气、无需人工校准的免维护使用的技术问题，本发明采用线性度传感器配合自动标定功能，实现了全寿命免校准，本发明采用双钢瓶交叉供气方式，实现全寿命气体免更换，本发明采用随动式自动捕峰技术，可以在干扰或者传感器漂移的情况下保证测量准确性，本发明设计了双钢瓶交叉供气方式，配合线性度传感器以及随动式自动捕峰技术，使得变压器油中气体色谱在线监测装置可以在装置使用周期内实现无需更换载气、无需人工校准的免维护使用，可靠性更高，且价格适中。真正意义上实现了变压器在线监测的无人值守，非常适合变电站智能化改造项目的实施。

附图说明

图1是本发明的正视图；

图2是本发明的后视图；

图3是本发明的工作原理图；

图4是本发明的气体检测传感器的电路图；

图5是本发明的传感器解调器电路的方框图；

图6是本发明的传感器解调器电路的原理电路图；

图7是本发明的系统工作示意图；

图中：电器柜1、不锈钢载气瓶2、样气瓶3、主CPU板4、开关电源5、空气开关6、接线端子7、气体检测模块8、气体分离模块9、油气分离模10。

具体实施方式

如图1-图7所示的一种新型全寿命免维护变压器油中气体色谱在线监测装置，包括电器柜1，电器柜1内设有两个不锈钢载气瓶2、样气瓶3、开关电源5、接线端子7、空气开关6、主CPU板4、气体检测模块8、气体分离模块9和油气分离模10块，两个所述不锈钢载气瓶2分别设有第一减压阀和第二减压阀，第一减压阀和第二减压阀均通过连接器与气体分离模块9连接，样气瓶3上设有第三减压阀，第三减压阀通过连接器连接气体分离模块9；

油气分离模10块用于将变压器中的油样进行油气分离，并将分离后得到的特征气体通过连接器输入到气体分离模块9；

气体分离模块9包括气相色谱柱，连接器连接气相色谱柱，气相色谱柱用于将经不锈钢载气瓶2中载气输送而来的特征气体或样气瓶3提供的气体进行气体分组分离，生成气体分组；

气体检测模块8包括用于检测气体分组的气体检测传感器；

主CPU板4包括传感器解调器电路、CPU和通信模块，气体检测传感器连接传感器解调器电路，传感器解调器电路和通信模块均连接CPU；

外部电源通过接线端子7连接空气开关6，空气开关6为主CPU板4供电。

优选的，所述不锈钢载气瓶2中内含10L容量的99.9999％高纯氮气，用于作为油色谱在线监测装置的载气。

优选的，所述样气瓶3内含1L的样气，其浓度为：氢气H₂100ppm，一样化碳CO200ppm，二样化碳CO₂200ppm，甲烷CH₄5ppm，乙烯C₂H₄5ppm，乙烷C₂H₆5ppm，乙炔C₂H₂2ppm。样气瓶3的作用是在定期或不定期进入装置检测模块，根据标准值使装置实现自校准功能。

优选的，所述气体检测传感器的型号为GTM-20，GTM-20型气体检测传感器，其原理是在一根特质铂丝TR1，特质铂丝TR1上涂抹上催化燃烧型催化剂，在另一根特质铂丝TR2上涂抹上惰性气体层，TR1和TR2组成阻值相等的一对元件，由这一对元件外加两个固定电阻R1和R2组成桥式检测回路。当传感器遇到待测气体时，一个铂丝TR1发生无烟燃烧反应，其阻值发生变化，另一个铂丝不燃烧TR2，阻值不便，使原来平衡的电桥失去平衡，输出电信号，该信号变量随气体浓度增大而成正比例增大，当装置运行到一段时间后，受到外界环境因素、正常老化因素等影响，其检测精度会逐步出现变化，此前的使用方式是人工进行离线校验，来校准装置，来保证装置的检测精度。

本发明还在电桥中添加可调电阻W用于调节和校对电桥出厂值。

而该发明专利所述的新型全寿命免维护变压器油中气体色谱在线监测装置周期可以以时间为单位、也可以以监测次数为单位，在一定时间或者检测次数后，装置可以利用自带的样气瓶3中的样气及线性度传感器实现自动校准功能，保证装置在全寿命期间的精度和稳定性。而由于传感器采用的是线性度传感器，大大减少了非线性度传感器的多浓度校验、多次校验、区间比例等复杂的校准流程。

正常工作时，主CPU板4触发工作命令。打开进出油电磁阀，在油泵循环的作用下，油气分离模10块实现油循环。在变压器油充分循环之后，通过真空泵及电磁阀的配合工作，利用变压器油定量容器中活动板的作用实现抽真空油气分离。被分离后的特征气体在载气瓶中载气的推动作用下进入色谱柱进行气体组分的分离，再在载气的推动下经过气体传感器，主CPU会将气体浓度值转换成的电压信号，此电压信号通过主CPU板4上高精度A/D转换器转换成数字序列信号，及采样得到各个气体的浓度值。

当装置达到需要自校准的条件时，主CPU板4触发工作命令。此时，油气分离模10块中的油泵、真空泵等不允许工作，与油气分离模10块相关的阀门保持关闭状态，而与样气瓶3相关的阀门保持打开的状态。这样可以保证样气在进入气体分离模块9的同时不会进入油气分离模10块，更不会因为油循环作用而进入变压器从而影响变压器的安全运行。样气同样在载气瓶中载气推动下进入气体分离模块9；气体分离模块9的色谱柱将样气的组分分离后的依次进入气体检测模块8进行检测，气体检测模块8中的线性度传感器通过采样电路可以将样气的气体浓度值转换成相应的电压信号，此电压信号通过主CPU板4上的高精度A/D转换器转换成数字序列信号，即得到了样气的分析谱图。主CPU板4可以根据谱图中各个峰的序列和相应的高度、面积值计算出样气的气体浓度。此时，主CPU板4会对比计算出来的样气气体浓度和出厂前就已经输入进去的样气标准值，如果某一气体的误差超过10％，装置会自动计算出相对应的比例系数，以后该装置对于变压器油中气体的实际测量结果均会是装置测量结果乘以该比例系数而得，从而可以保证装置的检测精度而无需人工校准。计算公式如下：

所述传感器解调器电路如图6所示，采样电路由电阻R71、电容C75、电阻R73、电容C76、电阻R74、电容C77、电阻R75和电容C80构成，在本实施例中，线性度传感器的型号经过采样电路的输入端AI1+和AI1-输入到高精度A/D转换器U29中，经过高精度A/D转换器U29的AD转换后在输入到主CPU中，高精度A/D转换器U29的3脚、28脚、27脚和4脚通过SPI接口与主CPU通信。

采样电路的输入端AI2+和AI2-为第二路AD通道。

本发明为了提高高精度A/D转换器U29的AD转换精度，还采用稳压器AD780的输出作为参考电压，提高了数据精度。

本发明采用磁珠R69和磁珠R72将为主CPU供电的3.3V电源和为高精度A/D转换器U29供电的VDDA电源隔离开，杜绝了电源对AD转换器的干扰。

目前装置的自校准采取定时校准策略，装置有一个自校准时间参数，用于设置自校准的周期，出厂设置默认值是半年自校准一次。装置自校准时间到时，将暂时关闭正常的油色谱流程，启动自校准流程，自校准流程结束，正常启动油色谱流程。自校准流程启动时，第一步首先进行自检程序，检查载气气路与标气气路连通性、载气压力并将柱箱温度加到合适的温度；第二步就是走基线，正常十分钟左右；第三步就是样气转移，通过打开阀组上的电磁阀将标气瓶的样气转移到定量管中，转移时间为30s，30s后关闭电磁阀，样气就留在了定量管中；第四步就是对样气进行采样，采样15min，并对采样值进行分析计算，算出7种气体的峰高值，根据线性关系并算出7种气体峰高值相对于标气的系数K值，并存储在EEPROM中供后续使用；第五步进行柱反吹流程，柱反吹10min后关闭所有电磁阀，并切换到正常油色谱流程。

变压器油中气体色谱在线监测装置由于要在变电站的强电场、磁场的环境下工作，减少电磁干扰是保证检测准确性的重要工作。除了在硬件设计上要有较好的抗干扰能力，对色谱的分析谱图有智能捕峰和高选择性分析也是很重要的工作。

优选的，电器柜1内还设有英维克MC06HDNC1A型工业级空调，可以保证柜内电路及元器件在恒温、恒湿的状态下正常工作，在极寒、极热的环境下装置也能够正常运行。空调具有报警输出功能，在温控功能失效或其他故障时可以输出报警信号提醒用户，保证装置的正常运行。

变压器油中气体色谱在线监测装置首先通过油泵与变压器之间进行充分的油循环，保证所取分析的油样能反映变压器内部的真实油样；变压器中油样通过充分的循环后再获取少量油样，进入油气分离装置，由真空泵抽取真空将特征气体与被检测油样分离，被分离后的特征气体在载气瓶中载气的推动下进入色谱柱进行气体组分的分离，分离后的气体组分在载气的推动下依次经过气体传感器，将气体浓度值转换成的电压信号，此电压信号通过高精度A/D转换器转换成数字序列信号，即分析谱图。根据谱图中各个峰的序列和相应的高度、面积值计算出对应的气体浓度，并通过通讯线上传到后台控制系统进行详尽的故障分析、储存和显示。

本发明其针对变压器油中气体色谱在线监测装置的载气使用现状，采用了双钢瓶交叉供气方式，配合线性度传感器及随动式自动捕峰技术，可以实现在全寿命周期内无需更换载气。

本发明在装置内部增加了一瓶样气，在装置使用的过程中，定期或不定期进行自校准；由于使用的是线性度传感器，在单点标定后可以实现系数自我修正，保证了测量数据的准确性。

本发明采用了双钢瓶交叉同时供气的方式，虽然可以实现全寿命气体免更换；但不可避免的带来了气流不稳定，气体浓度不稳定的问题。这也就是为什么很多厂家虽然安装了两瓶载气瓶，往往都是轮流使用而不是共同使用的原因。因为变压器油中所需检测气体的浓度本身就很低，而一旦载气的浓度或者稳定性有一些变化，极容易对测量精度产生较大的影响。要想真正实现既能够免维护，又能保证装置检测精度，那么随动式自动捕峰技术是必不可少的实现条件，该技术可以实现在分析谱图漂移或者谱图不平整、有毛刺等的前提下实现高精度的浓度计算。

本装置的谱峰识别算法采用自动捕峰技术，通过对原始采样数据进行滤噪和平滑处理后，再进行一阶导数变化趋势法识别出峰起点、前拐点、峰顶点、后拐点、峰终点，从而算出峰高，算出油中各种气体浓度值。

谱峰识别算法的具体实现原理：程序会设置一个数据窗口，窗口内包含的顺序采样数据个数为n，将这些数据标记为h(0),h(1),……..h(n-1),并把相邻采样数据间的一阶差分值标记为d(1),d(2),………d(n-1),其中d(i)＝d(i)-d(i-1),该数据窗口的最左边一点的位置记为t(0).此外还设置一个窗口移动子程序，用于将窗口向右移动一个数据点，新的一个数据被引入窗口的最右边，原窗口中最左边的一个数据被排出窗口外。启动谱峰识别算法前设置一个程序控制变量K，并初始化为K＝1，在K＝1时，若窗口内的数据满足d(n-1)>…..d(2)>d(1)>0,则t(0)处为峰起点，置K＝2，并调用窗口移动子程序；在K＝2时，执行峰前拐点检测子程序，若窗口内的数据满足d(1)>d(2)>…….d(n-1)>0,则判定t(0)处为峰的前拐点，置K＝3，并调用窗口移动子程序；在K＝3时,执行峰顶点检测子程序，如窗口内0>d(1)>d(2)>…….d(n-1),则判定t(0)处为峰的顶点，置K＝4，并调用窗口移动子程序；在K＝4时,执行峰后拐点子程序，若窗口内d(1)<d(2)……<d(n-1)<0,则判定t(0)处为峰的后拐点，置K＝5，并调用窗口移动子程序；在K＝5时执行峰结束点子程序，若同时不满足h(0)>h(1)>…….h(n-1)和d(1)<d(2)……<d(n-1)，则判定t(0)处为峰的结束点，置K＝1，再连续执行前述步骤直到流出曲线终了。根据前面记录的峰起点和峰顶点位置，找到相应的采样值，两者的差值即为峰高值，该峰高值乘上标气下算出的各种气体系数值，即可得到油中气体浓度值，从而达到定量分析的目的。

本发明随动式自动捕峰技术可以在高干扰的环境或者谱图漂移的前提下，实现自动捕峰，从而减弱甚至消除这些干扰的影响，提高测量的稳定性和精度。

该新型变压器油中气体色谱在线监测装置在最大程度上保证了色谱检测的优势，同时兼顾了免维护、免校准等光谱原理产品的优点，且无需花费光谱产品高昂的价格即可实现，是目前性价比最高，且稳定、有效的变压器油中气体在线监测的手段。

工作时，油气分离模10块中的油泵首先将变压器的油与色谱在线监测装置进行充分循环，保证油气分离模10块中的最终获取的少量油样是能反映变压器内部状态的真实油样；然后油气分离模10块中的真空泵会通过抽真空的方式将特征气体与油样分离，分离后的气体在载气瓶中载气推动下进入气体分离模块9；气体分离模块9内含有色谱柱，色谱柱可以实现特征气体的组分分离；分离后的气体组分同样在载气的推动下依次进入气体检测模块8进行检测，气体检测模块8中的线性度传感器通过采样电路可以将气体浓度值转换成相应的电压信号，此电压信号通过主CPU板4上的高精度A/D转换器转换成数字序列信号，即得到了分析谱图。主CPU板4可以根据谱图中各个峰的序列和相应的高度、面积值计算出对应的气体浓度，并通过通讯接口上传到后台控制系统进行详尽的故障分析、储存和显示。

本发明所述的一种新型全寿命免维护变压器油中气体色谱在线监测装置，解决了在保证原先色谱装置精度高、稳定性好的前提下，在装置寿命期内实现无需更换载气、无需人工校准的免维护使用的技术问题，本发明采用线性度传感器配合自动标定功能，实现了全寿命免校准，本发明采用双钢瓶交叉供气方式，实现全寿命气体免更换，本发明采用随动式自动捕峰技术，可以在干扰或者传感器漂移的情况下保证测量准确性，本发明设计了双钢瓶交叉供气方式，配合线性度传感器以及随动式自动捕峰技术，使得变压器油中气体色谱在线监测装置可以在装置使用周期内实现无需更换载气、无需人工校准的免维护使用，可靠性更高，且价格适中。真正意义上实现了变压器在线监测的无人值守，非常适合变电站智能化改造项目的实施。

Claims (4)

1.一种新型全寿命免维护变压器油中气体色谱在线监测装置，其特征在于：包括电器柜(1)，电器柜(1)内设有两个不锈钢载气瓶(2)、样气瓶(3)、开关电源(5)、接线端子(7)、空气开关(6)、主CPU板(4)、气体检测模块(8)、气体分离模块(9)和油气分离模(10)块，两个所述不锈钢载气瓶(2)分别设有第一减压阀和第二减压阀，第一减压阀和第二减压阀均通过连接器与气体分离模块(9)连接，样气瓶(3)上设有第三减压阀，第三减压阀通过连接器连接气体分离模块(9)；

油气分离模(10)块用于将变压器中的油样进行油气分离，并将分离后得到的特征气体通过连接器输入到气体分离模块(9)；

气体分离模块(9)包括气相色谱柱，连接器连接气相色谱柱，气相色谱柱用于将经不锈钢载气瓶(2)中载气输送而来的特征气体或样气瓶(3)提供的气体进行气体分组分离，生成气体分组；

气体检测模块(8)包括用于检测气体分组的气体检测传感器；

主CPU板(4)包括传感器解调器电路、CPU和通信模块，气体检测传感器连接传感器解调器电路，传感器解调器电路和通信模块均连接CPU；

外部电源通过接线端子(7)连接空气开关(6)，空气开关(6)为主CPU板(4)供电。

2.如权利要求1所述的一种新型全寿命免维护变压器油中气体色谱在线监测装置，其特征在于：所述不锈钢载气瓶(2)中内含10L容量的99.9999％高纯氮气，用于作为油色谱在线监测装置的载气。

3.如权利要求1所述的一种新型全寿命免维护变压器油中气体色谱在线监测装置，其特征在于：所述样气瓶(3)内含1L的样气。

4.如权利要求1所述的一种新型全寿命免维护变压器油中气体色谱在线监测装置，其特征在于：所述气体检测传感器的型号为GTM-20。

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