CN111220759B - 一种绝缘油多功能气体分析装置及密封缺陷诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式绝缘油含气量检测装置及基于含气量的密封缺陷诊断方法，包括一个箱体带上盖的机箱，所述箱体内部包含气源模块、色谱分析系统、载气瓶、标气瓶和色谱分析工作站系统；所述气源模块为色谱分析系统提供氢气和空气；所述色谱分析系统用于完成绝缘油的油气分离和色谱分析；所述载气瓶和标气瓶分别用于给色谱分析系统提供载气和标气；所述色谱工作站系统在完成数据采集分析后实现基于含气量数据的设备密封缺陷诊断。本发明由内部的自动脱气模块实现绝缘油中气体组分分配系数的自动标定，并实现油中溶解气体组分含量和含气量自动分析，测试精密度和准确度大幅提高，并可应用于实验室、设备带电、持续的现场在线监测，实现一机多用。

Description

一种绝缘油多功能气体分析装置及密封缺陷诊断方法

技术领域

本发明涉及电力行业电力绝缘油色谱分析领域，特别是一种便携式绝缘油含气量检测装置及基于含气量的密封缺陷诊断方法。

背景技术

变压器作为电网的核心设备，其安全运行是保障电网稳定的前提。变压器绝缘油中溶解气体分析(Dissolved Gases Analysis,DGA)是发现和诊断变压器内部潜伏性故障最有效的手段之一，油中含气量的分析则是及早发现电气设备密封失效，避免超高压和特高压电气设备内部气泡放电以及进水受潮故障发生的有效技术手段。目前的绝缘油中溶解气体分析和绝缘油中含气量的分析是依据不同技术标准或不同原理分别取样检测。

变压器绝缘油中溶解气体H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₆、C2H₄、C₂H₂等组分分析根据检测开展的方式可以分为在线分析和离线分析。在线分析依托安装在充油电气设备本体上或附近的在线监测装置，对变压器油中溶解气体组分含量进行连续或周期性自动监测。在线监测技术按气体成分检测原理主要有气相色谱法、红外光谱法、光声光谱法和阵列式气敏传感器(电子鼻)法四种，装置油气分离方式常用的有真空脱气法、膜渗透法、波纹管法和顶空脱气法等。其中顶空脱气的气相色谱法在线监测技术因性价比高，应用最为广泛。但在线监测分析因受装置传感器测量条件变化、元器件测试精度以及性能老化等因素的影响，存在监测数据波动性大、长期运行后监测数据偏离和误报率高等问题，需要定期进行离线的比对分析或应用标准油样进行现场的校验。

离线分析方式则根据《GB/T17623-2017绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法》，采用100mL玻璃针筒进行现场取样，再运输回实验室进行机械振荡脱气(手动顶空取气)、平衡气体转移到5mL针筒中，再通过1mL注射器取一定量的样品平衡气体人工进样注入气相色谱仪进行分析，该方式应用最为广泛，但该方法除数据处理为工作站自动完成外，其余的操作环节均涉及人工，受取样针筒密封效果、样品运输路途中针芯反复震荡引起的外界空气渗入、繁琐的人工操作步骤、试验人员的操作水平等各因素的影响，存在检测周期长和结果重复性差等缺点。

绝缘油中含气量的测定，主要是离线取样进行检测，测定方法有《DL/T703-2015绝缘油中含气量的气相色谱测定法》和《DL/T423-2009绝缘油中含气量测定方法真空压差法》两种，其中真空压差法和色谱测定法原理不一样，因此，需要使用两种不同仪器分别进行油中溶解气体组分和油中含气量检测，仪器购置成本和工作量相对较大；而DL/T703虽然测定原理与GB/T17623一样，但由于一般只取油中的O₂、N₂、CO和CO₂进行含气量的计算，因此，对测试仪器的性能要求相对较低，此外与绝缘油中溶解气体离线分析方式缺点一样，除数据处理为工作站自动完成外，操作环节均涉及人工，而大气环境下的O₂、N₂、CO₂气体浓度均很高，因此，取样针筒密封效果、样品运输路途中针芯反复震荡引起的外界空气渗入、繁琐的人工操作步骤中的空气渗入、试验人员的操作水平不到位引发空气进入进样的样品等，这些因素均极大影响测定结果重复性和再现性，导致绝缘油含气量的测定结果长期存在重复性差和结果失真的问题。另外对于绝缘油中含气量的数据分析在现有的相关标准中只有一个是否超标的标准，没有根据含气量分析数据和设备密封状态之间关系进一步判断依据。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种便携式绝缘油含气量检测装置及基于含气量的密封缺陷诊断方法，该装置采用便携式设计，采用基于全自动顶空脱气装置的色谱检测法，把气源、色谱分析、自动脱气等部分组装到一个箱体内，外部只需输入样品即可自动完成样品分析。具有操作简单、快速，不受人工因素的干扰，并且可同时完成绝缘油溶解气体浓度及含气量现场快速分析，并根据设备需要可实现设备持续的现场在线监测。和传统的在线色谱及实验室色谱相比，该绝缘油自动分析装置由于采用了全自动顶空脱气法，基于该脱气装置设计了一种气体组分的分配系数K值的自动标定方法，避免了不同油品由于分子结构的不同导致的分配系数的差异进而造成气体组分含量的测试和计算误差，大大提高了分析数据的准确性，使得该装置具有检测灵敏度高、含气量数据重复性好、准确性高等特点，并实现了一机多用。

本发明采用以下方案实现：一种便携式绝缘油含气量检测装置，包括一个箱体带上盖的机箱，所述箱体内部包含气源模块、色谱分析系统、载气瓶、标气瓶和色谱分析工作站系统；所述气源模块为色谱分析系统提供氢气和空气；所述色谱分析系统用于完成绝缘油的油气分离和H₂、O₂、N₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂九种气体组分含量的色谱分析，并取得油中含气量检测结果；所述载气瓶用于给色谱分析系统提供载气；所述标气瓶用于标定色谱分析系统；所述色谱分析系统与所述色谱分析工作站系统连接，色谱分析工作站系统在完成数据采集分析后利用内部程序完成基于含气量数据和O₂/N₂比值的设备密封缺陷诊断。

进一步地，所述机箱由箱体和上盖组成，所述箱体和所述上盖通过箱体上设置的上盖铰链进行连接；所述箱体上盖上设置了风扇、侧面排气孔和散热进气口，用以进行散热；所述排气孔的开口向下；在所述箱体底部设置了四个带锁定装置的万向轮；在箱体上部左侧面预留了快插式进油口和排油口，在箱体上部右侧面预留了电源接口以及网口和天线接口用以进行通讯；所述网口和天线接口都采用了防水接头；所述电源接口设计有防水挡板；所述箱体上还设置有固定上盖的上盖锁扣和折叠拉手。

进一步地，所述色谱分析系统包括色谱分析模块和自动脱气模块；自动脱气模块在色谱分析系统内部的左侧，用以实现绝缘油中特征气体的油气分离和绝缘油中各气体组分分配系数即气体溶解系数的自动标定；色谱分析模块包括柱箱热导检测器一体单元、FID检测器单元、FID检测器信号放大器、开关电源、控制电路板、Ni转化炉、进样口、第一稳压阀、第二稳压阀、第三稳压阀、第四稳压阀、散热风扇；所述柱箱热导检测器一体单元包括1号色谱柱、2号色谱柱和3号色谱柱以及热导检测器，所述1号色谱柱、2号色谱柱和3号色谱柱并行连接；所述FID检测器单元包括第一FID检测器和第二FID检测器；从自动脱气模块分离出的样品气体，经过进样口进入到柱箱热导检测器一体单元内部，样品并行进入1号，2号，3号色谱柱并经色谱柱分离后，由所述热导检测器检测经由3号柱分离H₂、O₂、N₂；由第一FID检测器检测经由1号色谱柱分离的CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂；由2号色谱柱分离的CO和CO₂经过Ni转化炉后由第二FID检测器进行检测；通过对绝缘油中9种特征气体浓度的一次性检测并相加后，得到了油中含气量的结果，用以实现绝缘油中溶解气体单组分浓度和油中含气量的同时分析。

进一步地，所述自动脱气模块位于色谱分析系统内部的左侧，所述自动脱气模块内部包括一个活塞式脱气缸，驱动活塞脱气缸的驱动电机、活塞上限位传感器、活塞下限位传感器、第一电磁阀、第二电磁阀、循环泵、油位定量传感器、联轴器、支撑背板、丝杆、活塞杆、传感器挡片和滑动螺母座；在活塞式脱气缸的上部两侧分别连接有第一电磁阀和第二电磁阀，在活塞顶部预留了样品气出口，在顶部的前面设置有压力传感器接口；脱气缸活塞的活塞杆底部连接到了滑动螺母座，滑动螺母座由驱动电机连接在一起的丝杆进行驱动；在驱动电机和丝杆之间设置有联轴器；在滑动螺母座上设置有限位传感器的挡片；活塞式脱气缸和驱动电机固定在支撑背板上，在支撑背板的右侧设置有三个传感器；上部为上限位传感器、中部为油位定量传感器、底部为下限位传感器；在右侧设置有用于脱气时带动气体循环的循环泵，循环泵的出口连接到了活塞的底部，进口连接到自动脱气模块外部的电磁阀上。

进一步地，所述色谱分析工作站系统包括3.5寸单板电脑、电源模块和无线通信模块；所述色谱分析模块的输出信号传输到所述单板电脑，单板电脑内运行有色谱分析工作站，用以采集色谱数据和控制色谱分析系统的运行，同时利用分析的油中H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂组分含量数据完成设备内部潜伏性故障诊断，利用得到的含气量数据和O₂/N₂比值完成设备的密封缺陷诊断；最终的数据通过所述单板电脑网口或者无线通信模块传输到终端；用以通过互联网进行远程控制和查看数据；所述电源模块分别与所述单板电脑和所述无线通信模块连接，用于为所述单板电脑和所述无线通信模块供电。

进一步的，所述自动脱气模块进行绝缘油中各气体组分分配系数即气体溶解系数的自动标定具体包括以下步骤：

步骤S1：对油样进行真空洗脱脱气处理，包括以下步骤：

步骤S11：抽取40mL油样，补入20mL载气，启动循环泵带动油样进行循环2分钟，静止4分钟，然后活塞上行排出载气，此步骤循环多次；

步骤S12：对油样进行真空脱气，活塞内的载气排出后，活塞下行到底部保持2min后再返回，循环3～5次，进行负压脱气处理，最后活塞上行排出脱出的气体；

步骤S2：给活塞内加入10mL已知浓度的多组分标准气体，在常压下启动循环泵带动气样进行循环2分钟静止4分钟，使得标准气体中的组分和油样达到分配平衡；

步骤S3：通过自动进样，把活塞上部达到分配平衡的样品气体经由定量管进入到色谱分析模块，由三个色谱柱完成样品气体的分离，热导检测器和FID检测器进行气体浓度的检测得到各个气体浓度；记录分析结果为c_ig；

步骤S4：活塞上行，排出气缸内剩余的气体；

步骤S5：活塞下行，再补入10mL的载气；启动循环泵循环2分钟静止4分钟，实现二次脱气，使得油中的组分浓度和载气中的组分浓度在相同的条件下再次达到分配平衡；

步骤S6：通过自动进样，利用色谱分析模块分析混合均匀后的各个气体浓度；记录分析结果为c′_ig；

步骤S7：依照公式：计算出各个组分在当前条件下的分配系数K_i。

进一步地，本发明还提供一种便携式绝缘油含气量检测装置的含气量检测方法，包括以下步骤：

步骤S1：通过对绝缘油中脱出气体的色谱分析得到单一组分的浓度：

式中：C_i为组分i的浓度，C_si为标气中i组分的浓度，p为试验时的大气压，0.879是油样中溶解气体浓度从50℃校正到0℃时的温度校正系数；101.3为标准大气压，是油样气体中i组分的平均峰面积，是标准气体中i组分的平均峰面积，K_i为测得当前试验条件下的绝缘油的溶解气体组分i的分配系数；

步骤S2：按照下式计算油中的含气量：

是油中含气量，％；n表示油中9个溶解气体，包括：H₂、O₂、N₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂。

进一步地，本发明还提供一种利用含气量和O₂/N₂比值进行设备密封缺陷诊断方法，包括以下步骤：

步骤S1：进行含气量数据增长量及增长趋势的诊断，包括以下步骤；

步骤S11:阈值判断规则：当设备含气量超过2％时提示异常，进行步骤S12；

步骤S12:若同一台/相设备含气量的绝对量的季度增长量超过0.3％/季度，或同一设备不同相别间含气量差异大于1％，提示设备存在密封缺陷，需要跟踪发展趋势；

若同一台/相设备含气量的绝对量的季度增长量超过0.6％/季度，或同一设备不同相别间含气量差异大于2％，提示设备密封存在重大缺陷，需要停电进行检查；

步骤S2：进行含气量具体成分的O₂/N₂含量诊断；

若O₂/N₂比值大于0.37，提示密封存在缺陷；所述密封存在缺陷包括旁通阀未关紧、胶囊或金属膨胀器破损或紧固螺栓松动、负压区渗漏油或套管将军帽密封不良；若O₂/N₂比值小于0.05，且设备含气量大于2％时，提示设备抽真空不彻底。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的装置体积小巧，只需一台装置就可完成绝缘油中溶解气体浓度和含气量的高精度一体分析。可以放置于实验室进行传统的绝缘油中溶解气体浓度及含气量自动分析，还可直接携带到现场通过油管连接到变压器上完成绝缘油溶解气体浓度及含气量的带电分析，并根据设备需要实现设备的持续现场在线监测，实现了一机多用。

(2)本发明装置具有操作简单、快速，不受人工因素的干扰等优点。

(3)本发明装置借助自动脱气装置实现了基于二次顶空平衡法的气体组分分配系数(或称气体溶解系数)的标定，大大的提高了测试结果的准确度。

(4)本发明设计了基于含气量和O₂/N₂比值的设备密封诊断算法，根据分析结果自动诊断充油设备的绝缘和密封状态。

附图说明

图1为本发明实施例的装置整体结构示意图，其中，1为上盖，2为箱体，3为散热风扇，4为散热排气口，5为进油口，6为排油口，7为色谱分析系统，8为散热进气口，9为带锁万向轮，10为上盖铰链，11为气源模块，12为标气瓶，13为色谱分析工作站系统，14为天线接口、15为网线接口、16为上盖锁扣，17为载气瓶，18为电源接口，19为折叠拉手。

图2为本发明实施例的整机气路流程图。

图3为本发明实施例的色谱分析模块7-2的结构示意图，其中，7-2-1为柱箱热导检测器一体单元、7-2-2为FID检测器单元、7-2-3为FID检测器信号放大器、7-2-4为开关电源、7-2-5为控制电路板、7-2-6为Ni转化炉、7-2-7为进样口、7-2-8为第一稳压阀、7-2-9为第二稳压阀、7-2-10第三稳压阀、7-2-11为第四稳压阀、7-2-12为散热风扇3。

图4为本发明实施例的脱气模块7-1结构示意图，其中，7-1-1为压力传感器接口，7-1-2为样品气体出口，7-1-3为第一电磁阀，7-1-4为第二电磁阀，7-1-5为脱气缸，7-1-6为活塞固定角板，7-1-7为固定孔，7-1-8为上限位传感器，7-1-9为油位定量传感器，7-1-10为循环泵，7-1-11为下限位传感器，7-1-12传感器挡片，7-1-13为驱动电机，7-1-14为联轴器，7-1-15为支撑背板，7-1-16为丝杆，7-1-17为活塞杆，7-1-18为滑动螺母座。

图5为本发明实施例的色谱分析工作站系统13结构示意图，其中，13-1为3.5寸单板电脑，13-2为无线通信模块，13-3为电源模块。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供一种便携式绝缘油含气量检测装置，包括一个箱体2带上盖1的机箱，所述箱体2内部包含气源模块11、色谱分析系统7、载气瓶17、标气瓶12和色谱分析工作站系统13；所述气源模块11为色谱分析系统7提供氢气和空气；所述色谱分析系统7用于完成绝缘油的油气分离和H₂、O₂、N₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂九种气体组分含量的色谱分析，并取得油中含气量检测结果；所述载气瓶17用于给色谱分析系统7提供载气；所述标气瓶12用于标定色谱分析系统7；所述色谱分析系统7与所述色谱分析工作站系统13连接，色谱分析工作站系统13在完成数据采集分析后利用内部程序完成基于含气量数据和O₂/N₂比值的设备密封缺陷诊断。

在本实施例中，所述机箱由箱体2和上盖1组成，所述箱体2和所述上盖1通过箱体2上设置的上盖铰链10进行连接；所述箱体2上盖1上设置了风扇、侧面排气孔和散热进气口8，用以进行散热；所述排气孔的开口向下；在所述箱体2底部设置了四个带锁定装置的万向轮；在箱体2上部左侧面预留了快插式进油口5和排油口6，在箱体2上部右侧面预留了电源接口18以及网口和天线接口14用以进行通讯；所述网口和天线接口14都采用了防水接头；所述电源接口18设计有防水挡板；所述箱体2上还设置有固定上盖1的上盖锁扣16和折叠拉手19。

如图3所示，在本实施例中，所述色谱分析系统7包括色谱分析模块7-2和自动脱气模块7-1；自动脱气模块在色谱分析系统内部的左侧，用以实现绝缘油中特征气体的油气分离和绝缘油中各气体组分分配系数即气体溶解系数的自动标定；色谱分析模块7-2包括柱箱热导检测器一体单元7-2-1、FID检测器单元7-2-2、FID检测器信号放大器7-2-3、开关电源7-2-4、控制电路板7-2-5、Ni转化炉7-2-6、进样口7-2-7、第一稳压阀7-2-8、第二稳压阀7-2-9、第三稳压阀7-2-10、第四稳压阀7-2-11、散热风扇7-2-12；所述柱箱热导检测器一体单元7-2-1包括1号色谱柱、2号色谱柱和3号色谱柱以及热导检测器，所述1号色谱柱、2号色谱柱和3号色谱柱并行连接；所述FID检测器单元7-2-2包括第一FID检测器和第二FID检测器；从自动脱气模块分离出的样品气体，经过进样口7-2-7进入到柱箱热导检测器一体单元7-2-1内部，样品并行进入1号，2号，3号色谱柱并经色谱柱分离后，由所述热导检测器检测经由3号柱分离H₂、O₂、N₂；由第一FID检测器检测经由1号色谱柱分离的CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂；由2号色谱柱分离的CO和CO₂经过Ni转化炉7-2-6后由第二FID检测器进行检测；通过对绝缘油中9种特征气体浓度的一次性检测并相加后，得到了油中含气量的结果，用以实现绝缘油中溶解气体单组分浓度和油中含气量的同时分析。

如图4所示，在本实施例中，所述自动脱气模块位于色谱分析系统7内部的左侧，所述自动脱气模块7-1内部包括一个活塞式脱气缸7-1-5，驱动活塞脱气缸7-1-5的驱动电机7-1-13、活塞上限位传感器7-1-8、活塞下限位传感器7-1-11、第一电磁阀7-1-3、第二电磁阀7-1-4、循环泵7-1-10、油位定量传感器7-1-9、联轴器7-1-14、支撑背板7-1-15、丝杆7-1-16、活塞杆7-1-17和滑动螺母座7-1-18；在活塞式脱气缸7-1-5的上部两侧分别连接有第一电磁阀7-1-3和第二电磁阀7-1-4，在活塞顶部预留了样品气出口，在顶部的前面设置有压力传感器接口7-1-1；脱气缸7-1-5活塞的活塞杆7-1-17底部连接到了滑动螺母座7-1-18，滑动螺母座7-1-18由驱动电机7-1-13连接在一起的丝杆7-1-16进行驱动；在驱动电机7-1-13和丝杆7-1-16之间设置有联轴器7-1-14；进一步的在滑动螺母座7-1-18上设置有限位传感器的挡片；活塞式脱气缸7-1-5和驱动电机7-1-13固定在支撑背板7-1-15上，在支撑背板7-1-15的右侧设置有三个传感器。上部为上限位传感器7-1-8、中部为油位定量传感器7-1-9、底部为下限位传感器7-1-11；在右侧设置有用于脱气时带动气体循环的循环泵7-1-10，循环泵7-1-10的出口连接到了活塞的底部，进口连接到自动脱气模块外部的电磁阀4上。

如图5所示，在本实施例中，所述色谱分析工作站系统13内包括3.5寸单板电脑13-1、电源模块13-3和无线通信模块13-2；所述色谱分析系统7的输出信号传输到所述单板电脑，单板电脑内运行有色谱分析工作站，用以采集色谱数据和控制色谱分析系统7的运行，同时利用分析的油中H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂组分含量数据完成设备内部潜伏性故障诊断，利用得到的含气量数据和O₂/N₂比值完成设备的密封缺陷诊断；最终的数据通过网口或者无线通信模块13-2传输到终端；用以通过互联网进行远程控制和查看数据；所述电源模块13-3分别与所述单板电脑和所述无线通信模块13-2连接，用以为所述单板电脑和所述无线通信模块13-2供电。

本实施例所述自动脱气模块进行绝缘油中各气体组分分配系数即气体溶解系数的自动标定具体包括以下步骤：

步骤S1：对油样进行真空洗脱脱气处理，包括以下步骤

步骤S11：抽取40mL油样，补入20mL载气，启动循环泵带动油样进行循环2分钟，静止4分钟，然后活塞上行排出载气，此步骤可循环多次。

步骤S12：对油样进行真空脱气，活塞内的载气排出后，活塞下行到底部保持2min后再返回如此循环3～5次，进行负压脱气处理，最后活塞上行排出脱出的气体。

步骤S2：给活塞内加入10mL已知浓度的多组分标准气体，在常压下启动循环泵带动气样进行循环2分钟静止4分钟，使得标准气体中的组分和油样达到分配平衡。

步骤S3：通过自动进样，把活塞上部达到分配平衡的样品气体经由定量管进入到色谱分析模块，由三个色谱柱完成样品气体的分离，热导检测器和FID检测器进行气体浓度的检测得到各个气体浓度；记录分析结果为c_ig；

步骤S4：活塞上行，排出气缸内剩余的气体。

步骤S5：活塞下行，再补入10mL的载气。启动循环泵循环2分钟静止4分钟，实现二次脱气，使得油中的组分浓度和载气中的组分浓度在相同的条件下再次达到分配平衡。

步骤S6：通过自动进样，利用色谱分析模块分析达到溶解平衡后的气体中的各个气体浓度。记录分析结果为c′_ig。

步骤S7：依照公式：可以精确计算出各个组分在当前条件下的分配系数K_i。

式中：K_i——i组分在温度t时的分配系数(或称气体溶解系数)；

c_ig——第一次平衡后，溶解气体i组分在气体中的浓度，μL/L；

c′_ig——第二次平衡后，溶解气体i组分在气体中的浓度，μL/L；

V_g——第二次平衡后，温度t时的气体体积，mL；

V_l——第二次平衡后，温度t时的液体体积，mL。

较佳的本实施例还提供了一种便携式绝缘油含气量检测装置的含气量检测方法，包括以下步骤：

步骤S1：通过对绝缘油中脱出气体的色谱分析得到单一组分的浓度：

式中：C_i为组分i的浓度，C_si为标气中i组分的浓度，p为试验时的大气压，0.879是油样中溶解气体浓度从50℃校正到0℃时的温度校正系数；101.3是标准大气压，是油样气体中i组分的平均峰面积，是标准气体中i组分的平均峰面积，K_i是步骤7测得当前试验条件下的绝缘油的溶解气体组分i的分配系数。

步骤S2：按照下式计算油中的含气量：

是油中含气量，％；n表示油中9个溶解气体，一般包括：H₂、O₂、N₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂。

较佳的，本实施例还提供一种利用含气量和O₂/N₂比值进行设备密封缺陷诊断方法，包括以下步骤：

通过使用本装置对高压充油设备含气量的持续观测，得到含气量的多次分析数据和含气量的成分组分，系统设置了可按设备制造厂家、型号、运行年限、电压等级等进行组合数据筛选并作含气量、O₂/N₂比值、CO₂/CO比值的正态分布和置信区间的大数据分析统计功能，并可展示单独一台(相)设备或同一设备不同相别间含气量、O₂/N₂比值、CO₂/CO比值、水分各次测量值的变化曲线、拟合曲线、拟合方程，并能够根据设备检修处理进行曲线的自动修正，同时运用福建省近20年1万多笔设备含气量测试数据和设备密封检查结果的大数据统计得出的结论设计了基于含气量的设备密封缺陷诊断判据，对设备的密封状态进行诊断。

步骤S1：进行含气量数据增长量及增长趋势的诊断，包括以下步骤；

步骤S11:阈值判断规则：当设备含气量超过2％时提示异常，进行步骤S12；

步骤S12:若同一台/相设备含气量的绝对量的季度增长量超过0.3％/季度，或同一设备不同相别间含气量差异大于1％，提示设备存在密封缺陷，需要跟踪发展趋势；

若同一台/相设备含气量的绝对量的季度增长量超过0.6％/季度，或同一设备不同相别间含气量差异大于2％，提示设备密封存在重大缺陷，需要停电进行检查；

步骤S2：进行含气量具体成分的O₂/N₂含量诊断；

若O₂/N₂比值大于0.37，提示密封存在缺陷；所述密封存在缺陷包括旁通阀未关紧、胶囊或金属膨胀器破损或紧固螺栓松动、负压区渗漏油或套管将军帽密封不良；若O₂/N₂比值小于0.05，且设备含气量大于2％时，提示设备抽真空不彻底。

色谱工作站系统还内置了传统的基于绝缘油油中H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂组分含量特征气体的设备内部潜伏性故障诊断模块，包括三比值法、平衡判据法、直方图、立体图示法、大卫三角形法，可以实现自动诊断设备内部潜伏性故障的类型、预测故障可能发生的部位。

较佳的，在本实施例中，气源模块11，箱体2高度与新型防漏液装置的高度相匹配；气源模块11顶部设置相互对称的把手，方便检修。内部采用基于电解原理的氢气发生器和空气压缩机净化装置，为色谱分析系统提供氢气和空气。

较佳的，本实施例可直接采集油样和注油、自动顶空脱气、自动进样和自动分析处理，实现充油设备绝缘油溶解气体浓度及含气量的现场快速检测，并根据含气量测试结果实现设备密封缺陷的诊断。本装置应用模块化集成设计，主要由气源模块11、色谱分析系统7、载气瓶17、标气瓶12和色谱分析工作站系统13组成。相比与传统装置的结构设计，该装置的模块化设计方案可使装置整体尺寸缩小为360mm(长)×180mm(宽)×400mm(高)，不仅降低了设备重量实现了设备的便携化，同时使后期的维修和保养更加简易化。另外，通过配套专用的取样阀，自动取油、自动脱气，脱气后的油经脱气过滤处理后经回油阀输送回变压器，脱出的气体经自动进样模块进入色谱分析模块进行分析处理，装置还可以实现对运行设备的在线持续监测功能。

本装置采用如图2所示的三柱并联三次分流的方式单次进样实现了绝缘油中H₂、O₂、N₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₆、C2H₄、C₂H₂九种气体组分的一次性同时检测，不仅可通过油中故障特征气体H₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂实现变压器、互感器、套管等充油电气设备内部潜伏性故障的早期检出，而且还可自动利用O₂、N₂、CO、CO₂等数据计算绝缘油含气量，并根据内置的含气量判据自动诊断设备是否存在密封缺陷，使装置具备绝缘油中溶解气体组分及含气量分析、设备故障瓦斯气体分析等功能，并可实现现场充油电气设备带电采样快速分析、现场连续在线监测、实验室常规分析等多种分析模式。进行油样分析时，油中气体组分通过自动脱气模块脱出后进样，通过气路系统载气带入检测气路中，经四通阀分流为三路气体，分别进入三根色谱柱；其中，1号色谱柱可以分离四种烃类气体，然后流入氢火焰检测器FID1，完成分析；2号色谱柱分离一氧化碳、二氧化碳，进入镍转化炉Ni中，在高温及催化剂的作用下，与过量的氢气产生反应，将一氧化碳、二氧化碳转化成甲烷，再进入氢焰检测器FID2，完成分析；3号色谱柱分离氢气、氧气、氮气，气体样品进入热导检测器TCD完成检测。

清洗、脱气、进样部分是保证分析效果的关键，装置采用定容自动顶空脱气方法，脱气过程中总体积不变，液体体积不变，根据溶解平衡原理计算出脱气率，根据气体浓度换算出油中溶解气体浓度。装置自动动态顶空脱气时间仅需6分钟，(循环2分钟，静止4分钟)。较传统的人工机械振荡法缩短了80％(如表1所示)，。装置的设计和实现样品的取样、进样、分析、处理的全自动化控制，避免了针筒密封性能的影响，并大幅降低了取样、运输、脱气、转移、进样等不同操作环节和人员操作水平引起的随机误差和过失误差，极大提高装置测试数据的精密度(重复性和再现性)，相比传统的绝缘油中溶解气体组分和含气量检测仪器，装置的定量重复性提高了30％以上(如表2所示)，再现性完全满足国标(<30％)和IEC(<20％)的要求(如表3所示)。如图2所示，较佳的，本实施例的基于二次顶空平衡法的气体组分分配系数标定工作流程如下：

(1)进油及油路冲洗流程

阀3的P和A通，阀4的P和A通，阀1关阀2开，阀5开，阀6的O和A通，活塞归位上行到气缸顶部。阀2关，阀1开，活塞缓慢下行到底部。阀1关，阀2开，活塞上行，将气缸内部的油排出，完成对气缸的一次冲洗。冲洗次数可以设定。

冲洗完成后重复上面的流程，活塞下行到中间油量限位传感器处。进油完成后阀1关，阀2关。

(2)补气流程

进油完成后，活塞下行设定的距离，阀3切换到P和A通，阀4切换到P和O通，阀6的O和A通，载气通过稳压阀，阀5，阀4，阀3进入气缸。活塞下行到底部传感器的位置。阀4切换到P和A通，开阀2，保持气缸内的压力和外部压力平衡后，关闭阀2。完成补气流程。

(3)循环平衡流程

循环泵7-1-10启动，带动密封气路中的气体从活塞底部进入气缸循环2分钟。静止4分钟完成气相和液相中组分浓度的分配平衡过程。

(4)洗脱排气过程

打开阀2，活塞缓慢上行到活塞中部定位传感器位置。排出气缸内的气体。重复步骤2和步骤3进行多次洗脱，根据样品的情况可以设定执行3～5次。

(5)负压脱气

进行完洗脱排气后，可以利用气缸的密闭特性，实现对经过载气洗脱后的样品进行进一步的负压脱气。将活塞快速下行到底部。保持3分钟。然后上行到油量限位传感器处。如此循环3～5次后，打开阀2，排出脱出的气体。

(6)补入标气

打开阀2，阀6切换到P和O通，标气经由阀6，阀4，和阀3进入气缸，从阀2排出，这时缓慢往下移动活塞到设定的位置。然后切换阀6到O和A通，延时10秒后，关闭阀2。接着重复步骤3。

(7)进样过程

阀5关，阀3切换到P和O通，阀4切换到P和O通。载气通过阀3带着定量管中的样品，通过阀4进入到色谱分析模块。完成进样。

(8)二次补气平衡过程

完成进样过程后，重复步骤4，然后切换阀4到P和O通，打开阀2，活塞缓慢下移到设定的位置，给气缸补入设定体积的载气。然后进行步骤3，进行循环平衡后，执行步骤7，完成样品分析。

(9)排废油流程

打开阀2活塞上行到上限位。排出内部的气体和废油。切换阀3到P和A通，切换阀4到P和O通。打开阀5，载气经由阀5阀4阀3进入气缸，经由阀2排出。持续吹扫2min完成对气缸的吹扫清洗。吹扫同时打开循环泵7-1-10对循环管路进行载气吹扫。

上述过程可以根据分析流程的需求进行灵活选用。

流程一：可以实现单次进样分析，利用上次标定的分配平衡系数直接计算油中气体的浓度。

流程二：使用设备自身的油样进行二次进样自动精确计算脱气气体组分的分配系数，并利用本次分析测量得到的分配系数精确计算油中溶解气体的浓度。

流程三：配合内置标气实现未知分子结构油样中气体分配系数的测定，提高测试的准确性。

表1两种脱气法检测数据对比

表2定量重复性试验对比

表3再现性试验

较佳的，在本实施例中，采用高性能的氢火焰检测器和热导检测器，保证装置分析灵敏度高，对绝缘油中溶解气体各组分最小检测浓度优于GB/T17623-2017中对实验室专用色谱仪的最小检测浓度的要求，远优于DL/T703-2015中对含气量色谱仪最小检测浓度的要求(如表4所示)。

表4油中溶解气体最小检测浓度

在本实施例中，设计了基于含气量的变压器密封诊断判据，并通过色谱工作站实现分析结果的自动诊断。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种绝缘油多功能气体分析装置，其特征在于：包括一个箱体带上盖的机箱，所述箱体内部包含气源模块、色谱分析系统、载气瓶、标气瓶和色谱分析工作站系统；所述气源模块为色谱分析系统提供氢气和空气；所述色谱分析系统用于完成绝缘油的油气分离和H₂、O₂、N₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂九种气体组分含量的色谱分析，并取得油中含气量检测结果；所述载气瓶用于给色谱分析系统提供载气；所述标气瓶用于标定色谱分析系统；所述色谱分析系统与所述色谱分析工作站系统连接，色谱分析工作站系统在完成数据采集分析后利用内部程序完成基于含气量数据和O₂/N₂比值的设备密封缺陷诊断；

所述色谱分析系统包括色谱分析模块和自动脱气模块；自动脱气模块在色谱分析系统内部的左侧，用以实现绝缘油中特征气体的油气分离和绝缘油中各气体组分分配系数即气体溶解系数的自动标定；色谱分析模块包括柱箱热导检测器一体单元、FID检测器单元、FID检测器信号放大器、开关电源、控制电路板、Ni转化炉、进样口、第一稳压阀、第二稳压阀、第三稳压阀、第四稳压阀、散热风扇；所述柱箱热导检测器一体单元包括1号色谱柱、2号色谱柱和3号色谱柱以及热导检测器，所述1号色谱柱、2号色谱柱和3号色谱柱并行连接；所述FID检测器单元包括第一FID检测器和第二FID检测器；从自动脱气模块分离出的样品气体，经过进样口进入到柱箱热导检测器一体单元内部，样品并行进入1号，2号，3号色谱柱并经色谱柱分离后，由所述热导检测器检测经由3号柱分离H₂、O₂、N₂；由第一FID检测器检测经由1号色谱柱分离的CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂；由2号色谱柱分离的CO和CO₂经过Ni转化炉后由第二FID检测器进行检测；通过对绝缘油中9种特征气体浓度的一次性检测并相加后，得到了油中含气量的结果，用以实现绝缘油中溶解气体单组分浓度和油中含气量的同时分析；

所述自动脱气模块进行绝缘油中各气体组分分配系数即气体溶解系数的自动标定具体包括以下步骤：

步骤S1：对油样进行真空洗脱脱气处理，包括以下步骤：

步骤S11：抽取40mL油样，补入20mL载气，启动循环泵带动油样进行循环2分钟，静止4分钟，然后活塞上行排出载气，此步骤循环多次；

步骤S12：对油样进行真空脱气，活塞内的载气排出后，活塞下行到底部保持2min后再返回，循环3～5次，进行负压脱气处理，最后活塞上行排出脱出的气体；

步骤S2：给活塞内加入10mL已知浓度的多组分标准气体，在常压下启动循环泵带动气样进行循环2分钟静止4分钟，使得标准气体中的组分和油样达到分配平衡；

步骤S3：通过自动进样，把活塞上部达到分配平衡的样品气体经由定量管进入到色谱分析模块，由三个色谱柱完成样品气体的分离，热导检测器和FID检测器进行气体浓度的检测得到各个气体浓度；记录分析结果为c_ig；

步骤S4：活塞上行，排出气缸内剩余的气体；

步骤S5：活塞下行，再补入10mL的载气；启动循环泵循环2分钟静止4分钟，实现二次脱气，使得油中的组分浓度和载气中的组分浓度在相同的条件下再次达到分配平衡；

步骤S6：通过自动进样，利用色谱分析模块分析混合均匀后的各个气体浓度；记录分析结果为c′_ig；

步骤S7：依照公式

计算出各个组分在当前条件下的分配系数K_i；

包括以下步骤：

步骤S1：通过对绝缘油中脱出气体的色谱分析得到单一组分的浓度：

式中：C_i为组分i的浓度，C_si为标气中i组分的浓度，p为试验时的大气压，0.879是油样中溶解气体浓度从50℃校正到0℃时的温度校正系数；101.3为标准大气压，

是油样气体中i组分的平均峰面积，

是标准气体中i组分的平均峰面积，K_i为测得当前试验条件下的绝缘油的溶解气体组分i的分配系数；

步骤S2：按照下式计算油中的含气量：

是油中含气量，％；n表示油中9个溶解气体，包括：H₂、O₂、N₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂。

2.根据权利要求1所述的一种绝缘油多功能气体分析装置，其特征在于：所述机箱由箱体和上盖组成，所述箱体和所述上盖通过箱体上设置的上盖铰链进行连接；所述箱体上盖上设置了风扇、侧面排气孔和散热进气口，用以进行散热；所述排气孔的开口向下；在所述箱体底部设置了四个带锁定装置的万向轮；在箱体上部左侧面预留了快插式进油口和排油口，在箱体上部右侧面预留了电源接口以及网口和天线接口用以进行通讯；所述网口和天线接口都采用了防水接头；所述电源接口设计有防水挡板；所述箱体上还设置有固定上盖的上盖锁扣和折叠拉手。

3.根据权利要求2所述的一种绝缘油多功能气体分析装置，其特征在于：所述自动脱气模块位于色谱分析系统内部的左侧，所述自动脱气模块内部包括一个活塞式脱气缸，驱动活塞脱气缸的驱动电机、活塞上限位传感器、活塞下限位传感器、第一电磁阀、第二电磁阀、循环泵、油位定量传感器、联轴器、支撑背板、丝杆、活塞杆、传感器挡片和滑动螺母座；在活塞式脱气缸的上部两侧分别连接有第一电磁阀和第二电磁阀，在活塞顶部预留了样品气出口，在顶部的前面设置有压力传感器接口；脱气缸活塞的活塞杆底部连接到了滑动螺母座，滑动螺母座由驱动电机连接在一起的丝杆进行驱动；在驱动电机和丝杆之间设置有联轴器；在滑动螺母座上设置有限位传感器的挡片；活塞式脱气缸和驱动电机固定在支撑背板上，在支撑背板的右侧设置有三个传感器；上部为上限位传感器、中部为油位定量传感器、底部为下限位传感器；在右侧设置有用于脱气时带动气体循环的循环泵，循环泵的出口连接到了活塞的底部，进口连接到自动脱气模块外部的电磁阀上。

4.根据权利要求1所述的一种绝缘油多功能气体分析装置，其特征在于：所述色谱分析工作站系统包括3.5寸单板电脑、电源模块和无线通信模块；所述色谱分析模块的输出信号传输到所述单板电脑，单板电脑内运行有色谱分析工作站，用以采集色谱数据和控制色谱分析系统的运行，同时利用分析的油中H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂组分含量数据完成设备内部潜伏性故障诊断，利用得到的含气量数据和O₂/N₂比值完成设备的密封缺陷诊断；最终的数据通过所述单板电脑网口或者无线通信模块传输到终端；用以通过互联网进行远程控制和查看数据；所述电源模块分别与所述单板电脑和所述无线通信模块连接，用于为所述单板电脑和所述无线通信模块供电。

5.一种绝缘油多功能气体分析装置的密封缺陷诊断方法，其特征在于：采用如权利要求1至4中任意一项所述的绝缘油多功能气体分析装置来检测含气量并利用所述含气量和O₂、N₂组分浓度的比值进行设备密封缺陷诊断，包括以下步骤：

步骤S1：进行含气量数据增长量及增长趋势的诊断，包括以下步骤；

步骤S11:阈值判断规则：当设备含气量超过2％时提示异常，进行步骤S12；

步骤S12:若同一台/相设备含气量的绝对量的季度增长量超过0.3％/季度，或同一设备不同相别间含气量差异大于1％，提示设备存在密封缺陷，需要跟踪发展趋势；

若同一台/相设备含气量的绝对量的季度增长量超过0.6％/季度，或同一设备不同相别间含气量差异大于2％，提示设备密封存在重大缺陷，需要停电进行检查；

步骤S2：进行含气量具体成分的O₂/N₂含量诊断；

若O₂/N₂比值大于0.37，提示密封存在缺陷；所述密封存在缺陷包括旁通阀未关紧、胶囊或金属膨胀器破损或紧固螺栓松动、负压区渗漏油或套管将军帽密封不良；若O₂/N₂比值小于0.05，且设备含气量大于2％时，提示设备抽真空不彻底。

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