CN203249900U

CN203249900U - 变压器油色谱在线监测装置

Info

Publication number: CN203249900U
Application number: CN 201320139167
Authority: CN
Inventors: 张朝龙; 胡绍刚; 刘君
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2013-03-25
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2023-03-25

Abstract

本实用新型公开了变压器油色谱在线监测装置，包括有信号采集及检测单元、处理控制及通信单元和服务器单元，信号采集及检测单元分别通过CAN总线、RS485总线与处理控制及通信单元连接，处理控制及通信单元分别通过RS485总线、以太网线与服务器单元连接。本实用新型的变压器油色谱在线监测装置中充分考虑电磁干扰对设备的影响，隔离芯片采用隔离电源供电，将很多不同的通信方式整合到一起，具有强大的实时监控能力，快速高效的处理功能以及高速稳定的通信能力，符合IEC61850标准和现代电网发展的形势，实现了智能变电站系统的智能化、信息化、高可靠性和低成本。

Description

变压器油色谱在线监测装置

技术领域

本实用新型属于输变电设备状态监测装置技术领域，具体涉及一种变压器油色谱在线监测装置。

背景技术

电力变压器一般是由绝缘材料和导电、导磁材料及结构材料构成，其中绝缘材料大多为有机材料，如：矿物油、绝缘纸及各种有机合成材料等。在变压器的运行过程中，变压器有机绝缘材料一直处于电、热、机械、化学等多种因素的作用下，性质逐渐劣化，裂解成低分子的故障特征气体H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂等。变压器内部存在的潜伏性过热或放电故障也会加快产气的速率，随着变压器故障的缓慢发展，裂解出来的气体形成气泡在油中经过对流、扩散作用，就会不断地溶解于油中。

经运行实践证明：变压器油中溶解气体的组分和含量与变压器绝缘老化或故障的程度有密切的关系。因此，用色谱法分析变压器故障是一种重要的有实际意义的方法，该方法从预防性检修模式形成以来，得到了广泛的使用，现行的电力设备预防性试验规程将其放于首要位置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种变压器油色谱在线监测装置，实现了各种状态量统一由一个设备监测采集，能够实时、准确和高速的监测变压器运行状况，并协调完成与变压器监测单元以及监控中心的数据通讯。

本实用新型所采用的技术方案是，变压器油色谱在线监测装置，包括有信号采集及检测单元、处理控制及通信单元和服务器单元，信号采集及检测单元分别通过CAN总线、RS485总线与处理控制及通信单元连接，处理控制及通信单元分别通过RS485总线、以太网与服务器单元连接。

本实用新型的特点还在于，

服务器单元包括有监控中心和站控层服务器。

信号采集及检测单元，包括有通过油管连接的油气分离单元和气体分离检测单元，油管上设置有电磁阀和循环油泵，油气分离单元内设置有油气分离膜，气体分离检测单元包括有通过气管依次连接的色谱柱和气敏传感器，色谱柱通过导线与色谱柱加热器连接。

油气分离单元内的油气分离膜为聚四氟乙烯油气分离膜。

处理控制及通信单元，包括有中央处理器和电源模块，中央处理器包括有数字信号处理器和微处理器，数字信号处理器和微处理器之间通过SPI总线连接；

数字信号处理器分别外接有A/D转换器、CAN接口、485接口、JTAG接口及看门狗电路模块，A/D转换器通过四芯屏蔽线连接有温度检测模块；

微处理器分别外接有人机交互系统、实时时钟、SD卡接口、以太网接口、GPRS无线通讯模块。

处理控制及通信单元内数字信号处理器外接的CAN接口通过屏蔽双绞线与信号采集及检测单元内的气体分离检测单元连接，处理控制及通信单元内数字信号处理器外接的485接口通过屏蔽双绞线与信号采集及检测单元内的油气分离单元连接，处理控制及通信单元内微处理器外接的以太网接口通过以太网线与服务器单元内的站控层服务器连接，处理控制及通信单元内微处理器还通过RS485总线与服务器单元内的监控中心连接。

数字信号处理器内的芯片采用TMS320C28346芯片。

微处理器内的芯片采用S3C2440A芯片。

CAN接口采用的是CTM8251A芯片，485接口采用的是ADM2483芯片，温度检测模块采用PT100温度传感器。

SD卡接口采用11针卡座，以太网接口采用的是DM9000BI芯片，GPRS无线通讯模块采用Q2403A模块。

本实用新型的有益效果在于，

（1）本实用新型的变压器油色谱在线监测装置采用色谱分析原理，实现对变压器油中七种组分检测，整套在线监测装置集色谱数据采集、处理、分析、传输，电磁阀及加热元件的自动控制、有线与无线通讯技术于一体，通过对绝缘油中溶解气体的测量和分析，能检测油中七种气体组分（H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂），具有分析周期短并且可连续进行监测以及监测数据传输方式多样的优势。

（2）本实用新型的变压器油色谱在线监测装置能够及时发现和诊断变压器内部故障，当监测的气体浓度超过报警值或色谱仪出现故障时，将进行相应的报警，实现了对大型变压器内部运行状态的在线监控。

（3）本实用新型的变压器油色谱在线监测装置解决了变压器离线监测带来的各种问题，缩短了检测周期，节约了人工巡检成本，实现了对变压器的实时监测，提高了变压器的使用寿命。

（4）本实用新型的变压器油色谱在线监测装置实现各种状态量统一由一个设备监测采集，能够实时、准确和高速的监测变压器运行状况，并协调完成与变压器监控中心及站控层服务器的数据通讯。

附图说明

图1是本实用新型的变压器油色谱在线监测装置的结构图；

图2是本实用新型的变压器油色谱在线监测装置中电源模块的供电原理图；

图3是采用本实用新型的变压器油色谱在线监测装置进行在线监测时的操作流程图。

1.油气分离单元，2.气体分离检测单元，3.电源模块，4.数字信号处理器，5.微处理器，6.A/D转换器，7.CAN接口，8.485接口，9.JTAG接口，10.看门狗电路模块，11.温度检测模块，12.人机交互系统，13.实时时钟，14.SD卡接口，15.以太网接口，16.GPRS无线通讯模块，17.站控层服务器，18.信号采集及检测单元，19.处理控制及通信单元，20.色谱柱，21.气敏传感器，22.色谱柱加热器，23.服务器单元，24.监控中心。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型的变压器油色谱在线监测装置，其结构如图1所示，包括有信号采集及检测单元18、处理控制及通信单元19和服务器单元23，信号采集及检测单元18分别通过CAN总线、RS485总线与处理控制及通信单元19连接，处理控制及通信单元19分别通过RS485总线、以太网线与服务器单元23连接。

信号采集及检测单元18，其结构如图1所示，包括有通过油管连接在一起的油气分离单元1和气体分离检测单元2，油管上设置有电磁阀和循环油泵，油气分离单元1内设置有油气分离膜；气体分离检测单元2包括有通过气管依次连接的色谱柱20和气敏传感器21，色谱柱20通过导线与色谱柱加热器22连接。

处理控制及通信单元19，其结构如图1所示，包括有中央处理器（CPU）和电源模块3，中央处理器包括有数字信号处理器4（DSP）和微处理器5（ARM），数字信号处理器4和微处理器5之间通过SPI总线连接，数字信号处理器4分别外接有A/D转换器6、CAN接口7、485接口8、JTAG接口9及看门狗电路模块10，A/D转换器6通过四芯屏蔽线连接有温度检测模块11；微处理器5分别外接有人机交互系统12、实时时钟13（RTC）、SD卡接口14、以太网接口15、GPRS无线通讯模块16。

服务器单元23包括有监控中心24和站控层服务器17。

处理控制及通信单元19内数字信号处理器4外接的CAN接口7通过CAN总线与信号采集及检测单元18内的气体分离检测单元1连接，处理控制及通信单元19内数字信号处理器4外接的485接口8通过485总线与信号采集及检测单元18内的油气分离单元1连接，处理控制及通信单元19内微处理器5外接的以太网接口15通过以太网线与服务器单元23内的站控层服务器17连接，处理控制及通信单元19内微处理器5还通过RS485总线与服务器单元23内的监控中心24连接。

人机交互系统15包括有液晶显示装置和键盘。

本实用新型的变压器油色谱在线监测装置，其中的信号采集及检测单元18中的中央处理器（CPU）采用的是ARM+DSP双CPU结构，使本实用新型的变压器油色谱在线监测装置具有高效快速的处理能力和强大的实时监控功能。微处理器5采用三星公司的一款ARM9系列芯片S3C2440A，附加外围的人机交互系统12（键盘及液晶显示装置）、实时时钟13等硬件设备，用以完成整个在线监测装置的管理和控制，此外微处理器5还负责向数字信号处理器4发送指令、要求回传数据、对数据进一步处理、存储和显示、以及与数字信号处理器4和服务器单元23的通讯。其中数字信号处理器4采用德州仪器（TI）公司的2000系列TMS320C28346芯片，利用数字信号处理器4的高速运算和多种片上外设的特点完成变压器油中溶解气体状态的数据采集，并对采集来的数据进行计算和分析，同时实时响应微处理器5的请求，将数据处理的结果通过SPI总线发送给微处理器5。

电源模块3采用AC/DC电源转换芯片LH15-10D0512-04，如图2所示，电源模块3通过电源转换芯片LH15-10D0512-04将220V交流电转换成5V/2A和12V/400mA电压，其中12V/400mA电压留着备用，其中5V电压通过线性稳压芯片MIC29502BU转换为3.3V电压；3.3V的电压分别供给微处理器5、数字信号处理器4及各种外接设备（以太网接口电路、CAN接口电路和其他用电器件，如液晶显示装置等）供电；3.3V电压还通过隔离电源芯片B0305提供5V隔离电源为RS485总线接口供电；3.3V电压通过线性电压调节芯片LM1117-ADJ转换为1.5V和1.9V，其中1.5V供给GPRS无线通讯模块16，1.9V给数字信号处理器4内核供电。

CAN接口7采用的是CTM8251A芯片，CTM8251A是一款带隔离的通用CAN收发器芯片，该芯片内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收、发器件，主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平并且具有DC2500V的隔离功能。

485接口8采用的是ADM2483芯片，ADM2483是带隔离的增强型RS-485收发器，它包括一个三通道隔离器、一个带三态输出的差分驱动器和一个三态输入的差分接收器，其最高传输速率可达500Kbps。逻辑端兼容3V/5V工作电源，总线端5V供电。

温度检测模块11采用PT100温度传感器，通过对温度的监测自动控制色谱柱20及气敏传感器21的加热工作，保证了色谱柱20及气敏传感器21正常工作的温度条件。气体分离检测单元1中的气敏传感器21采用MQK010气敏传感器，其性能稳定、灵敏度高、响应和恢复时间短、抗冲击能力强。

JTAG接口9主要用于访问CPU的内部寄存器和挂在CPU总线上的设备。

SD卡接口14采用11针卡座，运行人员在变电站现场就可在变压器油色谱在线监测装置上通过SD卡接口把油中溶解气体含量的历史数据存入SD卡，SD卡即插即用，并且可取出放入PC机进行分析与备份，携带方便。

以太网接口15采用的是DM9000BI芯片，DM9000BI芯片是一个完全一体化的cost-effective Industrial-grade48引脚的单芯片快速以太网控制器，它和RJ45连接器HR911103A组成的主处理器实现与外部以太网设备之间通信。

GPRS无线通讯模块16采用Q2403A模块，实现与工作人员手机的无线通信。

油气分离单元1的脱气方式，采用渗透平衡的方法，通过油气分离膜将运行中的变压器绝缘油中溶解的特征气体分离出来，选用的是气体渗透系数大的聚四氟乙烯膜。

本实用新型的变压器油色谱在线监测装置的工作流程如图3所示：

首先，接通电源开启监测装置，监测开始，首先由外接的载气装置部分载入氮气，使氮气通过气管输送并充满至气体分离检测单元2内的气敏传感器21中，接着抽取出的变压器油，变压器油经过油气分离单元1中的油气分离膜进行脱气处理，将运行中的变压器油中溶解的特征气体分离出来，载气混合气体进入气体分离检测单元2，由气体分离检测单元2内的色谱柱20和色谱柱加热器21配合起来利用气相色谱原理实现七种混合气体的有效分离，此时气体分离检测单元2内的气敏传感器21再检测从变压器油中分解出的各种可燃性气体的浓度，并将其转化为数字信号输出给变压器油色谱在线监测装置的处理控制及通信单元19；由处理控制及通信单元19进行数据的采集、存储处理，再将经处理过的数据信息经RS485总线输送至服务器单元23内的监控中心24；监控中心24内集成有软件系统，经内置的专家系统诊断出油浸变压器可能存在的故障类型，并绘制出气体浓度趋势；此外处理控制及通信单元19还可以通过以太网与站控层服务器17进行通讯，实现远程监控与数据的维护，便于上级用户对系统监测结果的浏览和访问；另外，微处理器5外围搭建的GPRS无线通讯模块16，可以方便运行人员在个人手机上远程查看监测数据，监控设备状态；微处理器5外围搭建的SD卡接14口方便用户在变电站工作现场就地导出变压器油中气体含量的历史数据。

本实用新型的变压器油色谱在线监测装置中的信号采集及检测单元18的工作流程：

（1）接通电源启动变压器油色谱在线监测装置中的信号采集及检测单元18，由监测中心发送指令或通过手动按键启动；

（2）信号采集及检测单元18内油气分离单元1的电磁阀通电，载气首先进入气路中，使得载气充满气敏传感器21；

（3）色谱柱加热器22通电，色谱柱20和气敏传感器21开始升温并等待升温至要求的温度，该温度由处理控制及通信单元19内的温度检测模块11控制；

（4）处理控制及通信单元19采集信号采集及检测单元18内气敏传感器21输出的信号，并判断数据是否平稳；

（5）待数据平稳后变压器油中溶解气体开始进样，进入色谱柱20内，利用色谱柱20进行混合气体组分分离：在载气（氮气）的推动下，混合气体由色谱柱20入口移动到出口，在色谱柱20固定相作用下，混合气体分别成单一组分；

（6）经过一段时间后，色谱柱20将混合气体全部组分分离完成，此时停止数据采集，完成色谱检测；

（7）待色谱检测完成后，首先断开色谱加热柱，色谱柱20和气敏传感器21开始降温，待降至常温后关闭载气装置，停止载气；

（8）信号采集及检测单元18将数据传输给处理控制及通信单元19，由处理控制及通信单元19对数据进行保存和分析后上传至监控中心内的站控层服务器17，完成信号的采集与检测。

Claims

1.变压器油色谱在线监测装置，其特征在于，包括有信号采集及检测单元（18）、处理控制及通信单元（19）和服务器单元（23），所述信号采集及检测单元（18）分别通过CAN总线、RS485总线与所述处理控制及通信单元（19）连接，所述处理控制及通信单元（19）分别通过RS485总线、以太网线与所述服务器单元（23）连接。

2.根据权利要求1所述的变压器油色谱在线监测装置，其特征在于，所述服务器单元（23）包括有监控中心（24）和站控层服务器（17）。

3.根据权利要求1所述的变压器油色谱在线监测装置，其特征在于，所述信号采集及检测单元（18），包括有通过油管连接的油气分离单元（1）和气体分离检测单元（2），所述油管上设置有电磁阀和循环油泵，所述油气分离单元（1）内设置有油气分离膜，所述气体分离检测单元（2）包括有通过气管依次连接的色谱柱（20）和气敏传感器（21），所述色谱柱（20）通过导线与色谱柱加热器（22）连接。

4.根据权利要求3所述的变压器油色谱在线监测装置，其特征在于，所述油气分离单元（1）内的油气分离膜为聚四氟乙烯油气分离膜。

5.根据权利要求1所述的变压器油色谱在线监测装置，其特征在于，所述处理控制及通信单元（19），包括有中央处理器和电源模块（3），所述中央处理器包括有数字信号处理器（4）和微处理器（5），所述数字信号处理器（4）和所述微处理器（5）之间通过SPI总线连接；

所述数字信号处理器（4）分别外接有A/D转换器（6）、CAN接口（7）、485接口（8）、JTAG接口（9）及看门狗电路模块（10），所述A/D转换器（6）通过四芯屏蔽线连接有温度检测模块（11）；

所述微处理器（5）分别外接有人机交互系统（12）、实时时钟（13）、SD卡接口（14）、以太网接口（15）、GPRS无线通讯模块（16）。

6.根据权利要求1、2或5所述的变压器油色谱在线监测装置，其特征在于，所述处理控制及通信单元（19）内数字信号处理器（4）外接的CAN接口（7）通过CAN总线与所述信号采集及检测单元（18）内的气体分离检测单元（1）连接，所述处理控制及通信单元（19）内数字信号处理器（4）外接的485接口（8）通过485总线与所述信号采集及检测单元（18）内的油气分离单元（1）连接，所述处理控制及通信单元（19）内微处理器（5）外接的以太网接口（15）通过以太网与所述服务器单元（23）内的站控层服务器（17）连接，所述处理控制及通信单元（19）内微处理器（5）还通过RS485总线与所述服务器单元（23）内的监控中心（24）连接。

7.根据权利要求5所述的变压器油色谱在线监测装置，其特征在于，所述数字信号处理器（4）内的芯片采用TMS320C28346芯片。

8.根据权利要求5所述的变压器油色谱在线监测装置，其特征在于，所述微处理器（5）内的芯片采用的是S3C2440A芯片。

9.根据权利要求5所述的变压器油色谱在线监测装置，其特征在于，所述CAN接口（7）采用的是CTM8251A芯片，所述485接口（8）采用的是ADM2483芯片，所述温度检测模块（11）采用PT100温度传感器。

10.根据权利要求5所述的变压器油色谱在线监测装置，其特征在于，所述SD卡接口（14）采用11针卡座，所述以太网接口（15）采用的是DM9000BI芯片，所述GPRS无线通讯模块（16）采用Q2403A模块。