一种油浸式电力变压器在线监测装置及方法与流程

1.本发明涉及变压器监测领域，具体涉及一种油浸式电力变压器在线监测装置及方法。


背景技术：

2.电力变压器绝缘纸在老化降解的过程中，会伴随生成碳氧气体、糠醛、醇类物质等老化特征产物，并且与绝缘纸的聚合度有很强的关联性。
3.利用油中老化产物评估变压器纸绝缘老化程度的方法避免了对变压器停电吊芯取纸，具有更大的实际应用价值。目前，使用油中醇类(主要是甲醇和乙醇)评估纸绝缘老化状态是最新一代的评估方法，甲醇的产生与绝缘纸降解程度有很强的关联性，乙醇能够反映变压器中热点的存在，这是其他老化特征产物所不具备的优势。
4.当前检测油中特征产物的主要方法是将绝缘油从变压器中取出，将样本送入实验室检测，属于离线式检测方法。该检测方法具有多种缺陷：(1)醇类属于挥发性有机物，在取样过程中可能会因外界环境的影响而出现损耗；(2)运送到实验室检测需要增加时间，这导致故障的评估不够及时准确；(3)现场取样对工作人员的要求较高，可能需要多个工作人员的配合，在恶劣天气下会出现无法取样的情况；(4)变压器本身带电，取样过程中工作人员有安全风险。
5.在利用醇类评估纸绝缘老化状态的基础上将其实现在线化检测不仅可以做到无损，而且能够提升变压器的故障诊断水平，增强发现故障的及时性，有效保护工作人员安全，具有重要的应用价值。
6.变压器油色谱分析技术是不可或缺的重要检测项目，能够根据油中成分和含量变化及时发现内部潜伏性故障，是判断变压器运行状态的重要依据。若能够实现对绝缘油全自动取样并实时分析其成分和含量变化，对结果的有效性和工作人员的安全性都有更好的保证。通过对结果及时分析、反馈，及时发现并处理故障，将会使变压器的安全性得到进一步的提高，对整个电力系统自动化水平的提高也起到了重要的作用。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是提供一种油浸式电力变压器在线监测装置及方法，对油浸式变压器的绝缘进行在线监测。
8.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
9.一种油浸式电力变压器在线监测装置，包括依次连接的取样单元、顶空处理单元、气相色谱监测单元和数据处理单元，顶空处理单元内置有样本仓，样本仓一端与待监测的变压器的连接，样本仓和气相色谱监测单元通过传输线连接，废油回收单元与样本仓和待监测的变压器连接，控制单元与取样单元、顶空处理单元、气相色谱监测单元、废油回收单元电连接，控制单元与数据处理单元通讯连接，通过取样单元提取待检测的变压器内的绝缘油至样本仓，样本仓内绝缘油经过顶空处理单元处理后上层气体进入气相色谱监测单元
进行色谱监测，并将检测结果传送至数据处理单元，控制单元通过甲醇或者乙醇的含量判断是否发出报警信号。
10.上述的废油回收单元包括空白绝缘油仓和废油净化存储单元，空白绝缘油仓与样本仓输入端连接，废油净化存储单元与样本仓输出端连接。
11.上述的样本仓外包裹有保温层。
12.上述的数据处理单元和云端服务器通讯连接，云端服务器和控制单元通讯连接。
13.上述的样本仓和待监测的变压器之间通过绝缘接头连接。
14.使用上述的油浸式电力变压器在线监测装置的监测方法，监测的额具体步骤为：
15.步骤一、在控制单元设定样本取样体积、顶空炉温、平衡时间、气体传输线温度以及气相色谱监测单元的检测条件；
16.步骤二、取样单元抽取设定的样本取样体积的绝缘油至样本仓，随后顶空处理单元对样本仓顶空加热至设定的顶空炉温，并按照设定的平衡时间保持炉温；
17.步骤三、抽取样本仓上层气体，通过传输线送入气相色谱监测单元，传输线温度保持在设定温度；
18.步骤四、气相色谱监测单元对气态样本按照设定的检测条件进行气相色谱检测，检测后的结果送至数据处理单元；
19.步骤六、数据处理单元记录油中甲醇、乙醇的峰面积，并通过计算得出当次检测含量；
20.步骤七、数据处理单元将检测数据传送至控制单元，控制单元通过甲醇或乙醇含量判断是否发出报警信号，同时数据处理单元将数据详细记录，上传至云端服务器，生成趋势图，便于运维人员查看；
21.步骤八、检测完毕后的取样绝缘油输出至废油净化存储单元进行净化存储，可以重新加入变压器中；
22.步骤九、控制单元向空白绝缘油仓发出指令，空白绝缘油仓向样本仓输出空白绝缘油进行冲洗，冲洗后的废油进入废油净化存储单元进行净化存储，可以重新加入变压器中。
23.上述的步骤六中数据处理单元计算样本绝缘油中甲醇或乙醇含量方法为:
24.样本仓内为密闭空间，密闭空间的液体样本在加热状态下会产生挥发现象，气相部分与液相部分在充足时间达到平衡，此时气相部分中各组分所占比例与原来样本所占比例呈正比例关系，仅抽取平衡后的气相部分便可得出其原本占比，该原理满足以下关系式：
[0025][0026]
上式中，k表示物质在气液两相间的浓度分配系数，c
l
为液相中待测组分浓度，c
g
为气相中待测组分浓度；
[0027]
同时，相体积比满足下式：
[0028][0029]
上式中，β表示物质在气液两相间的体积分配系数，v
g
为平衡状态时顶空气相体
积，v
l
为平衡状态时液相体积；
[0030]
样本仓(11)作为密闭空间，气液两相体积之和即为样本仓(11)容积，满足下式：
[0031]
v＝v
l
v
g
＝v0 v
g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0032]
样本仓(11)中，无论气液两相如何平衡，被测组分含量始终保持不变，满足下式：
[0033]
c0v0＝c0v
l
＝c
l
v
l
c
g
v
g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0034]
将式(1)式代入(4)式，可得：
[0035]
c0v0＝c0v
l
＝kc
g
v
l
c
g
v
g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0036]
将(5)式变形，可得：
[0037][0038]
进一步化简，得：
[0039][0040][0041]
由于k和β为常数，因此，c
g
与c0的关系可表示为：
[0042]
c
g
＝k'c0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0043]
上述的步骤一中，样本取样体积为10ml，顶空炉温为90℃，平衡时间为40min，气体传输线温度为100℃。
[0044]
上述的步骤一中，气相色谱检测条件为：：柱箱温度40℃，载气：he气，载气流速1.02ml/min，接口温度250.0℃，吹扫流量3.0ml/min，色谱柱型号：vf
‑
624ms，60m
×
0.25mm
×
0.14μm，柱箱温度设置为从45℃(保持10min)以5℃/min的速率升至约220℃(保持30min)。
[0045]
本发明提供的一种油浸式电力变压器在线监测装置及方法，具有如下有益效果：1)实现取样的自动化，提高了取样与检测效率，减少了人工参与，保证了工作人员的安全，同时减小了受外界环境和人工取样影响带来的误差；
[0046]
2)实现实时监控，缩短了检测时间；
[0047]
3)数据存储，方便查询，可提供油中产物变化趋势，便于预测变压器运行状态；
[0048]
4)具有报警功能，当产物含量超出预设值，可发出报警信号；
[0049]
5)废油回收功能，检测后的废油进入回收系统降解处理，防止对空气的污染；
[0050]
6)自动清洗功能。每次检测完后自动清洗检测系统；
[0051]
7)支持网络远程管理及大数据分析；
[0052]
8)支持多种电源，包括光伏板供电、220v市电接入；
[0053]
9)油样检测采用顶空处理，避免了样本对检测系统的污染。
附图说明
[0054]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
[0055]
图1为本发明检测装置系统原理图；
[0056]
图2为消谐控制电路的连接示意图；
[0057]
图3为在线监测的流程图。
[0058]
其中：取样单元1、样本仓11、保温层12、顶空处理单元2、气相色谱监测单元3、数据处理单元4、云端服务器5、废油回收单元6、空白绝缘油仓61、废油净化存储单元62、控制单元7。
具体实施方式
[0059]
以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。
[0060]
如图1
‑
2中所示，一种油浸式电力变压器在线监测装置，包括依次连接的取样单元1、顶空处理单元2、气相色谱监测单元3和数据处理单元4，顶空处理单元2内置有样本仓11，样本仓11一端与待监测的变压器的连接，样本仓11和气相色谱监测单元3通过传输线连接，废油回收单元6与样本仓11和待监测的变压器连接，控制单元7与取样单元1、顶空处理单元2、气相色谱监测单元3、废油回收单元6电连接，控制单元7与数据处理单元4通讯连接，通过取样单元1提取待检测的变压器内的绝缘油至样本仓11，样本仓11内绝缘油经过顶空处理单元2处理后上层气体进入气相色谱监测单元3进行色谱监测，并将检测结果传送至数据处理单元4，控制单元7通过甲醇或者乙醇的含量判断是否发出报警信号。
[0061]
上述的废油回收单元6包括空白绝缘油仓61和废油净化存储单元62，空白绝缘油仓61与样本仓11输入端连接，废油净化存储单元62与样本仓11输出端连接。
[0062]
上述的样本仓11外包裹有保温层12。
[0063]
气相色谱监测单元3的工作原理为：色谱柱中的涂层固定相具有吸附作用，气态的各组分进入色谱柱后，由于自身物理、化学性质的不同，与固定相的相互作用力不同，因此通过色谱柱的时间不同，在色谱图中有着不同的保留时间出峰时间。
[0064]
数据处理单元4在得到色谱图后，计算被测物质的含量，并详细记录、对比各检测时间时被测物质含量，得到变化趋势，以便于分析变压器内部过热故障的原因，数据处理单元4通过通信线路将数据上传至云端服务器，运行维护人员进一步分析数据，若变压器需要维护，运行人员下达停机指令，将变压器停止运行。
[0065]
上述的数据处理单元4和云端服务器5通讯连接，云端服务器5和控制单元7通讯连接。
[0066]
上述的样本仓11和待监测的变压器之间通过绝缘接头连接，通过绝缘接头，可将样本仓11和变压器壳体之间绝缘，防止变压器监测时绝缘问题，样本仓11和变压器壳体之间无导体连接，可使变压器邮箱壳体和样本仓11作为独立的个体，样本仓11为不带电部分。
[0067]
如图3中所示，使用上述的油浸式电力变压器在线监测装置的监测方法，监测的具体步骤为：
[0068]
步骤一、在控制单元7设定样本取样体积、顶空炉温、平衡时间、气体传输线温度以及气相色谱监测单元3的检测条件；
[0069]
步骤二、取样单元1抽取10ml的绝缘油至样本仓11，顶空炉温保持在90℃，平衡时间保持为40min；
[0070]
步骤三、抽取样本仓11上层气体，通过传输线送入气相色谱监测单元3，传输线温度保持在100℃；
[0071]
步骤四、气相色谱监测单元3对气态样本进行气相色谱检测，检测条件为：
[0072]
气相色谱条件：柱箱温度40℃，载气：he气，载气流速1.02ml/min，接口温度250.0℃，吹扫流量3.0ml/min，色谱柱型号：vf
‑
624ms，60m
×
0.25mm
×
0.14μm，柱箱温度设置为从45℃保持10min以5℃/min的速率升至约220℃保持30min，检测后的结果送至数据处理单元4；
[0073]
步骤六、数据处理单元4记录油中甲醇、乙醇的峰面积，并通过计算得出当次检测含量；
[0074]
步骤七、数据处理单元4将检测数据传送至控制单元7，控制单元7通过甲醇或乙醇含量判断是否发出报警信号，同时数据处理单元4将数据详细记录，上传至云端服务器5，生成趋势图，便于运维人员查看；
[0075]
步骤八、检测完毕后的取样绝缘油输出至废油净化存储单元62进行净化存储，可以重新加入变压器中；
[0076]
步骤九、控制单元7向空白绝缘油仓61发出指令，空白绝缘油仓61向样本仓11输出空白绝缘油进行冲洗，冲洗后的废油进入废油净化存储单元62进行净化存储，可以重新加入变压器中。
[0077]
上述的步骤六中数据处理单元4计算样本绝缘油中甲醇或乙醇含量方法为:
[0078]
样本仓11内为密闭空间，密闭空间的液体样本在加热状态下会产生挥发现象，气相部分与液相部分在充足时间达到平衡，此时气相部分中各组分所占比例与原来样本所占比例呈正比例关系，仅抽取平衡后的气相部分便可得出其原本占比，该原理满足以下关系式：
[0079][0080]
上式中，k表示物质在气液两相间的浓度分配系数，c
l
为液相中待测组分浓度，c
g
为气相中待测组分浓度；
[0081]
同时，相体积比满足下式：
[0082][0083]
上式中，β表示物质在气液两相间的体积分配系数，v
g
为平衡状态时顶空气相体积，v
l
为平衡状态时液相体积；
[0084]
样本仓(11)作为密闭空间，气液两相体积之和即为样本仓(11)容积，满足下式：
[0085]
v＝v
l
v
g
＝v0 v
g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0086]
样本仓(11)中，无论气液两相如何平衡，被测组分含量始终保持不变，满足下式：
[0087]
c0v0＝c0v
l
＝c
l
v
l
c
g
v
g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0088]
将式(1)式代入(4)式，可得：
[0089]
c0v0＝c0v
l
＝kc
g
v
l
c
g
v
g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0090]
将(5)式变形，可得：
[0091]
[0092]
进一步化简，得：
[0093][0094][0095]
由于k和β为常数，因此，c
g
与c0的关系可表示为：
[0096]
c
g
＝k'c0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)。