高精度免維護(hù)油色譜在線監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)

王勝輝，劉 暢，楊 芳，牛成玉，梁東森

(許繼電氣股份有限公司，河南許昌 461000)

0 引言

油色譜在線監(jiān)測是目前監(jiān)視變壓器運(yùn)行的重要手段之一，通過對變壓器油中溶解氣體的分析，判斷其運(yùn)行是否正常，并對設(shè)備內(nèi)部故障的部位和嚴(yán)重程度進(jìn)行預(yù)測[1]。但是目前油色譜在線監(jiān)測裝置在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多問題，裝置故障頻發(fā)，維護(hù)困難，需要定期到現(xiàn)場進(jìn)行人工校準(zhǔn)，使用高純度空氣或高純氮?dú)庾鳛檩d氣，載氣不足時(shí)需要立即更換鋼瓶，不僅增加大量人力成本,而且由于載氣問題造成的油色譜在線監(jiān)測產(chǎn)品退出運(yùn)行的隱患普遍存在，亟待解決[2-3]。結(jié)合目前現(xiàn)狀，為了更好地給智能運(yùn)維提供支撐，提出一種高精度免維護(hù)油色譜在線監(jiān)測裝置，采用空氣發(fā)生器替代鋼瓶載氣，高性能復(fù)合單色譜柱[4]，避免了氣路切換過程，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，定量進(jìn)樣提高了裝置檢測數(shù)據(jù)的重復(fù)性指標(biāo)，定期自校準(zhǔn)保證了裝置長期運(yùn)行檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1 整體設(shè)計(jì)方案

高精度免維護(hù)油色譜在線監(jiān)測裝置可實(shí)現(xiàn)載氣的免維護(hù)和定期自校準(zhǔn)。免油泵油路置換功能，通過脫氣油缸的復(fù)用實(shí)現(xiàn)了油路的置換，分析濃度和變壓器油中溶解氣體濃度保持一致；定量進(jìn)樣系統(tǒng)保證了檢測結(jié)果的重復(fù)性與一致性，可替代六通閥定量進(jìn)樣，是一種經(jīng)濟(jì)型的定量進(jìn)樣方案，通過組合閥動(dòng)作時(shí)間的精確控制，保證進(jìn)樣瞬間基線無抖動(dòng)；校準(zhǔn)模塊通過內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)氣體接入定量進(jìn)樣系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)定期對裝置氣體傳感器的定期校準(zhǔn)；通訊方面可以直接支持IEC 61850 通訊方式，不需要增加額外的規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置[5],系統(tǒng)方案圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案圖

2 裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 基于MPC8377的控制系統(tǒng)

PowerPC MPC8377是一款高性能速度快的處理器，支持各種功能豐富的應(yīng)用，是PowerQUICCTMII Pro 系列產(chǎn)品中具有高性價(jià)比的產(chǎn)品。該芯片采用90 nm工藝技術(shù)，其處理速度可達(dá)800 MHz，集成e300內(nèi)核、PCI、SATA 控制器，提供雙千兆以太網(wǎng)控制器。NOR FLASH配置4 Mbit 的SST29VF040-70-4C-NH 和512 Mbit 的S29GL512P11TFI020，并且支持?jǐn)U展SD 存儲，具備良好的擴(kuò)展能力，2 個(gè)光纖以太網(wǎng)口用于信息傳輸，1個(gè)電以太網(wǎng)口用于裝置的調(diào)試[6]，通過FPGA主要實(shí)現(xiàn)模擬量采集和對步進(jìn)電機(jī)的控制，通過CPLD主要實(shí)現(xiàn)開出控制和開關(guān)量采集，其中開出控制包括對各種電磁閥、真空泵和傳感器電源等?；贛PC8377的控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 基于MPC8377的控制系統(tǒng)

2.2 組合閥板式定量進(jìn)樣

全量進(jìn)樣由于每次脫氣量、進(jìn)樣量的不一致嚴(yán)重影響油色譜在線檢測裝置的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，一般采用氣動(dòng)六通閥控制氣流通斷和氣路切換實(shí)現(xiàn)脫出氣體的定量進(jìn)樣，但氣動(dòng)六通閥加工精度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。本文采用內(nèi)部設(shè)有氣流管路的組合閥板，通過外接的電磁閥和真空泵的定時(shí)開通關(guān)斷，對組合閥板內(nèi)不同氣路的通斷控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)真空集氣、定量和吹掃排殘組合功能，具有集成程度高、閥體體積小和結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。組合閥板結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 組合閥板結(jié)構(gòu)圖

2.3 基于反吹掃技術(shù)的免維護(hù)載氣發(fā)生器

載氣發(fā)生器現(xiàn)場輸出高純空氣，可直接替代傳統(tǒng)鋼瓶載氣安裝于油色譜裝置柜體內(nèi)，免去繁重的載氣人工維護(hù)工作量。采用反吹掃技術(shù)的免維護(hù)載氣發(fā)生器，可以延長過濾器的使用壽命，實(shí)現(xiàn)設(shè)備壽命周期的免維護(hù)。當(dāng)儲氣罐中壓力達(dá)到系統(tǒng)預(yù)設(shè)值時(shí)，空氣壓縮機(jī)停止工作，換向閥轉(zhuǎn)換為排放工位，水過濾器中壓力降為常壓，吸附劑中吸附的水分利用吸附平衡差解吸附，水過濾器中殘存的空氣對水過濾器反向吹掃，將水過濾器中液態(tài)水吹出水過濾器并通過排放口排出，水過濾器中的吸附劑可以再次利用，延長了水過濾器的使用壽命。免維護(hù)載氣發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 免維護(hù)載氣發(fā)生器

2.4 自動(dòng)校準(zhǔn)功能

自動(dòng)校準(zhǔn)可設(shè)置成定時(shí)啟動(dòng)，也可以現(xiàn)場手動(dòng)啟動(dòng)，包含2瓶標(biāo)準(zhǔn)氣體，標(biāo)氣1和標(biāo)氣2氣體濃度分別對應(yīng)了測量范圍的下限和上限，在配氣前打開真空泵對配氣缸進(jìn)行抽真空，保證配氣缸內(nèi)無剩余雜質(zhì)氣體，通過高精度流量控制器和2個(gè)標(biāo)氣閥的配合使用，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)混氣，自校準(zhǔn)模塊通過配氣閥2接入油色譜裝置定量進(jìn)樣模塊，從而實(shí)現(xiàn)了油色譜裝置的全量程自標(biāo)定。自動(dòng)校準(zhǔn)原理圖如圖5所示。

圖5 自動(dòng)校準(zhǔn)原理圖

3 裝置軟件設(shè)計(jì)

裝置在需要手動(dòng)校準(zhǔn)或自動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)啟動(dòng)校準(zhǔn)流程，首先在流量控制器和2個(gè)標(biāo)氣閥的配合下實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)混氣，然后通過配氣缸活塞上行，并打開配氣閥2，將混合氣體推入裝置定量進(jìn)樣模塊從而實(shí)現(xiàn)定量進(jìn)樣，在分析結(jié)果后和預(yù)置的標(biāo)定曲線進(jìn)行比較，如果差異較大，則根據(jù)分析結(jié)果對預(yù)置的標(biāo)定曲線進(jìn)行調(diào)整。

在不啟動(dòng)校準(zhǔn)流程時(shí)，裝置可以手動(dòng)或定時(shí)啟動(dòng)分析檢測流程，首先通過油路置換將變壓器油循環(huán)至裝置內(nèi)，然后通過真空脫氣將油中溶解的氣體脫出，脫出的氣體進(jìn)入定量進(jìn)樣模塊后實(shí)現(xiàn)氣體的定量分析，經(jīng)過色譜柱對混合氣體進(jìn)行排序后由氣體傳感器檢測出各個(gè)氣體成分對應(yīng)的濃度值。程序流程圖如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以一組總烴濃度≥50 μL/L的油樣測試結(jié)果為例，可見裝置在測量誤差和重復(fù)性測試方面均4表現(xiàn)優(yōu)異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

5 結(jié)束語

高精度免維護(hù)油色譜在線監(jiān)測裝置與傳統(tǒng)油色譜在線監(jiān)測裝置相比，檢測精度高，具備自動(dòng)校準(zhǔn)功能，裝置長期運(yùn)行的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好，大幅減少了油色譜日常維護(hù)的次數(shù)；使用載氣發(fā)生器替代了鋼瓶載氣，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場載氣免維護(hù)，不僅省去了需要定期到現(xiàn)場更換載氣的運(yùn)維工作量，而且可源源不斷制造載氣，載氣發(fā)生器儲氣罐壓力在0.4 MPa左右，與鋼瓶載氣壓力在12 MPa以上相比，設(shè)備調(diào)試和運(yùn)行過程無安全隱患。高精度免維護(hù)油色譜在線監(jiān)測裝置檢測精度高，長期運(yùn)行穩(wěn)定性好，維護(hù)簡便，具有實(shí)際推廣價(jià)值。

圖6 程序流程圖

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果