溶解气体在线智能监测诊断装置及其方法

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技术领域：\n本发明涉及充油电气设备油中溶解气体的在线智能监测及故障诊断的装置及方法，特别用于变压器油 中溶解气体在线智能监测与故障诊断。\n背景技术：\n油浸式电气设备特别是变压器不仅是属于电力系统中最重要的和最昂贵的设备，也是导致电力系统事 故最多的设备之一，因此，国内外不仅要定期作以预防性试验为基础的预防性维护，而且相继都在研究以 在线监测为基础的预知性维护策略，对于充油电气设备，如大型电力变压器，目前大多是用油来绝缘和散 热，变压器油与油中的固体有机绝缘材料(纸和纸板等)在运行电压下因电、热、氧化和局部电弧等多种 因素作用会逐渐变质，裂解成低分子气体；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 断地溶解在油中。同一类性质的故障，其产生的气体量随故障的严重程度而异，而与绝缘油的种类和牌号 无关。由此可见，油中溶解气体的一组分和含量在一定程度上反映出变压器绝缘老化或故障的程度，可以 作为反映电气设备电气异常的特征量。\n从预防性维修体系形成以来，电力运行部门通过对运行中的油浸式电气设备定期分析其溶解于油中的 气体组分、含量及产气速率，总结出了能够及早发现变压器内部存在潜伏性故障、判断其是否会危及安全 运行的方法即油中气体分析法。之后，国内外先后推出了在线监测多种气体的装置。日本三菱公司最先推 出能在线监测H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6六种气体的装置，加拿大也做出类似的装置。中国发明专利申 请号为96115121.8，申请日为96022-8、发明名称《变压器油中溶解气体色谱在线分析装置》包括储氢钢 瓶、净化器、色谱柱、氢焰放大器、真空泵、波纹脱气室、储气室、真空表、六通阀、定量管、热导池、 浮子流量计、微量阀、气泵、手工进样阀、热导放大器、毛细管、压力表、离子头、转化器和铂电阻。虽 然该装置也做到了在线分析，但只是常规的油色谱分析法的简单变形，无论从油气分离和气体检测方面都 没有从常规的色谱分析法上作根本变革，从取油样到分析，作业程序复杂，花费的时间和费用较高，在技 术经济上不能适应电力系统发展的需要；检测周期长，不能及时发现潜伏性故障和有效的跟踪发展趋势； 由于上述原因，不能充分发挥油中气体分析法的有效性和优点。\n发明内容：\n本发明的目的在于提供一种溶解气体在线智能监测诊断装置及其方法，以便直接在充油电气设备现场 实现定时高灵敏度和高精度抗干扰的在线智能监测，及时掌握其运行情况，发现和跟踪潜伏性故障，并对 设备故障自动进行诊断，以便及时排除故障，提高其运行的可靠性。\n本发明的目的通过以下技术方案实现。\n溶解气体在线智能监测诊断装置的技术方案：\n该装置包括与油气分离机构连接，并受微机控制的载气机构和抽真空机构；其特征在于该装置包括油气分 离机构，与该机构连接的气体检测机构，与气体检测机构连接的微机控制诊断机构；气体检测机构包括气 体恒温分离机构，与其连接的气电转换机构，使油气分离机构产生的气体经气体分离恒温机构进入气电转 换机构；微机控制诊断机构包括与气电转换机构中的信号初始处理板上的接线电路的输出端连接的前置信 号处理电路，与该电路的输出端对应连接的信号采样储存电路，与信号采样储存电路对应连接的数据处理 诊断电路，与数据处理诊断电路连接的自动控制电路和软件复位电路，与自动控制电路连接的气体检测机 构的电气接线电路；所属油气分离机构包括空心底座，装在该空心底座上且与其密封的气体渗透机构，装 在该机构上的电磁六通阀和4号电磁二通阀，并使二者均与气体渗透机构中的渗透气室连通，电磁六通阀 7上装有测量管和两个密封接口，4号电磁二通阀上也装有密封接口；所属气体渗透机构包括夹在左、右补 强板之间的气体渗透膜，并通过连接件固定在空心支座的台阶孔内，每一补强板上分布有直径为3-7mm的 圆形通孔，其最佳直径为5mm的小通孔，空心支座的台阶孔上装有密封的盖板，且使补强板与盖板之间形 成渗透气室，通过连接件，将盖板上的支承板、盖板、空心支座固定在空心底座上；所属气体检测机构包 括气体恒温分离机构，气体恒温分离机构包括恒温箱，装在该箱内的加热器和气体分离柱，气体分离柱的 一端连接电磁六通阀上的密封接口，其另一端接三通组件，装在恒温箱上的温度传感器和风扇，使温度传 热器与温度表连接，由微机控制恒温箱内的工作温度；与气体恒温分离机构连接的气电转换机构，气电转换 机构包括与三通组件连接的2号电磁二通阀和3号电磁二通阀，这两个阀分别接密封的1号检测室和2号 检测室，这两个检测室的旁边装有检测主板，在每一检测室所对应的检测主板上互成120°的位置各装了 一气体传感器组成一组气体传感器，各传感器的输入端与对应的检测室内的气体接触，各输出端分别与信 号初始处理板上接线电路的输入端连接；所属微机控制诊断机构包括与气电转换机构中信号初始处理板上 的接线电路输出端连接的前置信号处理电路，前置信号处理电路包括放大器LM1458、数字开关4051，电 阻、电容、二极管及接插件，信号初始处理板上的接线电路的输出信号经前置信号处理电路信号输入端输 入，由放大器和电阻组成的信号放大电路后，经由放大器、电阻、电容组成的信号滤波处理电路，再经二 极管组成的钳压电路后接数字开关4051，数字开关4051的A、B、C脚分别与信号采样储存电路的地址锁 存器74HC75的第10、第15、第16脚连接，其IN脚与采样片的第13脚连接；与前置信号处理电路的输 出端对应连接的信号采样储存电路，信号采样储存电路包括采样片AD574A、储存片62256、地址锁存器 74HC75、逻辑芯片74HC00、74HC02，电阻、电容和接插件，采样片AD574A的各数据端DB0-DB11通过相应 的数据总线与储存片62256的数据端D0-D7和电阻排RR1的8个相应的电阻连接，8个电阻的另一端同时连 接后接+5V电源，其控制脚CE、R/C分别与逻辑芯片74HC00的输出脚3、6相连； 其控制管脚AO/SC、CS1、STATUS通过控制线分别与数据处理、诊断电路的AO/SC、 CS1、STATU脚相连，其第10、12脚各接一电位器W2、W3，均与其第8脚连接组成校正电路，储存 片62256的A0-A13地址脚通过各自的地址线与数据处理、诊断电路的地址脚A0-A13对应连接，其控 制脚 OE、 WE作为两个逻辑芯片74HC00的输入端控制其输出，其选通端 通过选通线与数据 处理、诊断电路的 端连接，地址锁存器74HC75的D0-D2脚与数据总线的D0-D2连接，分别对应控制 地址锁存器74HC75的输出端A、B、C，其第13、4脚均与逻辑芯片74HC02的输出第4脚连 接，逻辑芯片74HC02的输入端的第6脚与数据处理、诊断电路中的译码器74HC138的 第13脚连接，其第5脚与数据处理、诊断电路中的储存片62256的 WE脚连接；与信号采样储存电路 对应连接的数据处理诊断电路，数据处理诊断电路包括CPU80C31、逻辑芯片74HC04、 74HC02、地址锁存器74HC75、74HC373、译码器74HC138、程序存贮器27C64、电阻及接插件， CPU80C31的第1组I/O线P10-P17分别通过逻辑芯片74HC04与控制脚C1-C8连接，其第0组I/O 线P00-P07与数据总线和地址锁存器74HC373和程序存贮器27C64的数据端D0-D7对应连接，其第2组 I/O线P20-P22分别与地址总线A8-A10，地址锁存器74HC75的第2、3、6脚、程序存贮器的第25、 24、21脚连接，地址锁存器74HC75的第16、15、10脚对应接地址总线A12-A14，其第2组I/O 线中的P23与程序存贮器27C64的第23脚、地址总线A11连接，第2组I/O线P24与译码器 74HC138的第1脚、程序存贮器27C64的第2脚连接，第2组I/O线P25-P26与译码器74HC138 的第2、3脚连接，其第2组I/O线中的P27与译码器74HC138的第4、5脚连接，CPU80C31的第30脚 与地址锁存器74HC373的第11脚连接，80C31的第29脚接程序存贮器27C64的第22脚， CPU80C31的第16脚与逻辑芯片74HC02的第2脚连接，地址锁存器74HC373的输出端Q0-Q7与程序存 贮器的A0-A7对应连接后接地址线，CPU80C31的x1、x2脚与一晶片及电容C13、C14共同组成一个晶振 回路，地址锁存器74HC75的第13、4脚均与逻辑芯片74HC02的第1脚连接，地址锁存器74HC75的 第5脚接+5V电源和电容后再接地址锁存器74HC75的第12脚后接地，译码器 74HC138第16脚接+5V电源，其通过不同的逻辑关系使其输出端Y0-Y7具有不同的电平，其中Y2-Y6 端分别与接插件的Y2、 3770E、CS、CS1脚连接，其Y5端与逻辑芯片74HC02的第3脚连 接；与数据处理诊断电路连接的自动控制电路和软件复位电路，自动控制 电路包括显示芯片74HC377，两片逻辑芯片74HC03、两片隔离芯片TLP521-4、驱动芯片MC1413、 电阻、电容、二极管和接插件，显示芯片74HC377的输入端D5-D7脚分别与数据处 理、诊断电路的数据总线D5-D7连接，其控制脚CLK、 OE分别与数据处理、诊断 电路中CPU80C31的 WR、译码器的3770E脚连接，其输出端分别与发光二极管的低压端连接，控 制发光二极管发光，两片逻辑芯片74HC03的输入端C1-C8分别受数据处理、诊断电路的C1-C8控制 端的控制，两片逻辑芯片74HC03的输出端通过逻辑关系与两片隔离芯片TLP521-4的输入端对应脚连 接，两片隔离芯片TLP521-4的输出端通过控制关系与驱动芯片MC1413的输入 端对应连接，其输出端分别与检测机构的电气接线电路的dy、rt1、rt2、rt3、 rt4、ltv、+24V电源对应连接，所有逻辑芯片74HC03、隔离芯片TLP521-4的弱电 高电平通过各自的150Ω上拉电阻接+5V电源，强电高电平通过各自的4.7KΩ上 拉电阻接入+24V电源，第2片隔离芯片TLP521-4的第8脚与检测机构的电气接 线电路的WK端连接；软件复位电路包括4片逻辑芯片74HC00、电阻、电容、开关及二极管， 该电路的C9、C10端分别与数据处理及诊断机构中的CPU80C31的第12、9脚连接， 四片逻辑芯片74HC00组成一组复位电路，第1片逻辑芯片74HC00的第1脚与二极管的 负极连接，其第2脚与一电阻一端、电容和其第1脚连接，电容的另一端接地，二极管的正极接C9端，电 阻的另一端线接电阻后接+5V电源，二极管的正极接在两个电阻的连线上，其第3脚 与逻辑芯片74HC00的第4、5脚和逻辑芯片74HC00的第10脚连接，其第6脚接一电阻的一端，电阻的 另一端接一电容的正极和逻辑芯片74HC00的第9脚，电容的另一端接地，逻辑芯片 74HC00的第8脚接逻辑芯片74HC00的第12、13脚，其第11脚接二极管的正极，其负极接一电阻和C10 端，该电阻的另一端接另一电阻和电容负极，电容的正极接+5V电源后与开 关S1连接；电气接线电路：与自动控制电路连接的气体检测机构中的电气接线 电路，电气接线电路包括继电器KA1-KA8，开关元件K′A1-K′A8，发光二极管 EL11-EL18、电源保险、电源开关及接插件，继电器KA1-KA8分别对应控制开关 元件K′A1-K′A8，K′A1-K′A8开关分别控制主电源、微型空气泵、2号电磁二通阀、 3号电磁二通阀、电磁六通阀、4号电磁二通阀及真空泵的开通或关闭，恒温箱的温度和风扇的开关，发 光二极管EL11-EL18的正极分别与继电器KA6、KA5、KA7、KA8、KA1-KA4对应连接，二极管 EL11-EL18的负极分别与自动控制电路的接插件的dy、rt1、rt2、rt3、rt4、wk端对应连 接。\n使用上述装置进行在线智能监测/诊断方法的技术方案：\n1)溶解气体在线智能监测的每一循环过程按以下顺序进行：\n(1)使溶解气体在线智能监测装置处于待机状态；\n(2)溶解气体在线智能监测装置中的油气分离机构进行气体渗透时，使气体压力达到动态平衡的时间 为2-5天；\n(3)气体压力达到动态平衡时，开气体检测机构主电源；\n(4)使气体检测机构转成检测状态显示；\n(5)使气体检测机构中的恒温箱内的温度达到设定温度50℃±2℃；\n(6)当恒温箱内的温度达到设定温度时，开微型空气泵、开3号电磁二通阀，通过载气机构对2号检 测室通过滤后的空气，延时1-2分钟，使该检测室上的的气体传感器处于稳定工作状态；\n(7)关3号电磁二通阀，开2号电磁二通阀，通过载气机构对1号检测室通过滤后的空气，延时1-2 分钟，使该检测室上的气体传感器处于稳定工作状态；\n(8)开电磁六通阀，使油气分离机构中的气体与载气通路相连，并随过滤后的空气经过气体分离恒温 机构，多通组件，2号电磁二通阀进入1号检测室，通过该检测室上的一组气体传感器分别检测出H2、CO、 CH4气体信号，或检测其中一种或二种气体信号，这些信号经信号初始处理板上的接线电路送入微机，微 机控制T1定时器开，并对其采样、处理和储存；\n(9)采样时间40-60秒；\n(10)采样时间到后，关T1定时器；\n(11)关2号电磁二通阀，开3号电磁二通阀，并延时20-40秒钟；\n(12)通过2号检测室上的一组气体传感器，分别检测出C2H4、C2H2、C2H6气体信号，或检测其中一种 或二种气体信号，这些信号经信号初始处理板上的接线电路送入微机，微机控制T1定时器开，并对其采样、 处理和储存；\n(13)采样时间2-2.5分钟；\n(14)采样时间到后，关T1定时器；\n(15)关3号电磁二通阀，电磁六通阀和微型空气泵；\n(16)开4号电磁二通阀和真空泵，抽真空6-10秒；\n(17)关4号电磁二通阀及真空泵；\n(18)关气体检测机构主电源，使整个装置处于待机状态。\n2)溶解气体在线智能诊断的方法按以下步骤进行：\n(1)将在线智能监测流程得出的被测气体的浓度值与已定的标准值进行比较，当被测气体的浓度值全 部小于标准值时，被监测设备运行正常，已定的标准值由我国现行的DL/T722-2000《导则》规定；\n(2)当被测气体的浓度值中有大于已定标准值浓度时，则计算： $\tilde{A}=a_i=\frac{C_i}{\mathrm{Coi}}$\n——输入向量，ai——输入向量的各元素，C1——一组具体的气体浓度实测值的三个比值C2H2/C2H4， CH4/H2，C2H4/C2H6分别隶属于各个编码组合的隶属度大小，三个比值C2H2/C2H4，CH4/H2，C2H4/C2H6是根据 国际电工委员会IEC和我国现行的DL/T722-2000《导则》规定的，Coi——最大标准值或允许值，一般取1， i——角标(i＝1，2，3，……27)；\n(3)计算 $\tilde{B}=\tilde{A}O\tilde{R}$\n其中： ——输出向量， ——输入向量， ——模糊关系矩阵，O——糊数学理论中的一种合成\n运算符号，\n\n其中：\n编码组合共为27组，分别为000，001，002，010，011，012，020，021，022，100，101，102，110， 111，112，120，121，122，200，201，202，210，211，212，220，221，222，编码规则见我国现行的DL/T722-2000 《导则》，\nR01，R02，R03，…，R08，R09表示000编码组合属于9种故障的隶属度，\nR11，R12，R13，…，R18，R19表示001编码组合属于9种故障的隶属度，\n……\nR261，R262，R263，…，R268，R269表示222编码组合属于9种故障的隶属度；\n9种故障分别为：局部放电，低温过热(＜150℃)，低温过热(150℃-300℃)，中温过热(300℃-700 ℃)，高温过热(＞700℃)，火花放电、火花放电兼过热，电弧放电，电弧放电兼过热；\n隶属度是模糊数学理论中的专用词，定义如下：在论域U上给定的一个映射A：u→〔0，1〕，u→A(u)， 则称A为U上的模糊集，A(u)称为u对A的隶属度。\n(4)输出向量\n(5)判断故障类型；\n(6)输出结果。\n本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：\n本发明可同时在线监测油中六种溶解气体，也可检测六种溶解气体中的一种或二种或三种或四种或五 种气体，监测周期2-3天，监测灵敏度C2H2为1ppm，CO为25ppm，其余四种气体为10ppm，所有气体的监 测精度±10％，采用双屏蔽同轴电缆传输信号，抗干扰能力强，既可作单机运行，也可与变电站电气设备 工况在线监测系统联机运行。\n本发明技术效果与现有技术的比较：   单位     技术方案   检测   周期   检测气体范围   检测灵敏度     特点 日  本 高聚膜渗透气体，用 半导体气敏元件检 测，无故障诊断   7-10天   H2、CO、CH4、C2H2、   C2H4、C2H6   15-20ppm   检测周期长 加拿大 高聚膜渗透气体，用 半导体气敏元件检 测，无故障诊断   24小时   H2、CO、C2H2、C2H4   25ppm   灵敏度低，检   测气体种类少 本装置 高聚膜渗透气体，用 半导体气敏元件检 测，模糊方法诊断故 障   2-3天   H2、CO、CH4、C2H2、   C2H4、C2H6  C2H2(1ppm)、  H2、CH4、C2H4、  C2H6(10ppm)  CO(25ppm)   检测周期短，   灵敏度高，检   测气体种类多\n附图说明：\n图1为本发明的装置结构框图；\n图2为本发明的装置中的油气分离机构的结构图；\n图3为油气分离机构中的底座的左视图；\n图4为图3中的A-A剖面图；\n图5为油气分离机构中的底座的右视图；\n图6为油气分离机构中的补强板的主视图；\n图7为补强板的左侧图；\n图8为气体检测机构的主视图；\n图9为气电转换机构的主视图；\n图10为气电转换机构的俯视图；\n图11为检测主板上的视图；\n图12为检测主板B-B剖面图；\n图13为气体检测机构的电气接线电路图；\n图14为信号初始处理板上的接线电路图；\n图15为智能监测流程图；\n图16为智能诊断流程图；\n图17为前置信号处理电路图；\n图18为溶解气体的自动监测与诊断原理图；\n图19为图18中的软件复位原理图的放大图；\n图20为图18中的信号采样原理图的放大图；\n图21为图18中的自动控制原理图的放大图；\n图22为图18中的数据处理诊断原理图的放大图。\n在图1至图12中：\n1-过滤器             2-微型空气泵        3-过滤器            4-稳压器\n5-稳压阀             6-气体流量表        7-电磁六通阀        8-测量管\n9-补强板             10-渗透气体膜       11-渗透气室         12-气体分离柱\n13-三通组件          14-2号电磁二通阀    15-3号电磁二通阀    16-1号检测室\n17-2号检测室         18-信号初始处理板   19-4号号电磁二通阀  20-真空泵\n21-微机控制诊断机构  22-恒温箱           23-传输电缆         24-真空底座\n25-密封接口          26-密封接           27-密封接口         28-气电转换机构\n29-检测主板          30-第一组气体传感器 31-第二组气体传感器 32-固定螺钉\n33-密封接口\n具体实施方式：\n进入恒温箱[22]内气体分离柱[12]之前的气体组份为H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6六种气体的混合体， 之后则分离成二组气体组份，先流出第一组气体组份H2、CO、CH4的混合体，后流出第二组气体组份C2H4、 C2H2、C2H6的混合体，中间间隔时间为30S-40S钟；H2、CO、CH4的混合体由1#检测室[16]内的1组传感器[30] 检测；1组传感器由MS1、MS2、MS3三种传感器组成，分别对应检测H2、CO、CH4三种气体；MS1型气体传感 器是基于电阻变化的半导体气敏传感器的原理，在涂有金属氧化锡半导体的基片上，添加一定比例的金属 银(2％~5％)，对H2、C2H4的选择性极高，而对CO、CH4、C2H6、C2H2几乎无反应；MS2型气体传感器是基于固 体电解质气敏传感器的原理，在稳定的氧化锆的两侧装上铂电极，一支电极上用CO氧化催化剂覆盖，在 接触CO时产生很大的电势变化，而此种传感器几乎对H2、CH4无反应；MS3型传感器是基于电阻变化的半导 体气敏传感器的原理，在涂有金属氧化锌半导体的基片上，添加一定比例的金属铂(2％~5％)，对CH4、C2H6 具有极好的选择性及灵敏度，而对H2、CO、C2H2、C2H4几乎无反应。C2H4、C2H2、C2H6的混合体由2#检测室[17] 内部二组传感器[31]检测；二组传感器由MS1、MS4、MS3三种传感器组成，分别对应检测C2H4、C2H2、C2H6 三种气体组份MS1、MS3型传感器已作介绍，MS4型传感器是基于电阻变化的半导体气敏传器的原理，在涂 有金属氧化物氧化锌的基片上，添加氧化钒和氧化钼(V2O5-M0O3)的混合物，再涂布一定量的金属银，三 者总和所占比例2％~5％，添加剂V2O5、MoO3、Ag三者的比例为Mo∶V∶Ag＝1∶10∶1，对C2H2气体具有极大 的选择性和足够高的灵敏度，而对C2H4、C2H6气体几乎无反应。\n一台运行变压器，若存在故障，把故障看成是一个整体，其故障原因与27组编码(电力系统判断变 压器内部故障常用的27组编码值由六种气体浓度不同的比值得三个比值后的不同组合组成)之间有不同 程度的内在联系，按国际改良电协、研究法可把电力变压器内部的故障分为9大类，故障1-9类分别对应 于局部放电，低温过热(＜150℃)，低温过热(150℃-300℃)，中温过热(300℃-700℃)，高温过热(＞700 ℃)，火花放电、火花放电兼过热，电弧放电，电弧放电兼过热，27组故障编码组合为000、001、002、……、 221、222，共同组成模糊关系矩阵 由智能监测流程得出的被测气体的浓度与已定的标准值浓度进行比 较，若被测六组气体的浓度值都小于已定标准值，则被测设备没有故障，若被测六种气体的浓度值中有大 于已定标准值浓度时，则通过模糊方法诊断故障。\n某运行变压器通过油中溶解气体在线监测得到H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6的气体浓度为(ppm) 188、898、236、237、18.1、31.8，由模糊诊断矩阵得出最后的评判矩阵\n$\tilde{B}=(\mathrm{0.000,0.000},\mathrm{0.000,0.016,0.080,0.080,0.000,0.096,0.725}),$\n可以看出，隶属度最大的是0.725，确定为第9类故障：电弧放电兼过热，通过变压器停电吊芯检查 发现C相线圈分接头抽头引线对压铁马蹄口放电，高压A、B相线圈对压环放电，低压B相尾部烧焦。属 电弧放电兼过热故障，诊断正确。