在线绝缘油中气体分析色谱仪及色谱检测方法

摘要

本发明公开了一种在线绝缘油中气体分析色谱仪及色谱检测方法，采用双柱串联、一次自动进样，程控切换，单检测器分析的仪器系统及检测方法。本发明的技术方案符合国内电力行业对充油电气设备绝缘油气相色谱仪的色谱检测标准，对各组分气体尤其是C2H2具有优异的灵敏度，在提高绝缘油气相色谱分析系统整体稳定性、检测数据的重复性和准确性的同时简化了硬件结构，提高了自动化水平，降低了系统成本，适合于智能电网项目中大规模的推广和应用。

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种气相色谱检测设备和检测技术类，尤指一种用于高电压等级充油电气设备绝缘油中溶解气体分析的气相色谱检测方法及气体分析色谱仪。

背景技术

目前，国内电力系统对充油电气设备进行检测和维护时，需要对绝缘油中溶解气体进行分析，应用最广的是离线实验室色谱分析，同时也是检测部门采用的仲裁手段。现阶段国内电力充油设备专用气相色谱仪普遍采用手动进样、双柱并连，一次分流，三检测器同时检测的分析技术系统。三个检测器一般为1个热导+两个氢离子火焰检测器。

上述分析系统在离线应用中获得了较大的成功，但鉴于电力系统的发展趋势是在线监测、状态检修、智能化变电站等，发展适于在线应用的色谱技术是电力系统发展的必然趋向。然而，如果将上述手动进样、双柱并连，一次分流，三检测器同时检测的分析技术进行在线化，则存在诸多问题，如进样方面，由于进样采用手工操作，难以在线化。且由于自动化程度不高，操作步骤繁琐，引入误差的因素多，故对操作人员有很高的要求。检测技术方面，上述分析系统采用三个检测器（1个热导+两个氢离子火焰检测器）同时检测的技术，其中氢离子检测器需要H₂点火，H₂属于危险气体，不能应用在变电站现场。而热导检测器仅对H₂组分具有较好的灵敏度，对其他组分气体（CO，CO2，烃类）的灵敏度极差，不满足在线应用的要求。另外，由于上述系统采样三检测器技术，大大增加了系统的复杂度和硬件成本，不利于在线应用中的大规模推广。

综上所述，如何在简化系统结构、降低硬件成本的基础上提出一种重复性、准确性和灵敏度符合中国国家标准和电力行业标准，满足在线应用要求，适合于大规模推广的气相色谱检测方法就成为电力科研工作者的一个课题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种单一载气、 自动进样、单检测器分析的完成绝缘油中溶解气体分析的气相色谱检测方法。

本发明的另一目的在于提供一种能够安全可靠的运行在变电站现场，以提高绝缘油色谱分析的效率，提高分析结果准确性的在线绝缘油中溶解气体分析色谱仪。

本发明的在线绝缘油中气体分析色谱仪，包括箱体，箱体内设置进样机构、样气分离机构和样气检测机构，进样机构、样气分离机构和样气检测机构之间依次通过气路管道相连，进样机构向样气分离机构中充入定量的绝缘油中气体，样气分离机构将绝缘油中H₂ 、O₂、CO、CH₄、C₂H₄、C₂H₆和C₂H₂分离开，并按顺序进入样气检测机构，由该样气检测机构依次检测七种气体的含量。

进一步，所述进样机构输入端以及样气分离机构输出端还连接有载气管道，通过载气管道通入的载气将定量的绝缘油中气体送入样气分离机构以及将样气分离机构分离出的七种气体送入所述样气检测机构。

进一步，所述进样机构包括定量管、十通阀和气路切换气缸，定量管连接在十通阀两接口，通过十通阀向定量管中输入定量的样本气体；气路切换气缸用于驱动十通阀旋转使其处于进气位置或检测位置。

进一步，所述样气分离机构包括两根色谱柱和加热铝锭，两根色谱柱绕成螺旋状，盘在加热铝锭上，两根色谱柱之间首尾串行连接，一根色谱柱用于将H₂ 、O₂、CO、CH₄气体组与C₂H₄、C₂H₆和C₂H₂分离开，另一根色谱柱用于进一步将H₂ 、O₂、CO、CH₄气体组中的各气体分离开。

进一步，所述样气检测机构包括锆管、热电偶、石英管和电阻丝，锆管和热电偶设置在石英管内，样气检测机构的进样口与锆管相连，用于向锆管内通入样气；电阻丝缠绕在石英管上用于对其中的锆管加热，热电偶与锆管底部相对设置，用于检测锆管的温度，并由电阻丝控制锆管的温度始终在工作温度；石英管外还设置有保温棉。

本发明的上述色谱仪的色谱检测方法，1）将定量的绝缘油中气体一次通入色谱仪的进样机构；2）通过样气分离机构将样气以H₂、O₂、CO、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂顺序分离；3）依次检测H₂、O₂、CO、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂的含量。

进一步，步骤1）具体为：控制进样机构的十通阀在进气位置，向进样机构的定量管中充入绝缘油中气体，同时向样气分离机构的两根色谱柱中通入载气。

进一步，步骤2）具体为：控制进样机构的十通阀在检测位置，定量管中的样气随载气送入两根色谱柱中，首先通过第一色谱柱将H₂ 、O₂、CO、CH₄气体组与C₂H₄、C₂H₆和C₂H₂分离开，经过第二色谱柱将H₂ 、O2、CO、CH4气体组中的各气体分离开，气体按H2、O2、CO、CH4、C2H4、C2H6、C2H2顺序随载气通入样气检测机构。

进一步，所述第一色谱柱中填料为80-100目的5A分子筛，所述第二色谱柱中填料为60-80目Propak-N。

进一步，步骤3）具体为：控制样气检测机构的加热温度，使依次通入的七种气体在样气检测机构的锆管中反应，以测量出七种气体的含量。

本发明的在线绝缘油中气体分析色谱仪及色谱检测方法与现有的设备及检测方法相比具有以下优点。

其一，采样新型燃料电池检测器技术。国内离线色谱仪检测中应用较多的是“1TCD＋2FID”的检测器组合方式，由背景技术的叙述可知，基于上述检测器组合技术方式的气相色谱仪存在着硬件结构复杂、自动化程度低、难以在线化等缺点，尤其是FID检测器由于需要H₂点火的特性决定了上述三检测器技术几乎不可能在在线应用中大规模推广。本发明采用特制的检测器，单检测器即可检测H₂，O₂，CO，CH₄，C₂H₄，C₂H₆，C₂H₂油中七组分气体，并对各组分气体具有优异的灵敏度，对关键特征气体C₂H₂的灵敏度为0.1uL/L。相对于传统的三检测器分析方法，本发明大大简化了硬件结构，降低了硬件成本，提高了系统的可靠性，有利于在线应用中大规模推广。

其二，采用串联自动进样方式。传统的离线绝缘油中溶解气体分析方法由于采用三检测器结构，气体进样方式一般为“手动、并联分流”进样，上述进样方法步骤繁多，对操作人员有较高的要求，并且由于不同人员的操作手法不同，当其对进行对同一台仪器进行实验时，可能会因“分流比”不同而导致测量结果存在差异。本发明采用十通阀自动进样，进样方式为串联进样，十通阀的进样动作由嵌入式系统的计算机程序进行控制，大大提高了仪器的自动化水平，保证了进样的重复性。

其三，采用色谱柱切换方式进行气体分离。由于有七种特征组分需要分离，一根色谱柱不能满足分离要求。本发明采用两根色谱柱串联切换的方式，切换功能由十通阀实现。

附图说明

图1为本发明的色谱仪的结构示意图；

图2为本发明的样气分离机构的结构示意图；

图3为本发明的样气检测机构的结构示意图；

图4为本发明的色谱仪的气路示意图；

图5为十通阀进气位置的气路流程图；

图6为十通阀检测位置的气路流程图。

具体实施方式

如图1-3所示，本发明的在线绝缘油中气体分析色谱仪，包括箱体1，箱体1内设置进样机构2、样气分离机构3和样气检测机构4，样气分离机构3包括柱箱11，柱箱11内设置两根色谱柱17和加热铝锭18，两根色谱柱17首尾串行连接绕成螺旋状，盘在加热铝锭18上，柱箱11内设有保温棉16，色谱柱17通过加热铝锭18在保温棉16的作用下保持一定的温度；样气检测机构4包括外壳41，外壳41上设置有进样口42，进样口42通过进样管43将气体输入锆管44中，锆管44相对设置有热电偶46，锆管44和热电偶46均装在石英管45中，石英管45四周设置有保温棉47，保温棉47外围设置有加热板48，加热板48也可以用电阻丝替代，只需将电阻丝缠绕在石英管45上，来保证锆管44所处环境的温度，热电偶46一直检测锆管44的温度，进而控制加热板48升温或降温，确保锆管44始终处于工作温度。

如图4所示，进样机构2包括十通阀和气路切换气缸，载气管道输入端设置有载气电磁阀然后接一三通阀将载气分为两路，一路连接进样电磁阀、气路切换气缸和十通阀，另一路通过以三通阀接稳压阀和稳流阀送入十通阀和样气分离机构3的输出端的三通阀，十通阀输出连接在样气分离机构3的输入端，样气分离机构3的输出端接三通阀，该三通阀最后一接口与样气检测机构4的进样口42相连，样气检测机构4的输出连接尾吹电磁阀和流量计。

如图5和6所示，十通阀上连接有定量管，在进行样气检测前，首先控制十通阀在进气位置（图5所示），此时将绝缘油中气体通过十通阀的口2、3送入到定量管中，并将载气自十通阀的口10送入经色谱柱A和色谱柱B；其中载气为99.999%的高纯N₂，色谱柱A填料为60-80目Propak-N，长度4米，色谱柱B填料为80-100目的5A分子筛，长度为2米。完成气体进样后，控制十通阀切换到检测位置（图6所示），此时，通过载气将定量管中的样气输送到色谱柱B，经色谱柱B对样气分离出H2 、O2、CO、CH4气体组与C2H4、C2H6和C2H2，上述气体再通过色谱柱A将H2 、O2、CO、CH4气体组中的各气体分离开，最终按H2 、O2、CO、CH4、C2H4、C2H6、C2H2的顺序依次送入到样气检测机构4中，最终检测出七种气体的含量，从检测器出来的气体流过尾吹电磁阀和流量计，然后放空。

根据以上技术方案的这种用于高电压等级充油电气设备绝缘油中溶解气体分析的气相色谱检测方法，符合国内电力行业对充油电气设备绝缘油气相色谱仪的色谱检测标准，对各组分气体尤其是C2H2具有优异的灵敏度，在提高绝缘油气相色谱分析系统整体稳定性、检测数据的重复性和准确性的同时简化了硬件结构，提高了自动化水平，降低了系统成本，适合于智能电网项目中大规模的推广和应用。该检测方法不仅为电力行业的检测技术提供了有力的技术支持，同时也由于具有优良的性价比而为企业提高综合经济效益提供了技术保障。

需要指出的是根据本发明的具体实施方式所做出的任何变形，均不脱离本发明的精神以及权利要求记载的范围。