用于检测变压器油中气体的系统、方法及变压器故障检测系统

摘要

本发明公开了一种用于检测变压器油中气体的系统、检测方法及变压器故障检测系统，此气体检测系统包括油气分离单元、气体流路单元、气体分离单元和气体检测单元；油气分离单元包括油气分离器和气室；气体流路单元包括气泵、气路管道和气室；气室安装于油气分离器上，用于收集油气分离器分离的气体；气路管道用于将气泵、气室、气体分离单元和气体检测单元依次相连；气泵用于提供载气，以将气室内的混合特征气体推入至气体分离单元；气体分离单元包括气相色谱芯片，用于分离混合特征气体；所述气体检测单元用于对分离后的特征气体的种类及含量进行检测。本发明具有实时检测、检测效率高、避免污染、检测精度高等优点。

说明书

技术领域

本发明主要涉及变压器油技术领域，具体涉及一种用于检测变压器油中气体的系统、方法及变压器故障检测系统。

背景技术

电力机车是轨道交通行业的运行载体，是中国经济大动脉中不可分割的重要组成部分。电力机车的动力，来源于外界接触网的25KV电压，该高压经过变压器，转变为多种低电压(比如970V电压)，从而为整车的牵引电机提供有效可用的能源。在电力机车正常行驶过程中，作为动力装置的重要组成部分，变压器运行的安全健康状态至关重要。电力机车变压器内部充满了变压器油，变压器油起到了散热、绝缘和消弧三大作用。在变压器正常运行过程中，变压器油会逐渐老化和分解，产生较少的低分子烃类等有机气体，以及一氧化碳、二氧化碳等无机气体。当变压器发生故障时，变压器油分解产生的烃类有机气体或碳类无机气体会明显增多，而特征气体的成分及相应含量，与变压器故障类型及严重程度有着紧密的关系。

目前，对变压器油的检测工作，仍然依赖于人工定期的油色谱技术采样检测，该方式耗费时间久、维护成本高，同时人为定期采样，也存在着对变压器油多次污染等问题，这进一步加快了其内部损耗。

另外，还有以电化学传感器、激光监测技术、超声监测技术为例的变压器内部油液状态监测技术，电化学传感器监测方式虽然速度快，但是在恶劣环境中的预期寿命不长；激光检测和超声监测技术无法避免混合气体所引起的交叉干扰问题，检测精度受限。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种实时检测、检测效率高、避免污染的变压器油的气体检测系统、方法及变压器故障检测系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于检测变压器油中气体的系统，包括油气分离单元、气体流路单元、气体分离单元和气体检测单元；

所述油气分离单元包括油气分离器和气室，所述油气分离器的油液入口和油液出口均与电力机车变压器相连；

所述气体流路单元包括气泵、气路管道和气室；所述气室安装于所述油气分离器上，用于收集油气分离器分离的气体；所述气路管道用于将气泵、气室、气体分离单元和气体检测单元依次相连；所述气泵用于提供载气，以将气室内的混合特征气体推入至气体分离单元；

所述气体分离单元包括气相色谱芯片，所述气相色谱芯片的气流管道表面涂覆有固定相涂层，用于与混合特征气体发生反复的吸附和解吸附过程以分离混合特征气体；

所述气体检测单元包括声表面波气体传感器，用于对分离后的特征气体的种类及含量进行检测。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述气体分离单元还包括加热模块，用于对所述气相色谱芯片进行加热，以使其维持在额定温度范围内。

还包括制冷片，用于维持所述声表面波气体传感器在额定温度范围内。

本发明还公开了一种变压器故障检测系统，包括采集单元、故障判定单元和如上所述的用于检测变压器油中气体的系统，所述采集单元分别与所述采集单元和气体检测系统相连，用于采集气体检测系统检测的特征气体的种类及含量，所述故障判定单元用于依据特征气体的种类及含量，对变压器的故障进行判定。

本发明进一步公开了一种基于如上所述的用于检测变压器油中气体的系统的气体检测方法，包括步骤：

1)抽取变压器内部的变压器油经油液入口进入至油气分离器中，通过油气分离器将变压器油中的特征气体分离出来，再将变压器油经油液出口排入至变压器内部；

2)将所述气室与油气分离器进行连通，变压器油中分离的特征气体进入至气室；气泵抽取空气形成载气，与气室内部与特征气体混合一体，并推动特征气体输送至气体分离单元内；

3)所述气体分离单元的气流管道表面涂覆的固定相涂层与混合特征气体发生反复的吸附和解吸附过程，分离混合特征气体；

4)所述声表面波气体传感器对分离后的特征气体的种类及含量进行检测。

作为上述技术方案的进一步改进：

在步骤3)中，所述气相色谱芯片内部具有一条狭长的、充满微型立柱的气流管道，气流管道表面涂覆的固定相涂层，与混合特征气体发生反复的吸附和解吸附过程；

由于不同特征气体与固定相涂层之间的分配系数不同，在气体流动过程中受到固定相涂层的保留能力就有差异，最终在气流管道出口处各特征气体依次出来，从而实现混合特征气体之间的分离。

在步骤4)中，声表面波气体传感器表面保持预设温度并低于从气体分离单元流出的特征气体温度以形成温度梯度，该温度梯度使得特征气体进入到声表面波气体传感器腔室内部，迅速冷凝吸附在声表面波气体传感器表面，由此发生声表面波的传播特性变化，并通过震荡频率改变的方式表现出来；不同特征气体所造成的声波在基片表面的频率变化，通过压电效应经过IDT及阻抗匹配电路，传递至天线形成回波电磁波。

在步骤1)之前，还包括预启动过程：

对气相色谱芯片和声表面波气体传感器进行相应的温度反馈与控制，以使其维持在对应额定温度范围内，并保持预设时间；

系统向声表面波气体传感器发射电磁波信号，声表面波气体传感器的天线在接收到射频信号后，由声表面波气体传感器将射频信号通过逆压电效应转换为声表面波；声表面波沿着压电基片的表面传播，遇到反射栅阵后产生反射，反射信号相叠加，再次激发出射频电信号，并由IDT通过压电效应转换为回波电磁波信号；系统的天线将回波电磁波信号接收回来，在屏幕中得到初始条件下的一条稳定信号基线。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明相比于人工定期维护检测，该系统可实现列车不论是在停运期间，还是运行期间的实时监测，避免了人为测量误差、人为操作不当引起的内部污染、维护时间长等问题，而且检测效率高。

2)本发明可监测变压器故障的早期发展阶段。通过利用从油液中所分离得到的溶解气体，结合声表面波和气相色谱在线检测技术，对溶解气体的种类和含量的变化趋势进行统计分析，在变压器油裂解出大量气体之前，能够及时传输信号，反馈问题，报告变压器潜在的安全隐患。

3)本发明结合了MEMS技术、气相色谱技术和声表面波传感技术等三大技术。利用MEMS技术，可将气相色谱芯片和声表面波气体传感器组装集成于一体，压缩器件体积和能耗。利用气相色谱技术将混合气体分离开，能有效避免混合气体对检测器所引起的交叉干扰问题，提高检测精度；利用声表面波传感技术进行气体检测和信号传输，一方面相比于常用的金属氧化物半导体气敏传感器，无需高温检测环境(比如600℃)，在油液环境中更加安全；另一方面信号传递可通过电磁波信号，一台采集器可对应多个SAW气体传感器信号收集，在复杂的设备环境中，安装方便，监测全面。

4)本发明可装配在变压器上，不仅能在电力机车高速运行情况下，实时判断变压器处于正常运行、故障早期、故障中期等状态，同时也能多点检测，将检测数据反馈至云上系统，为后期电力机车变压器健康寿命的预测分析打好数据基础。其中核心器件为μGC芯片和SAW气体传感器，均可采用MEMS技术研制，集成组装于一体。μGC芯片采用半填充式蛇形布局流道结构，该结构具有比表面积大、传质距离短、气体弥散小等优点；μGC芯片背部集成加热电极与测温电极，进一步压缩整体结构的空间体积，节省加热功耗。

附图说明

图1为本发明在实施例的结构示意图。

图2为本发明的设备控制器在具体应用时的实施例图。

图中标号表示：1、气泵；2、气路管道；3、气室；4、气相色谱芯片；5、声表面波气体传感器；6、天线；7、采集器；8、设备控制器；9、油液出口；10、油液入口；11、油气分离器。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本实施例的用于检测变压器油中气体的系统，包括油气分离单元、气体流路单元、气体分离单元和气体检测单元；油气分离单元包括油气分离器11和气室3，油气分离器11的油液入口10和油液出口9均伸入至电力机车变压器内部，用于变压器油的采集和排出；气体流路单元包括气泵1、气路管道2和气室3；气室3安装于油气分离器11上，用于收集油气分离器11分离的气体；气路管道2用于将气泵1、气室3、气体分离单元和气体检测单元依次相连；气泵1用于提供载气，以将气室3内的混合特征气体推入至气体分离单元；气体分离单元，用于分离混合特征气体；气体检测单元，用于对分离后的特征气体的种类及含量进行检测。

在一具体实施例中，气体分离单元包括气相色谱(Micro Gas Chromatography，μGC)芯片，简称μGC芯片，μGC芯片内部具有一条狭长的、充满微型立柱的气流管道，在气流管道表面涂覆有固定相涂层，用于与混合特征气体发生反复的吸附和解吸附过程。由于不同分子量的特征气体与固定相涂层的分子间作用力存在差异，随着载气不断地推动特征气体流动，最终在时间轴上各个特征气体将发生相互分离。另外在μGC芯片的背部集成有加热模块(如电阻加热器)和测温模块(如温度传感器)，用于对μGC芯片进行闭环加热控制，以使其维持在特征气体分离所需的额定温度范围内。

在一具体实施例中，气体检测单元包括声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)气体传感器，简称SAW气体传感器。SAW气体传感器属于谐振器型高频器件，具有低时延、高声速、高可靠性等特点，能更好的适应电力机车高电压、强电磁、剧烈振动以及密闭环境；谐振器型SAW气体传感器通常包括一个叉指换能器(Interdigital Transducer，IDT)和两组反射栅，基片中央的IDT两侧对称地布置着反射栅阵，同时SAW气体传感器连接上阻抗匹配网络和天线6，用于高频信号的传输。在SAW气体传感器的背部具有制冷模块(如制冷片)和测温模块，用于通过闭环控制维持声表面波气体传感器5在额定温度范围内。由于上述μGC芯片对气体的分离具有一定的温度，而SAW气体传感器利用制冷片保持较低的恒温常温状态，两者具有一定的温度梯度。特征气体从μGC芯片分离出来后，将依次冷凝在SAW气体传感器表面。不同特征气体冷凝在SAW气体传感器表面所引起的声表面波传播特性变化，导致了SAW气体传感器振动频率的改变。通过对频率变化量的标定与监测，可分析出相关特征气体的种类与含量。

本发明可装配在变压器上，按照固定的时间段进行在线检测，同时积累长期数据，用作变压器健康状态的分析与预测，其中核心器件为μGC芯片和SAW气体传感器，均可采用MEMS技术研制，集成组装于一体。μGC芯片采用半填充式蛇形布局流道结构，该结构具有比表面积大、传质距离短、气体弥散小等优点；μGC芯片背部集成加热电极与测温电极，进一步压缩整体结构的空间体积，节省加热功耗。

本发明还公开了一种变压器故障检测系统，包括采集单元(如采集器7)、故障判定单元(如图1和图2中的设备控制器8)和如上所述的用于检测变压器油中气体的系统，采集单元分别与采集单元和气体检测系统相连，用于采集气体检测系统检测的特征气体的种类及含量，故障判定单元用于依据特征气体的种类及含量，对变压器的故障进行判定，同时结相关信号及状态进行显示。

具体地，采集器7实时地接收到SAW气体传感器通过天线6产生的射频信号，经过信号解调及处理后得到各特征气体的出峰时间、峰型状态等图形与数字信息，并显示在显示器中。最终对特征气体数据进行三比值法和产气速率法分析，由此实时判断和监测变压器油状态，得到变压器内部健康正常、高温过热、电弧放电、电弧放电兼过热等监测结论。

在一具体实施例中，设备控制器8包括微处理器、温度控制模块、阀门控制模块、液晶显示模块、状态指示模块和按键命令模块，温度控制模块、阀门控制模块、液晶显示模块、状态指示模块和按键命令模块均与微处理器相连；微处理器通过采集器7接收信号，并对信号进行分析；液晶显示模块实时显示分析结果，状态指示模块简明地表示变压器运行状态的好坏。温度控制模块分别与μGC芯片和SAW气体传感器连接；阀门控制模块分别控制油气分离器11和气室3之间的阀门通断，以进行抽取油样、排气等油路和气路的控制。

本发明的气体检测系统和变压器故障检测系统，能够对变压器油的状态进行实时监测，具备以下技术效果：

1)本发明相比于人工定期维护检测，该系统可实现列车不论是在停运期间，还是运行期间的实时监测，避免了人为测量误差、人为操作不当引起的内部污染、维护时间长等问题。

2)本发明可监测变压器故障的早期发展阶段。通过利用从油液中所分离得到的溶解气体，结合声表面波和气相色谱在线检测技术，对溶解气体的种类和含量的变化趋势进行统计分析，在变压器油裂解出大量气体之前，能够及时传输信号，反馈问题，报告变压器潜在的安全隐患。

3)本发明结合了MEMS技术、气相色谱技术和声表面波传感技术等三大技术。利用MEMS技术，可将气相色谱芯片4和声表面波气体传感器5组装集成于一体，压缩器件体积和能耗。利用气相色谱技术将混合气体分离开，能有效避免混合气体对检测器所引起的交叉干扰问题；利用声表面波传感技术进行气体检测和信号传输，一方面相比于常用的金属氧化物半导体气敏传感器，无需高温检测环境(比如600℃)，在油液环境中更加安全；另一方面信号传递可通过电磁波信号，一台采集器7可对应多个SAW气体传感器信号收集，在复杂的设备环境中，安装方便，监测全面。

本发明还公开了一种基于如上所述的用于检测变压器油中气体的系统的气体检测方法，包括步骤：

1)抽取变压器内部的变压器油经油液入口10进入至油气分离器11中，通过油气分离器11将变压器油中的特征气体分离出来，再将变压器油经油液出口9排入至变压器内部；

2)将气室3与油气分离器11进行连通，变压器油中分离的特征气体进入至气室3；气泵1抽取空气形成载气，与气室3内部与特征气体混合一体，并推动特征气体输送至气体分离单元内；

3)气体分离单元分离各混合特征气体；

4)气体检测单元对分离后的特征气体的种类及含量进行检测。

下面结合一具体实施例对上述发明做进一步说明：

1、仪器预启动：设备控制器8启动温度控制模块，对μGC芯片和SAW气体传感器进行相应的温度反馈与控制，温度控制采用模糊PID算法进行负反馈调节，控制精度达到±0.1℃；待μGC芯片和SAW气体传感器达到正常工作温度后，维持恒温5min，通过一段时间的热传导，保证μGC芯片的内部涂层达到额定温度，SAW气体传感器的基片表面达到额定温度；

同时，启动采集器7，不断向SAW气体传感器发射电磁波信号；天线6在接收到射频信号后，由SAW气体传感器将射频信号通过逆压电效应转换为SAW；SAW沿着压电基片的表面传播，遇到反射栅阵后产生反射，反射信号相叠加，再次激发出射频电信号，并由IDT通过压电效应转换为回波电磁波信号；天线6将回波电磁波信号发送给采集器7，最终该过程得到初始条件下的一条稳定信号基线。

2、抽取油样：油气分离器11启动油液入口10，抽取变压器内部的变压器油，进入油气分离器11中。同时，设备控制器8的阀门控制模块关闭着连通油气分离器11上端与气室3之间的阀门，防止油液进入气室3。

3、油气分离：抽取的油液进入到油气分离器11中，在搅拌电机的均匀搅拌下，逐渐抽取分离器内部的真空；再借助滤芯将变压器油中的溶解气体分离开来，该分离过程为10min左右。之后，设备控制器8的阀门控制模块打开连通油气分离器11上端与气室3之间的阀门，脱出的气体到达气室3。接着，通过油液出口9将处理后的变压器油排入变压器内。

4、气泵1送气：气泵1启动，抽取空气进入气路管道2；空气经过气体过滤网后形成纯净载气，在气室3内部与特征气体混合一体，然后推动特征气体持续前进。

5、气体分离：在载气推动下，特征气体进入到μGC芯片中。μGC芯片内部是一条充满微型立柱的、狭长的气流管道，在微管道表面涂覆有针对性分离性能的固定相涂层，该涂层与特征气体发生反复的吸附和解吸附过程。不同特征气体与固定相涂层之间的分配系数不同，受到涂层的保留能力就有差异。比如，涂层对特征气体保留能力越强，该特征气体在μGC芯片出口处就越晚出来。最终在μGC芯片的出口处各特征气体依次出来，进入到SAW气体传感器中。

6、气体检测：经过μGC芯片分离处理后，特征气体具有较高的温度，同时SAW气体传感器由于制冷片的作用保持较低的表面温度，该温度梯度使得特征气体进入到SAW气体传感器腔室内部，迅速冷凝吸附在SAW气体传感器表面，SAW气体传感器由此发生声表面波的传播特性变化，并通过震荡频率改变的方式表现出来。不同特征气体所造成的声波在基片表面的频率变化，通过压电效应经过IDT及阻抗匹配电路，传递至天线6形成回波电磁波，由采集器7接收。

7、数据处理与状态分析：采集器7将接收的信号解调处理，形成具有对特征气体定性和定量分析的色谱曲线，该曲线为持续检测组分流出浓度所形成的原始数据曲线。依据曲线中的色谱峰的保留时间值判断出对应的特征气体，依据色谱峰的峰面积和峰高判断该特征气体的含量。接着，依据三比值法，计算甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氢气这五种气体其特征性的三对比值，将计算所得结果与电力行业推荐性标准DL/T 722-2014进行对比分析，得出变压器是否出现故障，以及出现的是何种故障(局部过热、电弧放电等)。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。