王胜辉，刘 畅，杨 芳，牛成玉，梁东森

(许继电气股份有限公司，河南许昌 461000)

0 引言

油色谱在线监测是目前监视变压器运行的重要手段之一，通过对变压器油中溶解气体的分析，判断其运行是否正常，并对设备内部故障的部位和严重程度进行预测[1]。但是目前油色谱在线监测装置在实际应用中存在诸多问题，装置故障频发，维护困难，需要定期到现场进行人工校准，使用高纯度空气或高纯氮气作为载气，载气不足时需要立即更换钢瓶，不仅增加大量人力成本,而且由于载气问题造成的油色谱在线监测产品退出运行的隐患普遍存在，亟待解决[2-3]。结合目前现状，为了更好地给智能运维提供支撑，提出一种高精度免维护油色谱在线监测装置，采用空气发生器替代钢瓶载气，高性能复合单色谱柱[4]，避免了气路切换过程，提高了系统稳定性，定量进样提高了装置检测数据的重复性指标，定期自校准保证了装置长期运行检测数据的准确性。

1 整体设计方案

高精度免维护油色谱在线监测装置可实现载气的免维护和定期自校准。免油泵油路置换功能，通过脱气油缸的复用实现了油路的置换，分析浓度和变压器油中溶解气体浓度保持一致；定量进样系统保证了检测结果的重复性与一致性，可替代六通阀定量进样，是一种经济型的定量进样方案，通过组合阀动作时间的精确控制，保证进样瞬间基线无抖动；校准模块通过内置标准气体接入定量进样系统，可实现定期对装置气体传感器的定期校准；通讯方面可以直接支持IEC 61850 通讯方式，不需要增加额外的规约转换装置[5],系统方案图如图1所示。

图1 系统方案图

2 装置硬件设计

2.1 基于MPC8377的控制系统

PowerPC MPC8377是一款高性能速度快的处理器，支持各种功能丰富的应用，是PowerQUICCTMII Pro 系列产品中具有高性价比的产品。该芯片采用90 nm工艺技术，其处理速度可达800 MHz，集成e300内核、PCI、SATA 控制器，提供双千兆以太网控制器。NOR FLASH配置4 Mbit 的SST29VF040-70-4C-NH 和512 Mbit 的S29GL512P11TFI020，并且支持扩展SD 存储，具备良好的扩展能力，2 个光纤以太网口用于信息传输，1个电以太网口用于装置的调试[6]，通过FPGA主要实现模拟量采集和对步进电机的控制，通过CPLD主要实现开出控制和开关量采集，其中开出控制包括对各种电磁阀、真空泵和传感器电源等。基于MPC8377的控制系统如图2所示。

图2 基于MPC8377的控制系统

2.2 组合阀板式定量进样

全量进样由于每次脱气量、进样量的不一致严重影响油色谱在线检测装置的准确性和重复性，一般采用气动六通阀控制气流通断和气路切换实现脱出气体的定量进样，但气动六通阀加工精度高，结构复杂，价格昂贵。本文采用内部设有气流管路的组合阀板，通过外接的电磁阀和真空泵的定时开通关断，对组合阀板内不同气路的通断控制，实现自动真空集气、定量和吹扫排残组合功能，具有集成程度高、阀体体积小和结构紧凑等特点。组合阀板结构图如图3所示。

图3 组合阀板结构图

2.3 基于反吹扫技术的免维护载气发生器

载气发生器现场输出高纯空气，可直接替代传统钢瓶载气安装于油色谱装置柜体内，免去繁重的载气人工维护工作量。采用反吹扫技术的免维护载气发生器，可以延长过滤器的使用寿命，实现设备寿命周期的免维护。当储气罐中压力达到系统预设值时，空气压缩机停止工作，换向阀转换为排放工位，水过滤器中压力降为常压，吸附剂中吸附的水分利用吸附平衡差解吸附，水过滤器中残存的空气对水过滤器反向吹扫，将水过滤器中液态水吹出水过滤器并通过排放口排出，水过滤器中的吸附剂可以再次利用，延长了水过滤器的使用寿命。免维护载气发生器结构如图4所示。

图4 免维护载气发生器

2.4 自动校准功能

自动校准可设置成定时启动，也可以现场手动启动，包含2瓶标准气体，标气1和标气2气体浓度分别对应了测量范围的下限和上限，在配气前打开真空泵对配气缸进行抽真空，保证配气缸内无剩余杂质气体，通过高精度流量控制器和2个标气阀的配合使用，实现了全自动混气，自校准模块通过配气阀2接入油色谱装置定量进样模块，从而实现了油色谱装置的全量程自标定。自动校准原理图如图5所示。

图5 自动校准原理图

3 装置软件设计

装置在需要手动校准或自动校准时启动校准流程，首先在流量控制器和2个标气阀的配合下实现全自动混气，然后通过配气缸活塞上行，并打开配气阀2，将混合气体推入装置定量进样模块从而实现定量进样，在分析结果后和预置的标定曲线进行比较，如果差异较大，则根据分析结果对预置的标定曲线进行调整。

在不启动校准流程时，装置可以手动或定时启动分析检测流程，首先通过油路置换将变压器油循环至装置内，然后通过真空脱气将油中溶解的气体脱出，脱出的气体进入定量进样模块后实现气体的定量分析，经过色谱柱对混合气体进行排序后由气体传感器检测出各个气体成分对应的浓度值。程序流程图如图6所示。

4 实验结果

以一组总烃浓度≥50 μL/L的油样测试结果为例，可见装置在测量误差和重复性测试方面均4表现优异，实验结果如表1所示。

5 结束语

高精度免维护油色谱在线监测装置与传统油色谱在线监测装置相比，检测精度高，具备自动校准功能，装置长期运行的数据稳定性较好，大幅减少了油色谱日常维护的次数；使用载气发生器替代了钢瓶载气，实现了现场载气免维护，不仅省去了需要定期到现场更换载气的运维工作量，而且可源源不断制造载气，载气发生器储气罐压力在0.4 MPa左右，与钢瓶载气压力在12 MPa以上相比，设备调试和运行过程无安全隐患。高精度免维护油色谱在线监测装置检测精度高，长期运行稳定性好，维护简便，具有实际推广价值。

图6 程序流程图

表1 实验结果