GC-9760电力变压器安全监测专用微型色谱仪应用技术.docx
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1、GC-9760电力变压器安全监测专用微型色谱仪应用技术GC-9760电力变压器安全监测专用微型色谱仪应用技术可行性研究报告研发人:二零一二年十月目录一、技术开发背景31.1技术相关31.2技术持有人31.3技术研发背景31.4技术研发意义4二、技术可行性分析42.1技术原理及系统结构介绍42.2项目技术路线介绍72.2.1气路单元技术特点72.2.2电路单元技术特点72.2.3柱箱单元技术特点82.2.4检测单元技术特点102.2.5温度控制单元技术特点112.2.6专用色谱监测工作站技术特点122.3关键技术及创新点16三、市场分析及风险预测173.1市场分析173.2风险分析及应对193.
2、2.1风险分析193.2.2风险对策21四、经济效益与社会效益分析244.1经济效益分析244.2社会效益分析25五、报告结论26一、技术开发背景1.1技术相关技术名称: GC-9760电力变压器安全监测专用微型色谱仪应用技术1.2技术持有人持 有 人: 1.3技术研发背景国内外变压器安全监测设备研究开发现状随着国民经济的发展,对供电的安全性和可靠性要求越来越高,目前国内全部地级以上城市的供电公司及一部分区、县级市的供电公司均已经开展变压器的绝缘监督工作,而变压器油的色谱分析使其监督工作中的核心部分。随着供电网络的发展和扩建,地处偏远地区的变电站、供电所、铁路供电段等机构越来越多,另外送变电工
3、程公司也经常在野外施工,所以实验室色谱仪已经越来越不能适应变压器绝缘监督工作的要求。因而微型色谱仪开始备受色谱用户的青睐,国内客户在这方面的需求也越来越大。目前国内很少有公司在生产这种便携式的变压器油专用色谱仪,但由于其产品在设计时没有充分考虑防爆功能,在现场工作时缺乏安全性的考虑。又由于独家经营,造成价格垄断,不利于整个行业的发展。所以研发该技术运用了人性化的设计理念,将为用户提供一个更好的选择。国外也有不少同类的微型色谱仪,但由于其价格昂贵,且不是变压器油分析专用的仪器,没有配套用于分析变压器故障的系统软件,给使用者带来了诸多不便,因此他们目前还未打开国内市场。气相色谱仪作为检测变压器油中
4、溶解气体的主要设备,其气路系统对各组分的分离及定量测定都有直接的影响。但气相色谱仪在对变压器进行安全监测过程中会出现很多问题,针对这些问题,我们需要对该设备进行全方面科学的改进工作。 1.4技术研发意义作为电力系统中的关键设备,大型电力变压器的运行可靠性直接关系到电网的安全和稳定。重要度作为一种反映子系统故障对系统故障贡献大小的可靠性指标,主要用于系统可靠性的预测和分配、优化系统设计、指导系统维修等领域。因此,进行变压器故障模式的重要度分析,可为变压器维修决策的制定提供科学依据,并未最终实现状态维修奠定基础,对于提高电力变压器的运行可靠性,保障整个电网的安全可靠运行具有十分重要的意义。针对电力
5、变压器价值昂贵、实施可靠性试验困难,使用传统重要度求解方法难以获得各故障模式重要度的问题,研发新型电力变压器安全监测技术,使电力变压器的使用具备可靠性、经济性、监测性、维修性4个方面的特点,可以在此基础上建立基于梯形模糊数的变压器故障模式重要度评定方法。由于电力变压器安全监测技术目前处于初级阶段,故障风险因素的选择、权重的计算还缺乏系统的理论方法,使得电力变压器在使用中存在一定的安全隐患,所以,安全监测及风险评估的准确度还有待我们进一步提高。二、技术可行性分析2.1 技术原理及系统结构介绍(一)技术原理介绍GC-9760电力变压器安全监测专用微型色谱仪是针对电力系统对变压器等设备进行现场绝缘监
6、督试验的需求而专门设计的一款微型气相色谱仪。它基于气相色谱分离法、静态顶空的样品预处理法和改良的三比值判断法则等原理,通过测定运行的电力变压器油中溶解的甲烷、乙烯、乙烷、乙炔、氢气、一氧化碳和二氧化碳等七种气体组份的含量、各个气体之间的量比关系以及各气体组份的增长趋势等数据,来判断运行中的变压器是否存在过热、放电等潜伏性故障,以保障电力变压器安全运行的专用监测仪器。该技术广泛运用于供电公司、发电厂、核电站、铁路供电系统、电力科学研究、变压器厂、大型冶炼企业等行业的电力变压器安全监测。产品整体图如图1所示:图1.产品整体图(二)仪器的系统构成GC-9760电力变压器安全监测系统由:GC-9760
7、微型色谱仪、ZD-101微型震荡仪、专用色谱监测工作站三部分构成。在变压器中取出的油样,经ZD-101微型震荡仪脱气后进入GC-9760微型色谱仪分析数据,由监控工作站对数据进行分析后作出对变压器运行状况的判断,并通过以太网将数据传送给远程客户端,其工作示意图如下(图2):图2.工作流程图(三)仪器的结构组成GC-9760电力变压器安全监测专用微型色谱仪由气路单元、电路单元、柱箱单元、检测器单元和温度控制单元组成。其组成的示意图如下(图3):图3.GC-9760电力变压器安全监测专用微型色谱仪的组成示意图2.2项目技术路线介绍2.2.1气路单元技术特点GC-9760微型色谱仪的气路单元采用了内
8、置的小型氮气钢瓶,内置的化学储氢装置和内置的小型取样泵设计,分别为色谱仪提供高纯氮气、高纯氢气和干燥空气。气路单元的设计过程中主要解决了取样泵防震的关键技术。由于便携式仪器的特性,要将取样泵安装在仪器里面,取样泵本身产生的震动不但会使整个仪器产生很大的噪音,而且会直接影响到仪器的稳定性。目前市场上的微型色谱仪都没有取样泵防震设计,该技术研发设计过程中采用了自主开发的取样泵防震设计,并申请国家专利。该技术解决了现有取样泵工作时产生较大震动的问题。其实现方式是:一种取样泵防震装置,包括橡胶防震器、防震板、取样泵底座和测试仪器底板;不少于三个的橡胶防震器的上端通过取样泵固定螺栓固定安装在取样泵底座上
9、,不少于三个的橡胶防震器的下端通过防震器固定螺栓固定安装在防震板上,在防震板的下方有测试仪器底板,在防震板与测试仪器底板之间有防震板固定螺栓,防震板固定螺栓的上端固定安装在防震板上,仿真版固定螺栓的下端固定安装在测试仪器底板上。该技术能有效地降低取样泵工作时产生的震动以及噪音,从而加大地提高了测试仪器的精度和稳定性,延长了泵的寿命,并有效地改善了工作环境。2.2.2电路单元技术特点GC-9760微型色谱仪的电路单元由FID检测器电路板、TCD检测器恒流源板、数据采集卡和CPU控制主板组成。在电路单元的设计过程中主要解决了以下技术。数字化FID电子凋零技术:FID检测器输出的微电流信号要求FID
10、放大器的输入极有很高的输入阻抗和很低的背景噪声,并保证有足够的信号带宽和极低的漏电流,必须采用特殊的设计和制造工艺才能达到设计参数要求。传统的机械式电位器的调节次数一般只有几千次甚至几百次,而使用了电子调节后几乎无调节次数限制。与机械式电位器相比,电子调节的另一优势是可以直接安装在电路板的信号通道上,可提高电子噪声抑制能力,不存在机械电位器连线拾取的干扰信号。另外,由于减小了寄生参数,因而具有较强的抗干扰能力。GC-9760电力变压器安全监测专用微型色谱仪的FID检测器信号调零采用的是电子调零技术,在FID信号放大上利用高精度数字电路对FID进行基流补偿,实现FID输出信号电平的电子调节。如下
11、图(图4):图4.数字化FID放大器构成框图2.2.3柱箱单元技术特点柱箱单元包括色谱柱、柱箱和切换阀组成,柱箱单元是整个仪器的核心,起着样品分离的作用,所以柱箱单元也是技术开发的重点,在柱箱单元中,主要采用了以下独特的设计:1、单柱分离技术目前已有的用于检测变压器油中溶解气体组份分析的气相色谱仪采用的都是双柱并联分流技术,由于样品进入仪器后要分流,不能全部进入检测器,所以大大降低了检测的灵敏度。目前国内分析变压器油溶解气体的气相色谱仪多数采用双柱并联分流流程或者两次进样流程,这两种流程存在的不足之处在于:(1)双柱并联分流的流程:由于样品要在两根色谱柱进行分流,使本来就含量极低的样品不能够全
12、部进入一个检测器检测,给低含量的溶解气体的检测带来难度,不能满足烃类气体0.1ppm的检测要求。(2)两次进样流程存在的不足之处:操作繁琐,样品分析时间太长;经振荡脱出的气体总量一般只有2-4ml,很有可能不够两次进样的所需,所以容易造成一个样品要分次分析才能够完成的情况。GC-9760微型色谱仪采用单柱分离技术,所以样品均通过一根色谱柱进行分离,并全部进入检测器进行检测,大大提高了检测灵敏度,其对油中溶解的烃类气体的最小检测量可以达到0.01ppm。GC-9760电力变压器安全监测专用微型色谱仪采用一次进样的单柱分析流程,所有样品均通过同一根色谱柱进行分离,全部进入检测器进行检测,分析过程中
13、没有分流引起的样品损失,配备的高灵敏度TCD和FID两个检测器串联,样品先经过TCD检测器检测其中的H2、O2两个组份;然后经转化炉后进入FID检测器,检测CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2等组份。由于仪器采用了无分流的流程,使检测灵敏度大大提高了一倍,氢气的最小检测浓度达2ppm,乙炔的最小检测浓度达到0.1ppm。同时也避免了两次进样的繁琐,使整个分析过程更加准确,快速,便捷。如下图(图5)所示:图5.GC-9760变压器油分析专用微型色谱仪分析系统流程图2、微型填充柱技术目前气相色谱技术的发展是朝着便携化、小型化、快速分析的方向进行的,目前多数采用的外径为5mm或3mm,
14、长度为3-6mm的普通填充柱已经无法满足微型色谱仪中对填充柱的要求。基于此,研发微型填充柱技术,其优点在于柱效高,体积小,轻巧便捷。3、气相色谱分析仪用阀柱一体保温和加温技术解决了现有色谱分析仪的设备体积大、运输不便、加热需要时间过长、保温性能较差的问题。2.2.4检测单元技术特点GC-9760微型色谱仪的检测单元由氢火焰检测器(FID)和热导检测器(TCD)两部分组成,在检测器单元的设计过程中,主要采用以下独特的技术设计。FID检测器防爆技术:大多数变压器和其他充油设备均有安全防护的要求,一般的FID检测器由于未考虑防爆,在靠近设备的野外现场作业时,存在较大的安全隐患。该微型色谱仪由于采用防
15、爆设计的FID检测器,可以在任意场合安全的使用,更加适用于现场的分析。2.2.5温度控制单元技术特点温度控制单元是仪器的控制核心,其组成包括:Inter8051微处理器,CPU主板,加热棒和pt100铂电阻等组成。在温度控制单元的设计过程中,其结构示意图如下(图6)所示:图6.数字化加热控制单元结构框图1、数字化的加热控制技术数字化加热控制单元微处理器为Inter8051构架的8位微处理器,测控程序运行于Inter8051构架的8位微处理器中,该微处理器的运行时钟频率设计为11.0592MHz,该微处理器的系统结构如下图(图7)所示:图7.加热微处理器系统结构图2、测试与单元自诊断和错误报告功
16、能GC-9760微型色谱仪的温度控制单元可以实现自动诊断功能,在仪器温控出现故障时,可以自动识别故障部位,并在工作站中显示故障错误报告。2.2.6专用色谱监测工作站技术特点专用色谱监测工作站:由高精度的数据采集装置、色谱数据分析软件、专家诊断系统、远程控制系统等部分组成。1、高精度A/D数据采集卡高精度:USB接口,24位的高精度A/D数据采集卡,分辨率1uv输入通道电平范围:1v至+1v(可扩展2v)积分灵敏度:1vsec动态范围:106(1v为最小单位)线性度:0.1%重现性:0.06%2、色谱数据分析软件操作便捷:中文WindowsXP操作平台,全中文的窗口界面以及实时操作提示和在线帮助
17、,方便用户学习使用。开放式数据管理:保存完整的相关设备信息以及分析结果数据信息。方便增修删除,随意调检索。检索得到的分析结果数据可以输出到Word模版打印,方便用户做各种总结报表。开放式数据格式,适用于多用户数据共享,方便其他数据库管理软件访问以及管理部门的检索需求。灵活的峰识别和处理能力:可以通过设置参数和时间程序或手动修正方式进行色谱峰的识别、删除及调整基线切割。确保分析结果的准确性。设备管理功能:简介而直观的设置用户的设备管理卡片,分析结果根据不同的设备分类保存。3、专家诊断系统GC-9760专用微型色谱仪的专家诊断系统拥有:三比值诊断、TD图示、组份浓度图示,大卫三角形等多种故障诊断方
18、式,可以多角度、全方位的对数据进行分析和汇总。国内多数的工作站采用的是改良的三比值法,即利用五种气体的三种比值,作为判断充油电器设备故障类型的主要方法,该技术在改良三比值的判断法的基础上,增加了更加丰富的判断方法。(1)TD图示法和大卫三角形,如下图(图8)所示:图8.TD图示法和大卫三角形(2)组份浓度图示:多种方式直观反应气体增长趋势,下图(图9)是对某电业局1#主变的三次历史数据中,气体增长趋势的分析。图9-1.组分浓度图示-折线图图9-2.组分浓度图示-柱线图图9-3.组分浓度图示-饼图(3)远程控制系统仪器可通过10/100M以太网接口实现计算器与仪器远程连接,进行远程数据采集和管理
19、。提高了装置的自由度。2.3 关键技术及创新点(一)应用创新应用创新点一:采用隔爆型防爆设计的FID检测器,增强了使用的安全性变压器等充油的电力设备对安全防护的要求很高,为了适应这一要求,色谱仪应该考虑使用的安全性,目前国内还内有关于微型色谱仪防爆技术的报道。而该技术项目中,FID检测器采用隔爆型防爆型式,即把FID检测器全部封闭在一个外壳内,该外壳可以承受任何通过外壳任一结合面或结构间隙渗透到外壳内部的可燃性气体的内部的爆炸而不损坏。该防爆模式符合防爆设备要求。采用防爆设计的FID检测器,可以在任意场合安全的使用,更加适用于现场的分析。(二)技术创新技术创新点一:采用单柱分离技术,一次进样完
20、成分析,使检测灵敏度提高一倍以上。氢气的最小检测浓度达2L/L,乙炔的最小检测浓度达到0.1L/L。同时也避免了两次进样的繁琐,使整个分析过程更加快捷、便捷,分析结果也更加准确。随着变压器等大型电力设备的制造工艺的进步,对色谱仪的检测能力的要求也越来越高,只有准确检测出变压器油中溶解的微量气体,才能准确的判断设备饿运行状况。技术创新点二:通过10/100M以太网接口实现计算机与仪器远程连接,进行远程数据采集和管理,提高了装置的自由度,以及数据采集的及时性与精确度。技术创新点三:FID电子凋零技术,可无限制调节,并大大增强抗干扰能力。在FID信号放大上利用高精度数字电路对FID进行基流补偿,实现
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