變壓器油路腐蝕及氣體監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種變壓器油路腐蝕及氣體監(jiān)測系統(tǒng)，包括掛壁探頭、PC機(jī)、IC卡芯片和腐蝕測量及色譜分析系統(tǒng)，掛壁探頭包括電阻探針和氣體傳感器，電阻探針包括作為監(jiān)測腐蝕的暴露試片和作為參考的封閉掛片，附著于變壓器油管道內(nèi)的掛壁探頭采集的電阻和氣體信號送到腐蝕測量及色譜分析系統(tǒng)進(jìn)行色譜分析、腐蝕速度的計算和顯示，腐蝕測量及色譜分析系統(tǒng)通過IC卡與上位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的通訊傳輸，上位機(jī)利用IC卡對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和錄入。實現(xiàn)油回路管道腐蝕以及氣相色譜在線分析，系統(tǒng)簡單、靈敏、適用性強(qiáng)的特性，主要應(yīng)用在500KV變壓器及電抗器油回路的監(jiān)測領(lǐng)域。
【專利說明】
變壓器油路腐蝕及氣體監(jiān)測系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種監(jiān)測技術(shù)，特別涉及一種變壓器油路腐蝕及氣體監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]電力變壓器油回路長期運行中會出現(xiàn)油路腐蝕，電回路中的過熱或者局放故障，也需要油樣中溶解氣體分析才能夠發(fā)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明是針對電力變壓器油回路長期運行容易出現(xiàn)過熱或者局放故障的問題，提出了一種變壓器油路腐蝕及氣體監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)油回路管道腐蝕以及氣相色譜在線分析。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種變壓器油路腐蝕及氣體監(jiān)測系統(tǒng)，包括掛壁探頭、PC機(jī)、IC卡芯片和腐蝕測量及色譜分析系統(tǒng)，掛壁探頭包括電阻探針和氣體傳感器，電阻探針包括作為監(jiān)測腐蝕的暴露試片和作為參考的封閉掛片，附著于變壓器油管道內(nèi)的掛壁探頭采集的電阻和氣體信號送到腐蝕測量及色譜分析系統(tǒng)進(jìn)行色譜分析、腐蝕速度的計算和顯示，腐蝕測量及色譜分析系統(tǒng)通過IC卡與上位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的通訊傳輸，上位機(jī)利用IC卡對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和錄入。
[0005]所述掛壁探頭包括六個電阻探針掛片和四個氣體傳感器，電阻探針掛片為薄長條狀掛片，六片掛片每塊的阻值在O?50ηιΩ之間，六片掛片串連連接，左右兩端兩掛片為暴露試片，中間四個掛片為封閉掛片，四組氣體傳感器通過絕緣材料分別粘附于四組封閉掛片電阻上。
[0006]所述腐蝕測量及色譜分析系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，單片機(jī)外圍有高精度數(shù)控恒流源、前置運算放大器、高位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、IC卡的數(shù)據(jù)通訊和外圍輔助模塊;其中恒流源為數(shù)控式恒流源，其基準(zhǔn)電壓由單片機(jī)內(nèi)數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供，通過控制單片機(jī)的輸出來控制恒流源的大小以及輸出方式，完成電阻探針和氣體傳感器信號電壓的采集后，通過前置運算放大器將采集信號放大后，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器后數(shù)據(jù)送入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，自動量程的切換通過單片機(jī)輸出信號改變前置運算放大器的增益來實現(xiàn)，單片機(jī)輸出通過彩屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示，單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)通過IC卡的數(shù)據(jù)通訊RS232接口保存在IC卡中。
[0007]所述前置運算放大器選擇高輸入阻抗、低輸出阻抗、低失調(diào)電壓和溫度漂移以及高共模抑制比的儀用放大器。
[0008]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明變壓器油路腐蝕及氣體監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)油回路管道腐蝕以及氣相色譜在線分析，系統(tǒng)簡單、靈敏、適用性強(qiáng)的特性，主要應(yīng)用在500KV變壓器及電抗器油回路的監(jiān)測領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明變壓器油路腐蝕及氣體監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0010]圖2為本發(fā)明腐蝕電阻掛片的結(jié)構(gòu)示意圖；[0011 ]圖3為本發(fā)明PC機(jī)操作界面圖；
[0012]圖4為本發(fā)明油氣分離示意圖。
【具體實施方式】
[0013]油回路不受外界電場和磁場的影響，可直接將電阻探針以及氣體傳感器安放于油管道內(nèi)壁，以期實現(xiàn)實時地在線監(jiān)測，無需停運變壓器，并可查明變壓器發(fā)生的油回路及電回路內(nèi)部故障。為了靈敏快速的表示變壓器油管道腐蝕的變化，要求測量出管道腐蝕電阻掛片微歐級的變化、為了使腐蝕發(fā)生在管道表面時就能夠有效抑制，所以對測量系統(tǒng)分辨力的要達(dá)到ΙμΩ的級別。與掛片電阻整合的探頭中，包括氣體傳感器，實時將被監(jiān)測變壓器油中氣體信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?；電信號通過與掛片電阻公用通信通訊控制器，然后傳到上位機(jī)，實時顯示管道的腐蝕狀態(tài)和被監(jiān)測氣體濃度讀數(shù);實時讀取和保存監(jiān)測數(shù)據(jù)和結(jié)果。
[0014]如圖1所示變壓器油路腐蝕及氣體監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)包括四個部分:掛壁探頭100、PC機(jī)200、IC卡芯片300、腐蝕測量及色譜分析系統(tǒng)400，附著于變壓器油管道內(nèi)的掛壁探頭實現(xiàn)腐蝕掛片電阻的測量、油氣體采集，送腐蝕測量及色譜分析系統(tǒng)400進(jìn)行色譜分析、腐蝕速度的計算、彩屏的顯示，腐蝕測量及色譜分析系統(tǒng)400通過IC卡300和上位機(jī)200之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的通訊傳輸，上位機(jī)主要是利用IC卡300對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和錄入。
[0015]掛壁探頭100包括了六個電阻探針掛片以及四個氣體傳感器，電阻探針做成很薄的長條狀的掛片，作為腐蝕傳感器的電阻試樣的阻值非常小，；六片掛片每塊的阻值在O?50m Ω之間，電阻探針掛片是由六個特定的鋼片來研制的，結(jié)構(gòu)如圖2所示，串連連接，左右兩端各兩試片為暴露試片P1、P2，中間四個電阻試片為封閉掛片R01、R02、R03、R04，四組氣體傳感器通過絕緣材料分別粘附于這四組封閉掛片電阻上。在監(jiān)測的過程中，暴露試片用來對管道腐蝕環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，密閉的對照試片可以作為溫度補(bǔ)償功能的參考點。
[0016]針對六個電阻探針試片的特殊結(jié)構(gòu)采用多通道測量，如圖1所示進(jìn)行實時的在線切換和同時測量。以彌補(bǔ)數(shù)字萬用表精度不夠、微歐計只能進(jìn)行單次測量等問題，保證本發(fā)明中的監(jiān)測系統(tǒng)快速高效智能的效果。
[0017]腐蝕測量及色譜分析系統(tǒng)400中腐蝕監(jiān)測功能的實現(xiàn)方案為:
[0018]I)微電阻檢測儀的監(jiān)測分辨力在0-5πιΩ電阻的檢測分辨力達(dá)ΙιιΩ ;5πιΩ-50πιΩ電阻檢測分辨力達(dá)1uQ ;采用繼電器實現(xiàn)多個通道間的快速轉(zhuǎn)換及量程的自動切換。
[0019]2)實現(xiàn)腐蝕速度的在線計算和顯示，并且可以實現(xiàn)腐蝕數(shù)據(jù)的保存以及報警等功會K。
[0020]3)利用IC卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)在上位機(jī)和下位機(jī)之間數(shù)據(jù)的傳輸和讀取存儲功能。
[0021]4)計算部分采用四線測量法，消除接觸電阻和測量導(dǎo)線電阻的影響，實現(xiàn)6個腐蝕電阻掛片腐蝕前后微電阻的精確測量。
[0022]5)通過MSP430單片機(jī)10進(jìn)行電阻掛片厚度的檢測以及腐蝕速度的計算，并把以上數(shù)據(jù)通過彩頻以菜單的形式進(jìn)行顯示。
[0023]氣體傳感器中有微型燃料電池，依據(jù)下面的反應(yīng)式可將幾種特征氣體直接轉(zhuǎn)換為電信號:
[0024]氫氣Η2—2Η++2θ—
[0025]—氧化碳 C0+H20—C02+2H++2e—
[0026]乙炔C2H2+4H20—2C02+10H++10e—
[0027]乙烯C2H4+4H20—2C02+12H++12 e—
[0028]腐蝕測量及色譜分析系統(tǒng)400系統(tǒng)中色譜分析功能的實現(xiàn)方案為::
[0029]I)實時將被監(jiān)測變壓器油中氣體信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?對電信號進(jìn)行定期采樣；
[0030]2)電信號強(qiáng)度與氣體濃度成正比，通過測量電信號便可以得知氣體濃度和變化趨勢
[0031 ] 3)計算出采樣時變壓器油中氣體的濃度、小時變化趨勢和日變化趨勢；顯示當(dāng)前測量結(jié)果；
[0032]4)按照用戶設(shè)定的警報觸發(fā)條件，啟動報警。并對警報發(fā)生、處理、恢復(fù)過程進(jìn)行完整記錄；
[0033]5)監(jiān)測絕緣油中的氫氣(H2)，一氧化碳(CO)，乙炔(C2H2)和乙烯(C2H4)四種故障特征氣體的復(fù)合濃度及產(chǎn)氣速率。
[0034]腐蝕測量及色譜分析系統(tǒng)400以MSP430單片機(jī)10為控制核心，主要有高精度數(shù)控恒流源20、精密前置運算放大器30、高位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器40、IC卡的數(shù)據(jù)通訊50和外圍輔助模塊60、多通道的自動切換70(可選功能按鍵配合單片機(jī)進(jìn)行多通道采集)。其中恒流源20為數(shù)控式恒流源，通過控制單片機(jī)10的輸出來控制恒流源20的大小以及輸出方式，采用IA脈沖式恒流源20作為測量系統(tǒng)的激勵源。完成進(jìn)行掛片電阻和氣體傳感器兩路信號電壓的采集后，通過放大電路30將采集信號放大后，再通過AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器40后數(shù)據(jù)送入到單片機(jī)10中進(jìn)行處理。自動量程的切換通過單片機(jī)10輸出信號改變前置運算放大器30的增益來實現(xiàn)。單片機(jī)10輸出通過彩屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示。單片機(jī)10處理后的數(shù)據(jù)通過IC卡的數(shù)據(jù)通訊50RS232接口保存在IC卡300中，IC卡300實現(xiàn)數(shù)據(jù)在單片機(jī)10以及上位機(jī)200之間的通訊。
[0035]利用IC卡300實現(xiàn)數(shù)據(jù)在上位機(jī)200和單片機(jī)10之間的通訊，通過IC卡300把四路掛片數(shù)字信號及特征氣體濃度信號傳輸?shù)缴衔粰C(jī)200中，在上位機(jī)200中也可以進(jìn)行掛片信息及氣體濃度的錄入。
[0036]要避免因IA的電流過大對掛片的測量帶來溫漂、以及傳感器工作溫度的影響，本發(fā)明中恒流源20設(shè)計為數(shù)控的。在恒流源20的設(shè)計過程中，基準(zhǔn)電壓的選擇非常重要，因為基準(zhǔn)電壓的精確度決定著恒流源20的精度。本次恒流源20的設(shè)計選擇單片機(jī)MSP430的DAC輸出作為恒流源20的基準(zhǔn)電壓，穩(wěn)定性非常好，而且DAC的輸出可以由程序來控制，可以實現(xiàn)數(shù)控式脈沖恒流源20的設(shè)計，也降低了系統(tǒng)的功耗。
[0037]上述兩路電壓信號大都在mV級，而檢測分辨力要達(dá)UV級，因此為了提高測量的準(zhǔn)確性以及抗干擾性，選擇高輸入阻抗，低輸出阻抗，低失調(diào)電壓和溫度漂移以及高共模抑制比的儀用放大器作為前置運算放大器30。然后對電壓信號進(jìn)行濾波，選擇高位的AD進(jìn)行采集，并送入MSP430單片機(jī)10中進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和顯示。在實時測量過程中，通過改變前置運算放大器30的增益來實現(xiàn)量程的自動切換。最后通過IC卡300實現(xiàn)下位機(jī)腐蝕測量及色譜分析系統(tǒng)和上位機(jī)之間的通訊。
[0038]變壓器油路腐蝕及氣體監(jiān)測系統(tǒng)的PC機(jī)界面如圖3所示;主要包括設(shè)備連接、探針信息設(shè)置、IC卡操作和信息顯示部分。各部分功能如下:(I)設(shè)備連接:主要實現(xiàn)上位機(jī)界面和IC卡讀卡器的連接和斷開，可進(jìn)行串口的設(shè)置。(2)探針信息設(shè)置:可以查看或者設(shè)置電阻探針的信息，實現(xiàn)電阻探針4個電阻掛片阻值的讀取或者設(shè)置，并可計算測量時間。(3)實時氣體濃度:可以實現(xiàn)油氣相色譜監(jiān)測結(jié)果的顯示；包括，氫氣(H2)，一氧化碳(CO)，乙炔(C2H2)和乙烯(C2H4)四種故障特征氣體的復(fù)合濃度及產(chǎn)氣速率。而且可以選擇保存或者清除這些信息。(4)IC卡操作:可以實現(xiàn)IC卡的尋卡操作，并顯示IC卡的UID號。待IC卡尋卡成功，可以進(jìn)行腐蝕電阻掛片測量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)保存、IC卡復(fù)位操作。
[0039]本發(fā)明中變壓器油路腐蝕及氣體監(jiān)測系統(tǒng)的兩個功能分別是:通過測量腐蝕電阻掛片的電阻值計算腐蝕電阻掛片電阻試片厚度的變化，進(jìn)而計算腐蝕速度。
[0040]針對電阻掛片的特殊結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)自帶的多通道切換測量系統(tǒng)，能夠多個電阻的同時切換測量。測量系統(tǒng)采用四線制測量法進(jìn)行微電阻的測量，可以消除接觸電阻和測量導(dǎo)線的影響，防止測量腐蝕電阻掛片的微電阻值的誤差。以便能在較短時間內(nèi)獲得有效數(shù)據(jù)，檢出最小減薄量，及時的反應(yīng)腐蝕的情況。
[0041 ]氣體傳感器中的復(fù)合油膜將變壓器油中的特征氣體完全分離，如附圖4所示，后直接由燃料電池陰極輸出電流信號反應(yīng)這些特征氣體，腐蝕電阻掛片的微小電阻值上的電流信號，兩路電流信號都轉(zhuǎn)化為電壓信號，再通過前置運算放大器30的放大、通過高位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器40進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，MSP430單片機(jī)10進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和顯示，實現(xiàn)油路腐蝕速度及電回路故障特征氣體的在線計算和顯示。監(jiān)測系統(tǒng)完成一個完整的采樣分析需要在6分鐘。最短檢測周期可設(shè)定為為30分鐘，最長檢測周期可任意設(shè)定。
[0042]報警量的設(shè)置為:氫氣(H2)，一氧化碳(CO)，乙炔(C2H2)和乙烯(C2H4)四種故障特征氣體的復(fù)合濃度(150ppm高報警、300高高報警)、時產(chǎn)氣速率(15ppm/hour高報警、30ppm/hour高高報警)、日產(chǎn)氣速率(30ppm/hour高報警、60高高報警)、氣體傳感器及掛片電阻溫度(5°C低低報警、15°C低報警、65°C高報警、75°C高高報警)、掛片電阻開路短路報警。
【主權(quán)項】
1.一種變壓器油路腐蝕及氣體監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括掛壁探頭、PC機(jī)、IC卡芯片和腐蝕測量及色譜分析系統(tǒng)，掛壁探頭包括電阻探針和氣體傳感器，電阻探針包括作為監(jiān)測腐蝕的暴露試片和作為參考的封閉掛片，附著于變壓器油管道內(nèi)的掛壁探頭采集的電阻和氣體信號送到腐蝕測量及色譜分析系統(tǒng)進(jìn)行色譜分析、腐蝕速度的計算和顯示，腐蝕測量及色譜分析系統(tǒng)通過IC卡與上位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的通訊傳輸，上位機(jī)利用IC卡對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和錄入。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述變壓器油路腐蝕及氣體監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述掛壁探頭包括六個電阻探針掛片和四個氣體傳感器，電阻探針掛片為薄長條狀掛片，六片掛片每塊的阻值在O?50m Ω之間，六片掛片串連連接，左右兩端兩掛片為暴露試片，中間四個掛片為封閉掛片，四組氣體傳感器通過絕緣材料分別粘附于四組封閉掛片電阻上。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述變壓器油路腐蝕及氣體監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述腐蝕測量及色譜分析系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，單片機(jī)外圍有高精度數(shù)控恒流源、前置運算放大器、高位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、IC卡的數(shù)據(jù)通訊和外圍輔助模塊;其中恒流源為數(shù)控式恒流源，其基準(zhǔn)電壓由單片機(jī)內(nèi)數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供，通過控制單片機(jī)的輸出來控制恒流源的大小以及輸出方式，完成電阻探針和氣體傳感器信號電壓的采集后，通過前置運算放大器將采集信號放大后，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器后數(shù)據(jù)送入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，自動量程的切換通過單片機(jī)輸出信號改變前置運算放大器的增益來實現(xiàn)，單片機(jī)輸出通過彩屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示，單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)通過IC卡的數(shù)據(jù)通訊RS232接口保存在IC卡中。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述變壓器油路腐蝕及氣體監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述前置運算放大器選擇高輸入阻抗、低輸出阻抗、低失調(diào)電壓和溫度漂移以及高共模抑制比的儀用放大器。
【文檔編號】G01N35/00GK105988015SQ201610395032
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年6月6日
【發(fā)明人】劉宇寬, 魯俊, 熊蒙, 馬立新, 楊宗憲, 何亮, 薛松, 張建宇
【申請人】上海理工大學(xué)