一种双活塞式变压器油含气量现场测试装置及方法

技术领域

本发明属于电力系统检测技术领域，涉及一种双活塞式变压器油含气量现场测试装置及方法。

背景技术

变压器油作为性能优良的绝缘介质在电气设备中得到广泛的应用，变压器油绝缘灭弧性能的高低受到其自身各项指标的影响。含气量是变压器油的一项重要质量指标，其主要用来反映变压器油中所溶解的气体总量，具体包括氮气、氧气、二氧化碳、一氧化碳、氢气以及一些气态烃类。溶解的气体在温度压力变化的情况下可能会从油中析出形成气泡，气泡的绝缘强度要低于变压器油，在变压器油中形成绝缘薄弱区，导致绝缘击穿，危及设备安全运行。国家标准《变压器油维护管理导则》(GB/T 14542-2017)中对变压器、电抗器不同电压等级在热油循环后以及运行中的含气量指标都有具体的要求。1000kV电压等级的设备，热油循环后变压器油的含气量要求小于等于0.8％；投运前含气量要求小于等于1％；运行中要求小于等于2％。国际大电网会议(CIGRE)也认为当油中含气量在3％以下时，析出气体的危险性较小。

对于变压器油含气量的测量主要有二氧化碳洗脱法、真空压差法以及气相色谱法。

二氧化碳洗脱法是利用二氧化碳的过饱和将油中溶解气体置换并携带出来，然后同时通过装有氢氧化钾溶液的吸收管，使二氧化碳被碱液完全吸收，使油中溶解气体全部进入量气管，据此测定出油中溶解气体的含量。但是二氧化碳洗脱法这种方法存在的问题是CO

气相色谱法是目前应用最较为广泛的检测变压器油含气量的方法，其检测方法主要是利用机械振荡法或自动顶空脱气法脱出变压器油中的气体，然后用气相色谱仪分离、检测各气体组分，然后进行结果计算，以体积分数(％)表示计算的结果，以此得到变压器油中的含气量。气相色谱法检测精度高，重复性好，但色谱检测时间长，脱气过程人工环节多，对检测结果影响大。由于含气量的指标要求高(1000kV设备变压器油注油后含气量要求≤0.8％)，这对检测仪器设备的精密度提出了严苛的要求，由于实验条件的限制，只能在实验室内对油样进行测试。然而通过从现场将设备中的变压器油样用密封针管取回实验室进行检测这个过程中受到的人为因素和环境因素的影响太大，即使实验室的仪器再精密，检测过程再严谨，检测结果依然可能出现较大误差。

真空压差法测定绝缘油中含气量主要是将被测油样通过适当的方式进入高真空的脱气室，使试油中的溶解气体迅速释放出来，根据试油进入脱气室前、后释放气体产生的压力差值，结合室温、试油量、脱气室容积、脱气室温度等参数计算出油中溶解气体的含量，以标准状况下(101.3kPa、0℃)气体对试油的体积分数(％)来表示被测油样中的含气量，这种方法也被称为全脱气方法。

真空压差法具有测定快速准确的优点。真空压差法根据所使用的真空计不同，可分为U形柱压差计法和电子真空计压差法。

U形油柱压差计法对仪器设备密封性要求高，加之使用有毒的水银，常因仪器精度不高使脱气不完全，当真空度出现很小的偏差时，含气量的测定就有很大的误差。且该检测操作复杂，对试验人员的操作熟练度要求很高。

电子真空计压差法所使用的仪器由金属容器和电子真空器件、电子测量器件以及电子控制器件构成，装置智能化程度高，试验操作简单，准确度高等优点，随着装置的集成程度变高，亦可实现现场含气量的测量。例如，现有技术中公布日期为2017年8月18日、公布号为CN107063920A的中国发明专利申请《一种绝缘油中含气量的测量装置及方法》公开了一种改良的电子真空计真空压差法，该方法通过活塞的移动实现初始状态的绝对真空，无需预抽真空实现绝缘油中含气量的测量，该方法改良的方法能够实现现场含气量的快速检测。

但目前电子真空计压差法测量原理普遍是将一定体积的变压器油在真空条件下脱气，脱出气体将降低脱气容器的真空度，根据真空度的变化来计算含气量。也就是说测试所使用的变压器油的体积恒定，油中所含气体量不同，脱气容器的真空度变化量也不同。由于不同条件下的变压器油含气量差异很大，开放式油箱中油的含气量能够达到10％左右，对于特高压用油在热油循环后含气量要求不高于0.8％。对于不同含气量的油，显然脱气程度不同，脱出气体的绝对量不同，测试结果所表现出来的装置真空度的变化量也不同。为提高低含气量油的脱气效率，一般会采用增大真空体积，也就是增大脱气容器的体积，虽然脱气效率提高了，但气相的气体组分浓度是降低的，对应的真空计的压差变化是减小的，这对装置的精密度有更高的要求。

发明内容

本发明的目的在于如何设计一种双活塞式变压器油含气量现场测试装置，在真空测量装置精度不变的前提下，通过提高气相中气体的浓度从而提高检测精度。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的。

一种双活塞式变压器油含气量现场测试装置，包括：定量室(1)、第一活塞(2)、第二活塞(3)、真空测量装置(4)、第一湿度传感器(5)、第二湿度传感器(6)、加热保温外壳(7)、温度传感器(8)、第一阀门(9)、第二阀门(10)、第三阀门(11)、第四阀门(12)、第五阀门(13)、第六阀门(14)；所述的定量室(1)、第一活塞(2)、第二活塞(3)均安装在加热保温外壳(7)内部，定量室(1)的底部与第一活塞(2)的顶部之间通过第三阀门(11)连通，定量室(1)的顶部与第二活塞(3)的顶部之间通过第四阀门(12)连通；加热保温外壳(7)内壁侧面安装有温度传感器(8)，用于实时检测加热保温外壳(7)内部的温度；所述的真空测量装置(4)通过第二阀门(10)与定量室(1)的顶部连通；在定量室(1)的底部至加热保温外壳(7)外部连接一条进油管路，进油管路中串接第一阀门(9)和第一湿度传感器(5)，其中第一湿度传感器(5)位于加热保温外壳(7)内部；在第一活塞(2)的顶部与第三阀门(11)之间至加热保温外壳(7)外部连接出一条排油管路，排油管路中串接第六阀门(14)和第二湿度传感器(6)，其中第二湿度传感器(6)位于加热保温外壳(7)内部；在定量室(1)的顶部至加热保温外壳(7)外部连接一条排气管路，排气管路中串接第五阀门(13)。

本发明的技术方案采用第一活塞(2)将变压器油的油相与气相进行分离，通过关闭第三阀门(13)可有效地避免气体回溶的问题；第二活塞(3)用于增大气相体积以及提供更高真空度，以此提高脱气效率；在油相与气相隔离后，然后通过第二活塞(3)的复位将脱出的气体进行浓缩，降低了最终测量时气相的真空度，降低了对真空测量装置高精度的要求，有效地提高了装置的测量精度。第二活塞(3)复原后，气相的体积即为定量室(1)的容积，是一个定值，便于最终含气量的计算，同时也避免了每次对气相体积的测量，解决了气体体积的测量误差对含气量结果的影响，有效地提高了测量结果的准确性。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的定量室(1)为圆柱形，底部半径为r，柱高为h；第一活塞(2)为圆柱形，半径为r，柱高不小于h；第二活塞(3)为圆柱形，半径为R，柱高为4h，且R≥2.219r。

一种应用于所述的一种双活塞式变压器油含气量现场测试装置的方法，包括以下步骤：

S101、利用加热保温外壳(7)的控温功能对装置进行控温，使温度传感器(8)的显示值稳定在在设定的温度值；

S102、采用空白样品对装置进行校验，校验后真空测量装置(4)显示的定量室(1)的真空度为P

S103、打开第一阀门(9)和第五阀门(13)，其它阀门处于关闭状态，利用待测油样对定量室(1)、进油管路及排油管路进行冲洗，冲洗完毕且定量室(1)中充满待测油样，关闭第一阀门(9)和第五阀门(13)；

S104、打开第三阀门(11)，使定量室(1)与第一活塞(2)连通；打开第二阀门(10)，使真空测量装置(4)与定量室(1)连通，向下移动第一活塞(2)的拉杆，定量室(1)中的待测油样在重力以及活塞吸力作用下转移至第一活塞(2)中，直至待测油样全部进入到第一活塞(2)中，固定第一活塞(2)的拉杆的位置，保持待测油样充满第一活塞(2)的腔体内部空间；

S105、打开第四阀门(12)，使第二活塞(3)与定量室(1)连通，向下移动第二活塞(3)的拉杆，使第二活塞(3)内部形成真空状态，由于定量室(1)通过第四阀门(12)与第二活塞(3)连通，随着第二活塞(3)拉杆向下移动，定量室(1)与第二活塞(3)所形成的空间不断增大，且真空度不断降低，第一活塞(2)中的待测油样通过第三阀门(11)与上部真空区域形成油相、气相两相，随着第二活塞(3)拉杆的下移，气相体积不断增大，气体压力不断降低，待测油样中溶解的气体不断脱出，油与气得到分离，将第二活塞(3)的拉杆移动到最低端并保持不变，待真空测量装置(4)的示值不再发生变化，关闭第三阀门(11)使第一活塞(2)与定量室(1)断开连通；

S106、向上移动第二活塞(3)的拉杆至顶端，将第二活塞(3)中的气体全部充至定量室(1)中后关闭第四阀门(12)，利用真空测量装置(4)读出此时定量室(1)中气体的压力为P

S107、打开第六阀门(14)，向上移动第一活塞(2)的拉杆，将第一活塞(2)中的变压器油通过第六阀门(14)全部排空；

S108、打开第五阀门(13)使定量室(1)中气压与外界达到平衡，关闭所有阀门，测量结束，并计算变压器油中的含气量。

作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S108中所述的计算变压器油中的含气量的公式如下：

式中，G表示油中含气量；P

作为本发明技术方案的进一步改进，还包括：S109、对步骤S108中所述的变压器油中的含气量进行修正。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的修正的方法为：在步骤S103中的冲洗过程中，利用第一湿度传感器(5)测量出待测油样在进行脱气前的含水量，记为C

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的含气量修正公式为：

G'＝G-0.00124×(C

式中，G’表示修正后油中含气量；G表示修正前油中含气量；C

本发明的优点在于：

(1)本发明的技术方案采用第一活塞(2)将变压器油的油相与气相进行分离，通过关闭第三阀门(11)可有效地避免气体回溶的问题；第二活塞(3)用于增大气相体积以及提供更高真空度，以此提高脱气效率；在油相与气相隔离后，然后通过第二活塞(3)的复位将脱出的气体进行浓缩，降低了最终测量时气相的真空度，降低了对真空测量装置高精度的要求，有效地提高了装置的测量精度。

(2)通过设置的湿度传感器能够计算出脱出气体中的水分含量，有效地解决了油中所含水分对含气量测量结果的影响；

(3)保持测试过程恒温，有效地解决了温度对含气量测量结果的影响。

(4)所设计的定量室即作为待测油样的体积定量容器，也作为脱出的气体的体积定量容器，使得待测油样的体积和脱出气体后气相的体积相等，有效地简化了结果计算，同时避免了对油样体积和脱气后气相体积的测量所产生的误差。

附图说明

图1是本发明实施例的一种双活塞式变压器油含气量现场测试装置的结构图；

图2是本发明实施例的一种双活塞式变压器油含气量现场测试装置的定量室与活塞尺寸示意图；

附图标记：1-定量室、2-第一活塞、3-第二活塞、4-真空测量装置、5-第一湿度传感器、6-第二湿度传感器、7-外壳、8-温度传感器、9-第一阀门、10-第二阀门、11-第三阀门、12-第四阀门、13-第五阀门、14-第六阀门。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：

实施例一

1、装置结构和连接关系

如图1所示，定量室1、第一活塞2、第二活塞3、真空测量装置4、第一湿度传感器5、第二湿度传感器6、加热保温外壳7、温度传感器8、第一阀门9、第二阀门10、第三阀门11、第四阀门12、第五阀门13、第六阀门14。

所述的定量室1、第一活塞2、第二活塞3均安装在加热保温外壳7内部，定量室1的底部与第一活塞2的顶部之间通过第三阀门11连通，定量室1的顶部与第二活塞3的顶部之间通过第四阀门12连通；加热保温外壳7内壁侧面安装有温度传感器8，用于实时检测加热保温外壳7内部的温度；所述的真空测量装置4通过第二阀门10与定量室1的顶部连通；在定量室1的底部至加热保温外壳7外部连接一条进油管路，进油管路中串接第一阀门9和第一湿度传感器5，其中第一湿度传感器5位于加热保温外壳7内部；在第一活塞2的顶部与第三阀门11之间至加热保温外壳7外部连接出一条排油管路，排油管路中串接第六阀门14和第二湿度传感器6，其中第二湿度传感器6位于加热保温外壳7内部；在定量室1的顶部至加热保温外壳7外部连接一条排气管路，排气管路中串接第五阀门13。

2、装置关键尺寸说明

由图2所示，定量室1为圆柱形，底部半径为r，柱高为h；第一活塞2为圆柱形，半径为r，柱高不小于h；第二活塞3为圆柱形，半径为R，柱高为4h；因此，定量室1的体积(容积)V

根据真空脱气装置的对不同分配系数(K

式中，E

根据上式可以看出，当真空脱气装置确定(V

对于本发明装置，液相体积为待测油样体积，也就是定量室1的体积V

即：

V

即：

R≥2.219r

在定量室1的柱高为h，第二活塞3的高度为4h的前提下，取R＝2.3r即可保证该装置针对于变压器油中的C2H6的脱气效率＞90％。

3、装置的工作原理

(1)利用加热保温外壳7的控温功能对装置进行控温，使温度传感器8的显示值稳定在50℃左右。

(2)采用空白样品对装置进行校验，校验后真空测量装置4显示的定量室1的真空度为P

(3)打开第一阀门9和第五阀门13，其它阀门处于关闭状态，利用待测油样对定量室1及相关管路进行冲洗，冲洗油量的体积至少为定量室1体积的2倍；在冲洗过程中，利用第一湿度传感器5测量出待测油样在进行脱气前的含水量，记为C

(4)打开第三阀门11，使定量室1与第一活塞2连通；打开第二阀门10，使真空测量装置4与定量室1连通，缓慢向下移动活第一活塞2，定量室1中的待测油样在重力以及活塞吸力作用下向下移动，缓慢转移至第一活塞2中，直至待测油样全部进入到第一活塞2中，固定第一活塞2拉杆的位置，保持待测油样充满第一活塞2的腔体内部空间。

(5)打开第四阀门12，使第二活塞3与定量室1连通，缓慢向下移动第二活塞3的拉杆，使第二活塞3内部形成真空状态，由于定量室1通过第四阀门12与第二活塞3连通，随着第二活塞3拉杆向下移动，定量室1与第二活塞3所形成的空间不断增大，且真空度不断增加，第一活塞2中的待测油样通过第三阀门11与上部真空区域形成液、气两相，随着第二活塞3拉杆的下移，气相体积不断增大，气体压力不断降低，待测油样中溶解的气体不断脱出，油与气得到有效分离，将第二活塞3的拉杆移动到最低端并保持不变，待真空测量装置4的示值不再发生变化，关闭第三阀门11使第一活塞2与定量室1断开连通，使油相与气相进行有效隔离，避免脱出的气体回溶至油中。

(6)向上移动第二活塞3的拉杆至顶端，将第二活塞3中的气体全部充至定量室1中后关闭第四阀门12，利用真空测量装置4读出此时定量室1中气体的压力为P

(7)打开第六阀门14，向上移动第一活塞2的拉杆，将第一活塞2中的油通过第六阀门14全部排空，在此过程中，利用第二湿度传感器6测量经脱气后油中的含水量，记为C

4、测试结果的计算

式中，G表示油中含气量；P

当待测油样中含水量较大时，应考虑水分对含气量试验结果的影响，通过对脱气前后油中含水量的测量结果来对含气量测量结果进行修正：

G'＝G-0.00124×(C

式中，G’表示修正后油中含气量；G表示修正前油中含气量；C

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。