一种变压器气体继电器样品采集实训装置的制造方法
【专利摘要】一种变压器气体继电器样品采集实训装置，通过主油箱、调节油箱、副油箱和变压器气体继电器装置的相互配合，可以精确制作出大容量的、任意特征气体浓度的变压器油标准样品，便捷用于电力变压器配套的油在线色谱的校验，油中各种特征气体成分和含量准确可控，并且可以常温下长时间恒值保存。配制出的变压器油能够连续、恒压输出，使用成本低，操作安全，快捷方便。变压器油采用回用净化、循环使用的方式，经济环保。
【专利说明】
一种变压器气体继电器样品采集实训装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种变压器气体继电器样品采集实训装置。
【背景技术】
[0002] 变压器等充油电气设备在运行中，不同的故障状态会产生不同的特征气体（主要 包括014、02!16工2!14、02!12、0)、0)2、!12等）。所有故障的产气率均与故障的能量释放紧密相 关。对于能量较低、气体释放缓慢的故障（如低温热点或局部放电），所生成的气体大部分溶 解于油中，整体而言基本处于平衡状态;对于能量较大（如铁芯过热)造成故障气体产生较 快，当产气速率大于溶解速率时可能形成气泡。在气泡上升的过程中，一部分气体溶解于油 中（并与已溶解于油中的气体进行交换），改变了所生成气体的组分和含量。未溶解的气体 和油中被置换出来的气体，最终进入继电器而积累形成自由气体(瓦斯气）；对于有高能量 的电弧性放电故障，迅速生成大量气体，并形成气泡迅速上升并聚集在继电器里，引起继电 器报警或保护动作。因此当气体继电器发出信号时，除应立即取气体继电器中的自由气体 (瓦斯气)进行色谱分析外，还应同时取变压器油样进行溶解气体分析，并比较油中溶解气 体和继电器中的自由气体(瓦斯气)的浓度，使用平衡判据来判断自由气体(瓦斯气)与溶解 气体是否处于平衡状态，进而判断故障的类别。
[0003] 比较方法:首先要把自由气体(瓦斯气）中各组分的浓度值利用各组分的奥斯特瓦 尔德系数ki计算出平衡状况下油中溶解气体的理论值，再与从油样分析中得到的溶解气体 组分的浓度值进行比较。
[0004] 计算方法：
[0005] Coi =ki X Cgi
[0006] 式中：Coi--油中溶解组分i浓度的理论值，uL/L;
[0007] Cgi--继电器中自由气体中组分的i浓度值，uL/L;
[0008] ki 一一组分i的奥斯特瓦尔德系数。
[0009] 判断方法：
[0010] (1)非故障状态:继电器中自由气体理论值和油中溶解气体的实测值近似相等，气 体样品中各组分浓度均很低，说明设备运行正常，继电器气体为非故障气体。
[0011] (2)潜伏性故障:继电器中自由气体理论值和油中溶解气体的实测值近似相等，溶 解气体浓度略高于理论值则说明设备存在产生气体较缓慢的。
[0012] (3)故障状态:气体继电器内的自由气体浓度明显超过油中溶解气体浓度，说明设 备内部存在产生气体较快的故障，释放气体较多，必须尽快处理。
[0013] 因此，及时正确采集并准确分析气体继电器中的气体成分是分析、判定变压器故 障最有效的措施之一。运维人员必须具备正确采集气体继电器中故障气体的操作能力。
[0014] 变压器的气体继电器安装于油枕下方，变压器上部，样品采集难度较大。变压器正 常运行时继电器中充满了变压器油，没有气体。因此，实际设备不具有操作培训的条件，不 能满足技术人员的操作培训需求，更无法模拟各种故障状态。
【发明内容】
[0015] 本发明要解决的问题是提供一种变压器气体继电器样品采集实训装置，该装置能 够模拟变压器典型故障，制备预设溶解气体浓度的变压器油样品和故障气体，并提供样品 采集方法，可以方便地配制各种故障状态下的变压器油和气体继电器中的故障气体样品， 完全拟合实际运行变压器采样操作，并且能够重复采集，适用于从业人员的培训和考核。
[0016] 为了解决上述问题，本发明提供一种变压器气体继电器样品采集实训装置，以及 使用所述装置制备多种变压器状态下的变压器气体继电器中气体样品的方法的技术方案 如下：
[0017] -种变压器气体继电器样品采集实训装置，包括：
[0018] 主油箱，内部设恒压排油装置，用于配制和保存变压器油，主油箱与调节油箱连 通，油温变化时油体积变化量通过调节油箱储存和补充；
[0019] 调节油箱，设有排空阀和进油阀，能够储存变压器油，位于主油箱上端，并且与主 油箱连通；
[0020] 副油箱，与主油箱连通，外部设有循环栗和真空栗，并且设有雾化系统，用于净化 回用油，除去回用油中残余水分和各种溶解气体杂质至基础油；
[0021] 混油管路，包括控制与主油箱连通的混油阀门和排油栗、控制与副油箱连通的副 油箱进油阀；
[0022] 净化循环系统，副油箱顶部设有雾化器，净化循环管路包括连接副油箱底部的循 环栗，所述循环栗通过双向阀与换热器连接，所述换热器通过混油管路与主油箱和副油箱 连接；
[0023] 气体控制装置，包括配制模拟故障气体的气瓶组、平衡气气瓶和相应的模拟故障 气体进样定量阀、平衡气进样定量阀，还包括用于配制故障气体的配气装置，所述模拟故障 气体气瓶组、平衡气气瓶和配气装置通过三通连接件与进气管连通，所述进气管与主油箱 进油管路连通；
[0024] 回收油容器，通过回用油管路与主油箱连通，通过净化循环管路与副油箱连通；
[0025] 变压器气体继电器装置，根据所模拟故障的产气量和变压器油中平衡气体的饱和 量，气体控制装置将混合好的故障气体定量，经气体辅助溶解装置加入变压器油中，控制各 种气体加入量和加入速度，可以模拟不同产气量和产气速率的变压器故障，过量的气体自 变压器油中逸出，进入气体继电器形成自由气体（瓦斯气），由视窗可以观察到油与故障气 体的分界面。
[0026] 进一步的，所述主油箱为橄榄球型耐压容器，所述排油装置包括可充分填充主油 箱内腔的球囊、控制球囊压力的恒压装置、压力传感器和双向气栗，所述球囊的底部与主油 箱底部密封连接，球囊球体为耐油橡胶材料。
[0027] 进一步的，所述调节油箱内设有高油位液位传感器，主油箱下部设有低油位液位 传感器。
[0028] 进一步的，所述副油箱体积为主油箱的两倍，并且所述副油箱底部为倒锥形。
[0029] 进一步的，所述进气管与主油箱进油管路设有辅助气体溶解装置，所述辅助气体 溶解装置包括分别连接进气管路、进油管路、出油管路的三通套管，所述进气管路上设有筛 分器，所述筛分器为海绵状结构，所述筛分器微孔孔径为10~20微米，可以将待溶气体细化 成微气泡，迅速完全地溶解到变压器油中。
[0030]本发明提供模拟变压器气体继电器装置中气体样品配制和采集方法，具体步骤如 下：
[0031] (1)系统真空:打开回路阀门，开启真空栗，将模拟变压器气体继电器装置的真空 度维持在700Pa~lOOOPa，静置10~20分钟。
[0032] (2)系统注油:将变压器油通过净化装置进行过滤后，注入副油箱中。
[0033] (3)回用油净化:将过滤后的变压器油加热到70~80°C，通过雾化装置，将加热后 的变压器油雾化成0.1mm的液滴，在负压状态下，溶解于变压器油中水分气化成水蒸气，杂 质气体的溶解度降低，都从油中逸散出来，随真空栗排出副油箱，变压器油落入副油箱底 部，继续进行加热、雾化、除杂质的循环，此步骤持续进行90 min~120min。
[0034] (4)含气量预置:将副油箱中变压器油注入主油箱中，根据设定故障，设置变压器 油的含气量在80%~110%，计算加入平衡气的体积，通过定量装置准确定量，然后将精确定 量的平衡气体经由辅助气体溶解装置注入油中，加气速度为〇. 2 L/min~1. OL/min，此过程 循环直至液气平衡，超过变压器油溶解能力的气体会逸出，由主油箱顶部进入变压器气体 继电器中聚集，形成自由气体。
[0035] (5)故障气体配制:根据设置故障，计算特征气体浓度、体积和加入速度，设置配气 仪配气参数，配制所设置故障下的混合故障气体浓度，用定量装置定量加入、循环，加气速 度为0.2 L/min~1 .OL/min，超过变压器油溶解能力的气体会逸出，由主油箱顶部进入变压 器气体继电器中聚集，形成自由气体，通过变压器气体继电器气体样品取气口采集。进一步 的，在步骤(1)之前对模拟变压器气体继电器装置油箱排空:将调节油箱内残余的运行变压 器油排入主油箱中，通过双向气栗对球囊加压并恒压至130kPa，将主油箱中残余的变压器 油排出至回收油容器中，通过循环栗将副油箱中的运行变压器油排出至回收油容器中。 [0036]进一步的，所述平衡气为氮气。
[0037] 进一步的，溶解气体包括特征气体CH4、C2H6、C2H4、02!12、〇)、〇)2、!12中的一种或 几种。
[0038] 进一步的，所述待溶解气体包括CH4、C2H6、C2H4、02!12、〇)、〇)2、!12中的一种或几 种。
[0039] 进一步的，变压器气体继电器为不锈钢结构，四面设置玻璃视窗和内置LED照明光 源，便于观察气体量等状况，并连接多个相互平行的变压器气体继电器气体样品取气口，允 许多人同时进行油、气样品采集。
[0040] 本发明的有益效果为:可以通过气体加入种类、加入量、加入速度等控制量，精确 模拟变压器运行的高温过热、火花放电、电弧放电等多种典型故障下变压器油和气体继电 器中气体组成，以及非故障状态的变压器油和气体继电器中气体组成。各种特征气体成分、 含量和产气量准确可控。配制出的变压器气体继电器自由气体(瓦斯气)能够连续输出，可 方便地用于变压器气体继电器故障气体采集操作训练和考核。使用成本低，操作安全，快捷 方便。变压器油采用回用净化、循环使用的方式，回用的变压器油能够净化到基本不含杂质 的基础油，经济环保。
【附图说明】 [0041 ] ：
[0042] 图1为本发明结构不意图；
[0043] 图2为本发明中辅助气体溶解装置结构示意图。
[0044] 图中：1_真空栗，2-雾化器，3-副油箱，4-排油阀，5-进油阀，6-循环栗，7-双向阀， 8-换热器，9-副油箱进油阀，10-排油栗，11-低油位液位计，12-球囊，13-主油箱，14-主油箱 混合油阀，15-净化装置，16-恒压装置，17-双向气栗，18-回收油容器，19-1 -变压器气体继 电器气体样品取气口，19-2 -变压器油样品采集口，20-平衡气气瓶，21-平衡气定量进样 器，22-平衡气进样定量阀，23-气体进气阀，24-故障气进气阀，25-故障气定量器，26-配气 仪，27-故障气瓶组，28-高油位液位计，29-排空阀，30-调节油箱，31-进气管，32-进油阀， 33-气体辅助溶解装置，34-变压器气体继电器，35-筛分器，36-进油管路，37-出油管路，38-三通套管。
【具体实施方式】
[0045] 下面结合附图和具体是实施方式对本实用新型进行进一步说明。
[0046] -种变压器气体继电器样品采集实训装置，包括：
[0047]调节油箱30,设有排空阀29,进油阀32,能够储存变压器油，位于主油箱13上端，并 且与主油箱13连通；
[0048] 主油箱13,内部设恒压排油装置，用于配制和保存变压器油样品。主油箱13与调节 油箱30连通，油温变化时油体积变化量通过调节油箱30储存和补充；
[0049] 副油箱3,与主油箱13连通，外部设有循环栗6和真空栗1，内部设有雾化系统，用于 净化回用油，除去回用油中残余水分和各种溶解气体杂质至基础油；
[0050] 混油管路，包括控制与主油箱13连通的混油阀门14和排油栗10、控制与副油箱连 通的副油箱进油阀9;
[0051] 净化循环管路，回用油通过净化装置15进入副油箱3,所述副油箱3顶部设有雾化 器2,净化循环管路包括连接副油箱3底部的循环栗6,所述循环栗通过双向阀7与换热器8连 接，所述换热器8通过混油管路与主油箱13和副油箱3连接；
[0052] 气体控制装置，包括配制模拟故障气体的气瓶组27、平衡气气瓶20和相应的模拟 故障气体进样定量阀25、平衡气进样定量阀21，还包括用于配制故障气体的配气装置26,所 述模拟故障气体气瓶组27、平衡气气瓶20和配气装置26通过三通连接件与进气管31连通， 所述进气管31与主油箱13进油管路连通；
[0053] 回收油容器18,通过净化循环管路与主油箱13和副油箱3连通；
[0054] 变压器气体继电器装置，根据所模拟故障的产气量和变压器油中平衡气体的饱和 量，气体控制装置将混合好的故障气体定量，经气体辅助溶解装置33加入变压器油中，控制 气体加入量和加入速度，可以模拟不同产气量和产气速率的变压器故障，过量的气体自变 压器油中逸出，进入气体继电器34形成故障气体，由视窗可以观察到油与故障气体的分解 面。气体继电器34上部设多个平行气体采样器，可以实现多人/组同时采集。
[0055] 进一步的，所述主油箱3为球型耐压容器，所述排油装置包括可充分填充主油箱3 内腔的球囊12、控制球囊12压力的恒压装置16、压力传感器和双向气栗17,所述球囊12的底 部与主油箱13底部密闭连接，球囊12球体为耐油橡胶材料。
[0056]进一步的，所述调节油箱30内设有高油位液位传感器29，主油箱13下部设有低油 位液位传感器11，能精确控制进油量。
[0057]进一步的，所述副油箱3体积为主油箱13的2倍，并且所述副油箱3底部为倒圆锥 形。
[0058]进一步的，所述进气管31与主油箱13进油管路间设有气体辅助溶解装置33,所述 气体辅助溶解装置33包括分别连接进气管31、进油管路36、出油管路37的三通套管38,所述 进气管路31上设有筛分器35,所述筛分器35为海绵状结构，所述筛分器35微孔孔径为10~ 20微米，可以将待溶气体细化成微气泡，迅速均匀地溶解到变压器油中。
[0059] 进一步的，所述副油箱3内部设有温度传感器，能够精确控制油温。
[0060] 进一步的，所述净化装置15包括去除较大粒径杂质的金属烧结过滤器和去除大部 分水分和油泥的高分子吸附柱。
[0061] 配制变压器油特征溶解气体确值样品时，如果装置内有残余的变压器油，首先将 调节油箱30内残余的变压器油排入主油箱13中，然后通过双向气栗17对球囊12加压并恒压 至130kPa，将变压器油排出至回收油容器18中，通过循环栗6将副油箱3中残余的变压器油 排出至回收油容器18中；
[0062]残余的变压器油排空后，通过双向气栗17排出球囊12内气体，关闭球囊进气阀门， 打开真空栗1将装置内抽真空，维持真空度为700Pa~lOOOPa，静置10~20min。
[0063] 将回收油容器18中的变压器油通过净化装置15过滤后，去除大部分水分和所有机 械杂质，注入主油箱13和调节油箱30中，到达高油位液位传感器29时停止进油，控制双向气 栗17向球囊12加压并恒压至130kPa，将所有变压器油注入副油箱3中。
[0064] 然后进行副油箱3中的变压器油深度净化，首先开启循环栗6、真空栗1、双向栗7和 恒温加热装置8,在恒温加热装置8中将变压器油加热到70~80 °C，经副油箱3顶部设置的雾 化器2，将变压器油雾化成0.1_的液滴，油中所有的溶解气体和水分从油中逸散出来，随真 空栗1排出副油箱3,此步骤持续进行90 min~120min。
[0065] 对杂质含量较高的回收油进行深度净化处理后，检测油中溶解气体含量，考察油 的净化脱气效果，结果如表1，净化效果良好。
[0066]表1回收油的净化脱气效果试验
[0067]
[0068] 预设不同变压器运行状态，设置配气仪参数，检测变压器油中溶解气体成分和气 体继电器中形成的自由气体成分，与预设状态对比，考核两者吻合度。
[0069] 将副油箱3中经过深度净化处理的变压器油通过副油箱3进油阀9注入主油箱13 中，关闭副油箱进油阀9,通过排油栗10和混合油阀14,控制恒温50°C，在混油管路和主油箱 13中密闭循环，设定不同平衡气饱和度，然后将精确定量的待溶解气体通过进气管31和气 体辅助溶解装置33以不同加气速度持续注入油中，循环，使油与待溶解气体充分混合。超过 变压器油溶解度的气体会逸出，聚集在主油箱上部，然后进入气体继电器，形成自由气体 (瓦斯气）。不同特征气体的溶解系数不同，液相变压器油和气相故障气体间形成动态平衡。 将球囊12充气加压并恒压至130kPa，打开采样阀19-1采集气体继电器气体样品，同时打开 采样阀19-2采集变压器油样品，可依据实际需求进行变压器油样和故障气体采样操作训 练、判据分析等培训、考核工作。排出气体的体积由主油箱13中的油补充。
[0070]模拟变压器运行的不同状态，检测瓦斯气成分、和变压器油中溶解气体成分，计算 油中溶解气体理论值，进行平衡判据分析。考核模拟各种变压器运行状态下的吻合度，试验 结果如表2~表4，试验结果表明吻合度良好。
[0071 ]表2模拟非故障状态吻合度试验
[0072](控制条件:平衡气体饱和度110%，加气速度0.5L/min)
[0073]
[0074] 平衡判据分析:继电器气样计算的理论值小于本体油样分析结果，变压器辅助系 统可能存在密封不严的缺陷，属于非故障原因瓦斯进气。
[0075] 表3模拟潜伏性故障状态吻合度试验
[0076](控制条件:平衡气体饱和度90%，加气速度0.2L/min)
[0077]
[0078] 平衡判据分析:气体继电器自由气样计算的理论值与本体油样分析结果相近，变 压器可能存在缓慢产期的潜伏性故障。
[0079] 表4模拟严重故障状态吻合度试验
[0080] (控制条件:平衡气体饱和度95%，加气速度1 .OL/min)
[0081
[0082]平衡判据分析：自由气样计算的理论值远远大于本体油样分析数值，说明瓦斯继 电器产生气体的原因是变压器内部存在突发性严重的故障产生的故障气体。
[0083] 检测本装置中变压器油贮存Oh(原始含量）、24h、96h，各溶解气体组分量值，考察 各溶解气体组分稳定性。试验结果如表5，稳定性良好。
[0084] 表5主油箱中油样品的稳定性试验
[0085]
[0086]本装置研发完成后，用于电力行业电气试验/化验岗位员工培训、考核以及电力院 校学生的教学工作，已运行15个月，完成职工培训4036人/次，共计13680学时，完成学生教 学实训720学时，变压器油全量回用，零排放。运行耗材（电、气体)成本约536元，平均0.037 元/学时。参培员工反响良好，培训教学效果显著，经济效益、社会效益显著。
【主权项】
1. 一种变压器气体继电器样品采集实训装置，包括： 主油箱，内部设恒压排油装置，用于配制和保存变压器油； 调节油箱，设有排空阀和进油阀，能够储存变压器油，位于主油箱上端，并且与主油箱 连通； 副油箱，与主油箱连通，外部设有循环栗和真空栗，并且设有雾化系统，用于净化回用 油，除去回用油中残余水分和各种溶解气体杂质至基础油； 混油管路，包括控制与主油箱连通的混油阀门和排油栗、控制与副油箱连通的副油箱 进油阀； 净化循环系统，副油箱顶部设有雾化器，净化循环管路包括连接副油箱底部的循环栗， 所述循环栗通过双向阀与换热器连接，所述换热器通过混油管路与主油箱和副油箱连接； 气体控制装置，包括配制模拟故障气体的气瓶组、平衡气气瓶和相应的模拟故障气体 进样定量阀、平衡气进样定量阀，还包括用于配制故障气体的配气装置，所述模拟故障气体 气瓶组、平衡气气瓶和配气装置通过三通连接件与进气管连通，所述进气管与主油箱进油 管路连通； 回收油容器，通过净化循环管路与主油箱和副油箱连通； 变压器气体继电器装置，包括变压器气体继电器和压器气体继电器气体样品取气口， 所述变压器气体继电器分别于主油箱和调节油箱连通。2. 根据权利要求1所述一种变压器气体继电器样品采集实训装置，特征在于，所述主油 箱为橄榄球型耐压容器，所述排油装置包括可充分填充主油箱内腔的球囊、控制球囊压力 的恒压装置、压力传感器和双向气栗，所述球囊的底部与主油箱底部密闭连接，球囊球体为 耐油橡胶材料。3. 根据权利要求1所述一种变压器气体继电器样品采集实训装置，特征在于，所述调节 油箱内设有高油位液位传感器，主油箱下部设有低油位液位传感器。4. 根据权利要求1所述一种变压器气体继电器样品采集实训装置，特征在于，所述副油 箱体积为主油箱的两倍，并且所述副油箱底部为倒锥形。5. 根据权利要求1所述一种变压器气体继电器样品采集实训装置，特征在于，所述进气 管与主油箱进油管路设有辅助气体溶解装置，所述辅助气体溶解装置包括分别连接进气管 路、进油管路、出油管路的三通套管，所述进气管路上设有筛分器，所述筛分器为海绵状结 构，所述筛分器微孔孔径为10~20微米，可以将待溶气体细化成微气泡，迅速完全地溶解到 变压器油中。6. 根据权利要求1所述一种变压器气体继电器样品采集实训装置，特征在于，所述变压 器气体继电器为不锈钢结构，四面设置玻璃视窗和内置LED照明光源，并连接多个变压器气 体继电器气体样品取气口。
【文档编号】G09B9/00GK205609056SQ201620136749
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年2月24日
【发明人】李艳萍, 李勇, 王贵明, 曲恒志, 王和辉, 张菁, 崔斌
【申请人】国网技术学院, 国网山东省电力公司烟台市福山区供电公司, 国网山东省电力公司, 国家电网公司, 国网山东省电力公司电力科学研究院