专利名称：用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电力设备检测领域，尤指一种用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装置。
背景技术：
大型电力变压器目前实行计划检修制度，而计划检修不可避免会存在检修过剩或检修不足的问题。检修过剩造成人力、财力、物力的巨大浪费，导致设备利用率降低，而且对正常设备可能造成损伤；检修不足可能导致设备的事故隐患。采用在线监测技术可以有效避免这些问题，并最终实现变压器的状态检修。
存在着故障隐患或故障的电力变压器，其绝缘油中会产生H2(氢气)、CO(一氧化碳)、CO2(二氧化碳)、CH4(甲烷)、C2H6(乙烷)、C2H2(乙炔)、C2H4(乙烯)几种故障特征气体，根据油中溶解气体判别变压器内部是否存在潜伏性故障，亦称油色谱分析法，从五十年代就开始在电力系统应用，其有效性已被普遍证明。但是常规色谱法往往不能及时捕捉到故障信号。所以变压器油中气体在线监测是国内积极推广的技术。
变压器油中气体在线监测系统一般由油气分离单元、气体检测单元、微机数据处理及通讯单元组成。其中油气分离单元负责将油中溶解的气体分离出来，是系统检测分析的前提。
有人将鼓泡、动态顶空等装置应用于在线监测油气分离，它的主要问题是①结构复杂，易出故障。②在脱气过程中，油与气直接接触，变压器油会受到空气的污染危及绝缘；如果将脱气后的油遗弃，既消耗变压器油，又增加监测系统的维护工作量，而且仍难以保证变压器油在监测系统中与空气完全隔绝，最终给系统安全运行带来隐患；③重复性不好。
目前在线油气分离采用较多的是板框结构的高分子膜，油气分离的机理是溶解-扩散过程，其优点是结构简单。而膜的材料多选用有“塑料王”之称的聚四氟乙烯，因为它化学性能稳定，耐油、耐高温、机械性能好、透气性能也不错。但是，根据使用这类产品的电力用户的反映，高分子膜的油气平衡时间一般都在一周以上，这么长的平衡时间对气室的密封性提出了非常高的要求，如果气室的长期密封性不够好，气室内浓度就会改变，最终对整个系统的测量结果造成很大的影响。而且由于分离膜的平衡时间长，对各种不同的故障特征气体的平衡时间差别很大，例如C2H6的平衡时间可能比H2大几天，这样后端的测量结果很难按照亨利系数得到油中气体浓度准确的实时值，当油中气体浓度变化时其测量值不能跟踪实际的变化。
还有人使用加拿大Morgan Schaffer公司的变压器油中气体搜集器GP100，但其功能是针对氢气的采集。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种能在短时间内实现几种故障特征气体油气平衡的、适合现场应用的、不污染油的用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装置。
为实现上述目的，本实用新型采取以下设计方案一种用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装置，其特征在于它包括一中空纤维组件，包括外壳；中空纤维束，中空纤维束的两端用环氧树脂封头密封，中间加不锈钢支撑柱，环氧树脂封头与外壳之间用耐油硅橡胶O形圈密封；外壳侧壁设有一个进油口和一个出油口，外壳两端设有一个进气口、一个出气口；中空纤维束中每一中空纤维的外部与出油口和进油口相通，中空纤维束中每一中空纤维的内部通过其两端的开口与进气口和出气口相连通；一油泵，其进口通过管道与变压器出口相连接，其出口通过管道与中空纤维组件的进油口相连接；中空纤维组件外壳上的出油口通过管道与变压器进口相连接，管道上设有放气阀；通过管道依次串联连接的油井、电磁阀、真空泵、去油管和取样定量管，油井呈桶状，油井侧壁设有控制电磁阀的液位开关，外壳上的进气口与取样定量管相连接，外壳上的出气口与油井的进口相连接。
中空纤维束由50-1000根中空纤维组成，中空纤维由无定型聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯制成。
真空泵为微型隔膜泵。
油泵为微型齿轮泵。
液位开关为光电式液位开关。
本实用新型的优点是1、本实用新型用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装置，由于其采用如下手段，大幅度缩短了油气分离的平衡时间1)油气分离膜使用了中空纤维，提高了油与膜接触面积。2)中空纤维采用高透气材料无定型聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯制成，提高膜的渗透率H。3)在工作状态，中空纤维束内气体与取样定量管的气体不断进行循环，减少了气室中气体起始浓度C0。4)在工作状态，中空纤维组件外壳内的油与变压器本体的油不断进行循环，增加了油中气体浓度C′。
2、本实用新型用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装置，在工作中，变压器油始终处于封闭状态，不与空气直接接触，可以保证在油气分离过程中油不受到污染。
3、本实用新型用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装置，结构比较简单，装置的机械部件少，可以实现计算机自动控制，能够用于在线监测。该方法经现场应用，可在一小时内实现所有故障特征气体的平衡，相对于板框式膜的油气分离方法，速度得到大幅度提高。这样对重要的且有潜伏性缺陷的变压器，可以实现“紧急看护”，即可以每隔一小时进行一次检测，实时地侦测故障的发展趋势。
图1表示本实用新型整体原理图图2表示本实用新型中的中空纤维组件结构图具体实施方式
如图1、图2所示，本实用新型一种用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装置，其特征在于它包括一中空纤维组件4，包括外壳15；中空纤维束16，中空纤维束16的两端用环氧树脂封头13密封，中间加不锈钢支撑柱14，环氧树脂封头13与外壳15之间用耐油硅橡胶O形圈12密封；外壳15侧壁设有一个进油口20和一个出油口17，外壳15两端设有一个进气口18、一个出气口11；中空纤维束16中每一中空纤维的外部与出油口17和进油口20相通，中空纤维束16中每一中空纤维的内部通过其两端的开口与进气口18和出气口11相连通；一油泵3，其进口通过管道与变压器1出口相连接，其出口通过管道与中空纤维组件4的进油口20相连接；中空纤维组件4外壳15上的出油口17通过管道21与变压器1进口相连接，管道21上设有放气阀2；在装置初次运行时，放气阀2打开，油泵3运转，使油路充满油，气体通过放气阀2放掉。
通过管道依次串联连接的油井5、电磁阀6、真空泵7、去油管8和取样定量管9，油井5呈桶状，油井5侧壁设有控制电磁阀6的液位开关10(控制电路采用常规电路)，外壳15上的进气口18与取样定量管9相连接，外壳15上的出气口11与油井5的进口相连接。取样定量管9内的气体可以通过检测装置进行检测。去油管8内填充玻璃棉以滤去可能渗入气路的油蒸气。其中油井5和电磁阀6，在中空纤维意外损坏时，油首先渗入到油井5内，当油井5内控制电磁阀6的液位开关10检测到渗油时，电磁阀6关闭，后面的检测系统不会因为进油而受到损坏。
膜的气体渗透机理是溶解-扩散过程，遵循如下关系式C＝(9.87KC′-C0)×[1-exp(-1.013×105×HAt/dV)]+C0(1)式中，C-气室中气体浓度，C′-油中气体浓度，V-气室容积，A-油与膜接触面积，d-膜的厚度，K-气体的平衡常数，C0-气室中气体起始浓度，t-渗透时间，H-膜的渗透率。经过足够长的时间，油相中气体和气相中气体达到动态平衡，根据亨利定律，两边气体浓度有一个固定的比例系数，检测气相浓度就可推出油中气体浓度。
本实用新型用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装置的工作方式为在非工作状态，电磁阀6关断，油泵3和真空泵7都不运转。在工作状态，电磁阀6开通，油泵3和真空泵7都开始运转，真空泵7驱动气路中的气体进行循环，这样中空纤维内的高浓度气体不断被外气路的低浓度气体更新，式(1)中的气体起始浓度C0相对较小，提高了气体渗透速度。而且由于油路中的气体不断渗透到气路中，中空纤维组件4外壳15内的油中溶解气体会减少，所以油泵3驱动油路中的油进行循环，变压器1内的油不断补充进来，使中空纤维组件4外壳15内的油的气体浓度基本保持不变，相当于式(1)中油中气体浓度C′保持在最大值，提高了气体渗透速度。运转一小时后，油气分离实现平衡，油泵3和真空泵7都停止运转，这样取样定量管9内气压保持为恒定值，后续的检测装置立刻对取样定量管内的气体进行检测，然后电磁阀6关断，这样完成一次油气分离工作周期。
由上述可知，本实用新型用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装置在工作中，变压器油始终处于封闭状态，不与空气直接接触，可以保证在油气分离过程中油不受到污染。
中空纤维束16由50-1000根中空纤维组成，中空纤维由无定型聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯制成。具体采用杜邦公司生产的Teflon AF 2400；纤维丝的外径0.5mm、内径0.3mm，长度33cm，一个组件使用约200根纤维。由于中空纤维组件4内有数百根中空纤维，油与膜的总接触面积可达数千平方厘米；而常用的板框结构的高分子膜，膜的面积一般只有十多个平方厘米。这样式(1)中油膜总接触面积A得到数百倍的增加，显著提高了气体渗透速度。
聚偏氟乙烯中空纤维膜的结构为不对称结构，由很薄(数μm)的致密层和较厚(上百μm)的多孔支撑层组成。多孔支撑层主要维持中空纤维的自支撑能力，膜渗透性能主要取决于致密层。油气膜分离的机理是溶解-扩散过程，所以气体可以通过致密层。变压器油是混合物，其中小分子的分子量只有一百左右，致密层可以防止油分子渗透进气路内。膜的总厚度需要兼顾渗透性和支撑强度，取为100μm左右。为进一步防止油分子透过膜，将中空纤维外表面用聚乙烯醇溶液处理以提高了憎油性能。具体方法是将纤维用浓度5g/L的聚乙烯醇溶液浸泡10分钟，取出后用纯水冲洗。
无定型聚四氟乙烯(Teflon AF)的透气性能大大胜过聚四氟乙烯膜，特别是对几种故障特征气体的渗透率H，是聚四氟乙烯的几百到上千倍；是迄今为止最好的透气材料之一。采用无定型聚四氟乙烯的中空纤维为致密均质结构，不分层，这样可以得到更好的强度，同时杜绝了成膜过程中形成的缺陷造成漏油现象的发生。
真空泵7为微型隔膜泵。
油泵3为微型齿轮泵。
液位开关10为光电式液位开关。
本实用新型结构比较简单，装置的机械部件少，可以实现计算机自动控制，能够用于在线监测。该方法经现场应用，可在一小时内实现所有故障特征气体的平衡，相对于板框式膜的油气分离方法，速度得到大幅度提高。这样对重要的且有潜伏性缺陷的变压器，可以实现“紧急看护”，即可以每隔一小时进行一次检测，实时地侦测故障的发展趋势。
以上所述，仅为用来解释本实用新型之较佳实施例，并非企图据以对本实用新型做任何形式上的限制，所以凡是在本实用新型之创作精神下，所作的任何修饰或变更，皆仍应属于本实用新型意图保护之范围。
权利要求1.一种用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装置，其特征在于它包括一中空纤维组件(4)，包括外壳(15)；中空纤维束(16)，中空纤维束(16)的两端用环氧树脂封头(13)密封，中间加不锈钢支撑柱(14)，环氧树脂封头(13)与外壳(15)之间用耐油硅橡胶O形圈(12)密封；外壳(15)侧壁设有一个进油口(20)和一个出油口(17)，外壳(15)两端设有一个进气口(18)、一个出气口(11)；中空纤维束(16)中每一中空纤维的外部与出油口(17)和进油口(20)相通，中空纤维束(16)中每一中空纤维的内部通过其两端的开口与进气口(18)和出气口(11)相连通；一油泵(3)，其进口通过管道与变压器(1)出口相连接，其出口通过管道与中空纤维组件(4)的进油口(20)相连接；中空纤维组件(4)外壳(15)上的出油口(17)通过管道(21)与变压器(1)进口相连接，管道(21)上设有放气阀(2)；通过管道依次串联连接的油井(5)、电磁阀(6)、真空泵(7)、去油管(8)和取样定量管(9)，油井(5)呈桶状，油井(5)侧壁设有控制电磁阀(6)的液位开关(10)，外壳(15)上的进气口(18)与取样定量管(9)相连接，外壳(15)上的出气口(11)与油井(5)的进口相连接。
2.如权利要求1所述的用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装置，其特征在于中空纤维束(16)由50-1000根中空纤维组成，中空纤维由无定型聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯制成。
3.如权利要求1或2所述的用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装置，其特征在于真空泵(7)为微型隔膜泵。
4.如权利要求1或2所述的用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装置，其特征在于油泵(3)为微型齿轮泵。
5.如权利要求1或2所述的用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装置，其特征在于液位开关(10)为光电式液位开关。
专利摘要本实用新型涉及一种用于变压器在线监测的中空纤维油气分离装置，包括中空纤维组件，包括外壳；中空纤维束，环氧树脂封头，不锈钢支撑柱；外壳侧壁设有进油口和出油口，外壳两端设有进气口和出气口；中空纤维的外部与出油口和进油口相通，中空纤维的内部与进气口和出气口相连通；油泵，其进口通过管道与变压器出口相连接，出口通过管道与中空纤维组件的进油口相连接；外壳上的出油口与变压器进口相连接，管道上设有放气阀；通过管道依次串联连接的油井、电磁阀、真空泵、去油管和取样定量管，油井侧壁设有液位开关，外壳上的进气口与取样定量管相连接，外壳上的出气口与油井的进口相连接。本实用新型能在短时间内分离出变压器中的气体。
文档编号G01R31/02GK2689251SQ20042004809
公开日2005年3月30日 申请日期2004年4月9日 优先权日2004年4月9日
发明者周方洁, 李红雷, 董秋琴 申请人:宁波理工监测设备有限公司