全自动工控一体油色谱取油装置设计及应用

赵崇智

（广东电网有限责任公司广州供电局）

0 引言

目前国内的变电站变压器油色谱分析取样存在一定误差，其准确性和可靠性还有待提升，其主要原因有以下两点：

（1）目前国内的变电站变压器油色谱分析取样容器，绝大部分都是采用100mL玻璃注射器，色谱试验采用人工脱气、手动进样方式进行的，色谱分析数据的准确性与试验操作人员有很大关系，色谱分析数据的误差有很大部分是来源于取样、脱气和进样操作过程中产生的，这对检测数据造成了一定的影响，在变电站变压器油色谱分析取样中需全面重视。若色谱分析能够实现脱气、进样仪器自动操作，就能够消除色谱分析的主要误差来源（人为操作误差）的产生，进而有效改善测试结果的重现性和准确性，增强测试数据的可比性，有效地避免和降低色谱试验油处理阶段脱气、取气过程中的操作失误率，避免色谱分析试验失败。

（2）另外，色谱分析数据准确性与油样采集容器的气密性有很大关系，色谱分析数据的误差绝大部分是在取样过程与取样容器的气密性、脱气和进样操作过程中产生的，若采集油样过程及储存和运输可以做到全密封，就能够消除色谱分析的部分的误差，进一步改善测试结果的重现性和准确性。

基于上述分析，目前的变电站现场取色谱油样操作工作［1-4］，试验工序较为繁琐，油样容易被污染，以及针筒取油对操作人员的技术要求较高，容易在采集流程中出现气泡现象，并且现有的油色谱取油装置密封性不强、智能化程度不高，如何调整主要误差来源（人为操作误差）的产生以及油样采集容器的气密性问题，实现智能一体化全自动工控取油操作，已经成为变电站变压器油色谱分析［5-7］取样技改的关键。

因此，为解决上述问题，本文提一种全自动工控一体油色谱取油装置，以此来实现自动化工控技术取代传统人工的色谱油样取样操作方式。

1 技术方案

1.1 系统结构

针对现有技术的不足，本文提供了全自动工控一体油色谱取油装置，解决了目前变电站现场取色谱油样工作中存在的工序繁琐，油样容易被污染，以及针筒取油对技术要求较高，并且操作不当，油样也容易出现气泡的问题。

为实现以上目的，本文通过以下技术方案予以实现：如图1所示：全自动工控一体油色谱取油装置，包括外油罐（1）和系统触摸显示屏（9），其特征在于：外油罐（1）的一侧固定连接在第一管道（13）的一端，第一管道（13）的另一端固定连接在油泵（2）的入油口，油泵（2）的出油口固定连接在第二管道（14）的一端，第二管道（14）的另一端固定连接在采集机构（3）的顶端，采集机构（3）的废液口固定连接在第三管道（15）的一端，第三管道（15）的另一端固定连接在第一管道（13）的外侧，第二管道（14）的外侧固定连接在第四管道（16）的一端，第四管道（16）的另一端固定连接在废油收集罐（4）的一侧，系统触摸显示屏（9）设置有声控终端（10）。

图1 全自动工控一体油色谱取油装置系统结构图

其中，采集区Z1是全自动工控一体油色谱取油装置中的重要组成部分，如图2所示，301为刻度尺；302为电池；303为系统控制口；304为丁青硅胶塞；305为注射口；306为手动阀开关；307为电池阀；308为注射器；309为注射活塞；310为锥形存储油罐；311为入油管；312为电磁阀；313为采油针；314为通信口；315为废油输出口。

图2 采集区系统结构图

采集机构包括注射器，并且注射器的底端内侧设置有注射活塞，注射器的顶端右侧固定连接有手动阀开关，注射器的前端外侧设置有刻度尺。注射器的顶端中部固定连接有注射口，注射口底端内侧设置有耐腐蚀性能强的丁青硅胶塞，丁青硅胶塞的底端设置有电池阀。

注射器的顶端左侧内壁设置有系统控制口，系统控制口的底端设置有电池。整个油色谱取油装置是采用锂电池18650电池组，24V进行供电，充电电流为2A，充电时常是电池容量决定的。注射口的内部设置有采油针，采油针的顶端固定连接有电磁阀，电磁阀的顶端固定连接有锥形存储油罐，锥形存储油罐的左侧下部固定连接有废油输出口，废油输出口的后部设置有通信口，锥形存储油罐的顶端中部固定连接有入油管，入油管的外侧一端与第二管道的另一端连通，电磁阀与系统触摸显示屏电性连接。注射活塞的底端设置有步进电机，步进电机的输出端固定连接在精密螺杆的一端，精密螺杆的外侧螺纹连接有注射活塞。第一管道的外侧设置有第一单向阀，第二管道的外侧设置有第二单向阀，第三管道的外侧设置有第三单向阀，第四管道的外侧设置有第四单向阀。系统触摸显示屏分别与油泵、步进电机、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀和第四单向阀电性连接。

1.2 工作原理

本文提供的全自动工控一体油色谱取油装置其工作原理为：

首先将注射器进行上下结构组合，将注射器放入设备支架后，设备支架为外部固定移动注射器的框架，随后滑动设备支架，将注射器通过注射口的作用，插入到锥形存储油罐下的针头采油口，即采油针进入到注射口内，随后再启动系统进行工作。考虑注射器放入色谱仪器时，电磁阀在人工开启后，注射器的注射活塞可能会因为垂直放置注射器，导致注射活塞被其所产生的重力势能影响而向下滑动。

为解决这一问题，本文所采取的办法是在注射器的入口处设计丁青硅胶塞，即橡胶塞，在注射器内部的阀门打开后，由于丁青硅胶塞的作用，注射器的注射活塞依然在密封的压力下保持高度不变，随后完成采集机构的搭建，进而基于上述基础，进行采油操作流程：

首先将待取样注射活塞放进注射器中，按下启动按钮，启动步进电机正转，在精密丝杆的传动下，带动注射活塞运动，进而启动吸油，当到达清洗容量后，则会全部停止，一秒后启动步进电机逆转，进行排油，排油完成后则全部停止，并且按照以上操作重复清洗二次，完成注射器的清洗作业，注射器清洗完成后，系统触摸显示屏上的系统恢复到最初状态，并且系统在清洗完毕后，会自动进入采油步骤，系统打开油泵，一秒后自动打开步进电机，达到设置值40mL后，停止运作，并通过声控终端进行语音提示，进而完成系统的油采集。继续上面的操作，系统自动打开油泵，开始将管道构成的管路中多余的变压器油排尽，完成排油后，系统触摸显示屏通过声控终端提示排油完成。排油系统的操作主要为了将内部油排空，因此需要将排油功能的时间设置较长，使排油排除得更加彻底，同时在启动排油之前，要先将插在变压器上的管拔掉，因为关闭变压器排油开关后，油路是属于密封状态，密封状态是排不了油的，因此在系统完成采油语音后，则要关闭变压器采油口，然后拔出采油管，直接的排油时间要符合以上两者的操作时间，废油回收应该是在操作完成以上两个动作后，再开始启动废油回收，避免环境污染，并且排油完成后，系统会自动恢复到初始状态，进而完成采油排油流程。采油完成后，将注射器取下，由于注射器脱离系统通信，自动启动内置的电磁阀实现即时封口，且装置的自动封口标配注射器组件是采用橡皮单向封口的物理结构，其中单向阀只进不出，通过橡皮管插入橡皮塞内部，由于设计过盈配合橡皮弹性形变紧贴在出油管上，通过外部进油压力，将橡皮管冲开，直接让油体压进注射器，取得的采油样品运输至实验室后，手动按下手动阀开关，使电磁阀打开，将气体从注射器的注射口插入穿透丁青硅胶塞而气体进入注射器，在压力的作用下，推杆会直接向下运动，直至气体完全注入注射器内，完成气体注射后，关闭开关即可，同时可以直接更换注射器，方法是直接放入新的注射器组件，然后点击触屏重复采油，更换操作更加方便，最后将混有气体的注射器放入震荡仪器后进行气体震荡后，再将混合气体的注射器放入色谱仪器前，打开注射器的顶部开关后，放入色谱仪器，最后完成油色谱取实验后，用针筒将气体从注射器上抽离，则可以将开关复位，便于后续进行其他的油采集作业，整个采油流程，采用针筒垂直放置的方式，并且增加模拟手动操作向上推动注射活塞的动作，可以有效避免空气进入内部，并且以上流程全部由系统触摸显示屏自动控制，全程无需手动操作，也可在设置中单步控制每一个步骤，全面地提高了变电站变压器取油工作操作效率与检测结果准确性，更加的智能化和便捷化。

2 效益评估

本发明提供了全自动工控一体油色谱取油装置，在电力系统变电站变压器取油工作应用以后具备以下有益经济效益与社会效益：

（1）本发明通过以PLC系统为主控，实现以自动化工控技术取代传统人工操作方式，并且通过触屏输入相关数据，集合清洗针筒、采集，排油、注射等一系列操作于一身，并设有注射器过放限制功能，单向阀只进不出，能有效防止油样定量体积的取样不准确问题，避免设备误判，并且在设计上适应各种变压器取油口的安装，无需人手繁琐操作，实现了密封性好的一体化全自动工控取油操作，并设有废油回收路径，防止因操作失误后产生的二次污染，不但全面地提高了操作效率与准确性，也降低了电力工作人员在操作中收到伤害的概率，对于取油步骤中的便捷性与安全性也得到优化。

（2）本发明通过油色谱取油装置中设置的开关阀、单片机、电机、多通油阀及散热器多部件结合，使得整个油样取油过程更加智能和便捷，实现了启动后的全自动操作，既避免了采样后的油污染，也极大地提升了油采集的工作效率，为后续提升数据稳定性和提高企业效益做出贡献。

（3）本发明通过注射器采用橡皮单向封口的物理结构，使气流单向流动，保证了油样只进不出，整体密封性能好，不会出现气泡现象，并且在采集油样的过程及后续储存和运输过程中，可以做到全密封输送，进而能够消除色谱分析的部分误差，进一步地提高测试结果的准确性。

3 结束语

本次研发的一种全自动工控一体油色谱取油装置，可满足变电站取油工作对新型操作工具的需求，通过以PLC系统为主控，实现以自动化工控技术取代传统人工操作方式，从而实现便捷快速的油色谱取油工作，同时不会对工作人员造成损伤。该成果的研制与应用能大大提高油色谱取油工作现场的工作效率，减少人工操作造成的误差率，提高操作安全性与便捷性，从根本上提高测试结果的准确性，有助保障电力设备安全可靠运行。