黃偉光，王花蕊，張廣偉，何 琳，黎啟亮，徐業(yè)鍵，楊志華，袁 淼，陳錫和

（廣東電網有限責任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000）

絕緣油取樣裝置主要用于電力系統(tǒng)中各種對試驗結果電壓等級設備絕緣油樣的取樣。根據GB/T 7597—2007《電力用油（變壓器油、汽輪機油）取樣方法》及GB/T 17468—2019《電力變壓器選用導則》，在進行變壓器取油工作時需要嚴格遵守安全、科學的取油步驟與方法，取樣過程需要實現(xiàn)全密封，以保證取樣及結果的可靠性[1]。優(yōu)化現(xiàn)階段的絕緣油取樣工作及取樣過程的密封性與自動化操作是有效提高操作效率與電力設備安全運行及電力供應穩(wěn)定性的重要方式，也是現(xiàn)階段電力工作人員的重點研究方向。

1 儀器研制背景

現(xiàn)代國民經濟的高速發(fā)展，對穩(wěn)定可靠的電力供應提出了更高的要求，因此，電力系統(tǒng)的安全、可靠運行是保障國民經濟快速發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。電力變壓器作為電力系統(tǒng)的心臟，變壓器的運行對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定起著關鍵性作用。對變壓器取油樣開展分析測試是電力化學專業(yè)基本工作之一，在化學專業(yè)油試驗中具有基石地位[2]。在現(xiàn)實工作中，天氣、取樣口的位置、周邊環(huán)境、操作失誤、運輸中被污染等因素都會使這一簡單的工作變得不簡單。由于取樣過程不規(guī)范會影響油樣的精度、真空度、純潔度等，因此取樣過程直接關系到油試驗結果是否真實地反映了設備的運行情況。

目前國內外暫時沒有研究機構對于本文提出研發(fā)的儀器進行詳細研究，市面上也沒有特別適合的產品能夠直接予以應用。為了消除取油樣的過程中的各項干擾因素及不足之處，在現(xiàn)階段的取油工作基礎上，開展了本次課題的研究，提出一種絕緣油全密封自動取樣儀[3]。通過總結分析傳統(tǒng)取樣方法及現(xiàn)有創(chuàng)新研發(fā)條件，從理論出發(fā)，經過試驗驗證，研制出創(chuàng)新高效的取樣裝置。

2 變壓器油特性分析

變壓器油是天然石油中經過蒸餾、精煉而獲得的一種礦物油，是石油中的潤滑油餾份經酸堿精制處理得到純凈穩(wěn)定、黏度小、絕緣性好、冷卻性好的液體天然碳氫化合物的混合物，俗稱方棚油，淺黃色透明液體。

良好的變壓器油應該是清潔而透明的液體，不得有沉淀物、機械雜質懸浮物及棉絮狀物質。如果其受污染和氧化，并產生樹脂和沉淀物，變壓器油油質就會劣化，顏色會逐漸變?yōu)闇\紅色，直至變?yōu)樯詈稚?。當變壓器有故障時，也會使油的顏色發(fā)生改變，一般情況下，變壓器油呈淺褐色時就不宜再用了。另外，變壓器油可表現(xiàn)為渾濁乳狀、油色發(fā)黑、發(fā)暗。變壓器油呈渾濁乳狀，表明油中含有水分[4]。油色發(fā)暗，表明變壓器油絕緣老化。油色發(fā)黑，甚至有焦臭味，表明變壓器內部有故障。

變壓器油的主要作用包括絕緣、散熱與消弧。由于變壓器油具有比空氣高得多的絕緣強度。絕緣材料浸在油中，不僅可提高絕緣強度，而且還可免受潮氣的侵蝕。而變壓器油的比熱大，常用作冷卻劑。變壓器運行時產生的熱量使靠近鐵芯和繞組的油受熱膨脹上升，通過油的上下對流，熱量通過散熱器散出，保證變壓器正常運行。消弧作用體現(xiàn)在在油斷路器和變壓器的有載調壓開關上，觸頭切換時會產生電弧。由于變壓器油導熱性能好，且在電弧的高溫作用下能分觸大量氣體，產生較大壓力，從而提高了介質的滅弧性能，使電弧很快熄滅。

本文研制的取樣儀器是基于變壓器機械結構與變壓器油的化學特性基礎上的科學研究，因此在使用上具有安全性高、穩(wěn)定性好的技術功能[5]。

3 目前取樣方式

目前電力系統(tǒng)中變壓器油的取樣方法是基于GB/T 7597—2007《電力用油（變壓器油、汽輪機油）取樣方法》的標準上進行的有效取樣。此標準適用于變壓器、互感器、油開關、套管等充油電氣設備用油的采集。本文在此抽取標準取樣方法中的重點內容進行簡單論述，并從中找出存在問題，從而提出創(chuàng)新的絕緣油全密封自動取樣裝置。

3.1 取樣工具的選取

對于取油工作，其工具包括常規(guī)分析用取樣瓶、注射器及桶內取樣用的取樣管等。其中對于取樣瓶，需要先用洗滌劑進行清潔，再用自來水沖洗，最后用蒸餾水洗凈，烘干、冷卻后，蓋緊瓶塞，粘貼標簽待用。而注射器在使用前也需要使用有機溶劑、自來水、蒸餾水洗干凈，充分干燥后使用膠頭蓋住頭部，貼上標簽待用。對于取樣管的要求，需要選取2～3根取樣管在洗凈干燥后兩端用塑料封住，待用。在設備中取樣的，需要用設備所帶的防止污染的密封取樣閥和作為導油管用的透明耐油管或塑料管[6]。

3.2 電氣設備取樣方法

對于變壓器、油開關或其他充油電氣設備的常規(guī)取樣方法，需從下部閥門（含密封取樣閥）處進行取樣。取樣前，油閥門需要先用干凈的甲級面紗或紗布擦干凈，旋開螺帽，接上取樣用耐油管，再放油將管路沖洗干凈，排出的廢油用廢油容器收集，廢油不應該直接排至現(xiàn)場。然后用取樣瓶進行取樣，取樣結束后旋緊螺帽[7]。而對于需要取樣的套管，在停電檢修時，還需要從取樣孔進行取樣。而對于沒有放油管或取樣閥門的充油電氣設備，可以在停電或檢修時設法取樣。

3.3 油樣的運輸和保存

油樣在取得后，需要盡快進行試驗分析。例如對于做油中溶解氣體分析的油樣不得超過4 d；做油中水分體積分數分析的油樣不得超過7 d。油樣在運輸過程中需要避免劇烈震動，防止容器破碎，盡量不選擇空運。油樣運輸和保存期間，必須避光進行操作，保證注射器芯能自由滑動[8]。

4 現(xiàn)有技術問題分析

從上述取油工作方式現(xiàn)狀可以得知，目前對于變壓器絕緣油取樣工作步驟是嚴謹煩瑣的，但在實際應用中卻存在著多種操作缺陷與安全問題，包括：①油樣量讀數不準確，導致測試結果出現(xiàn)偏差；②重復多次沖洗和排氣，使空氣、水分溶入油樣，導致油樣失真；③設備取樣口位置低，取樣人員處于蹲姿狀態(tài)，容易眩暈，不符合人機功效；④需通過自動化控制手段，實現(xiàn)自動取樣，提高工作效率。

5 取樣儀研制內容

5.1 技術設計思路

針對現(xiàn)階段變壓器絕緣油取樣工作存在的問題，本文研究課題的重點在解決儀器的全自動性與全密封性，將多種操作歸于一體化裝置上；同時為了提高儀器使用的便捷性，儀器需要實現(xiàn)人機互動觸屏功能，方便設置相關參數[9]。

5.2 技術研究方案

本文提出了一種全自動油取樣裝置，解決了絕緣油取樣量不準確、樣品失真、取樣工作效率低等問題，操作人員直接可以遠程操作，既減輕了工作量又保證了人身安全。

裝置結構包括注射器支架、觸摸控制面板、步進電機、傳動桿、充電電池、PLC單片機、電磁閥、微型泵組、三通閥、聚四氟乙烯管路、限位開關、液位開關、溫度傳感器、濕度傳感器、遠程模塊、電量統(tǒng)計模塊及手機APP。

取樣裝置主要分3部分，具體如下。

5.2.1 油路系統(tǒng)單元

如圖1所示，該裝置主要結構包括由3D打印組成的注射器支架、用于支撐取樣的100 mL注射器、緩沖罐、電磁閥、微型泵組、三通閥、聚四氟乙烯管路連接形成的密封管路等。

圖1 油路設計油路控制圖

變壓器油通過抽油閥1開啟，抽油泵開啟，經過緩沖油罐，緩沖罐中的液位開關實時監(jiān)測油箱中的液位，保證裝置油量正常，打開三通閥、開啟步進電機，油路進入注射器，進行第一個清洗注射器步驟，待注射器通過紅外限位開關進行限位，達到注射器指定位置后，關閉抽油閥，關閉抽油泵打開三通閥，注射器進行排油，排油完成后，完成清洗動作。進入第二步取樣動作，打開三通閥，開啟步進電機，注射器進行采樣油量工作，達到采樣油量后，關閉三通閥，關閉步進電機，將注射器拿出來，完成采樣工作（這里特別注意關鍵技術點，注射器是通用的，頭部裝設一個可插拔式單向閥，連接油路部分葉接有一個小型單向閥保證注射器能夠排除空氣，并且能夠不進空氣地拿出注射器）。取出注射器后，進入第三步排油工作，打開排油閥，開啟排油泵，將裝置油抽出到費油罐，便能完成整個動作。

5.2.2 電路控制單元

如圖2所示，控制系統(tǒng)由充電電池提供電源，通過可編程序PLC單片機控制電磁閥的“開”和“閉”及微型泵組實現(xiàn)取樣系統(tǒng)排殘油、系統(tǒng)沖洗、取油樣的自動完成過程，控制步進電機通過傳動桿配合限位開關準確控制取樣量（40 mL、60 mL、80 mL）。充電電池為裝置提供能源，滿足多次取樣工作的電量需求。

圖2 電控回路設計圖

觸摸式PLC連接裝置里的各個開關，電機電子元件通過編程分為自動和手動模式，自動模式只需要按動開啟鍵即可完成清洗、采樣、排油的過程，每個元器件都可單獨進行操作，參數設計中，每個動作的時間間隔、采樣量，都可以設置，為全自動化管理。

5.2.3 觸摸控制單元

通過觸摸屏，連接PLC單片機，顯示系統(tǒng)各功能單元，實現(xiàn)各功能模塊的控制，通過觸摸屏實現(xiàn)全自動一鍵操作、各功能單獨操作等功能。

5.3 技術關鍵點

本文提出的絕緣油全密封自動取樣儀，其技術設計關鍵如下。本儀器集合系統(tǒng)排殘油、系統(tǒng)沖洗、取油樣的一系列功能，并且所有功能可選擇全自動完成或根據實際情況選擇人工操作，提高操作的靈活性與效率；儀器設有觸摸屏，能顯示系統(tǒng)各功能單元，實現(xiàn)各功能模塊的人工便捷控制，可選擇各單元獨立完成或系統(tǒng)完成，通過觸摸屏實現(xiàn)全自動一鍵操作；儀器配合手機APP使用，可實現(xiàn)遠程控制與監(jiān)控功能，將物聯(lián)網智能化技術應用于絕緣油取樣技術中；儀器采用充電電池提供電源，無需外接電源，方便攜帶使用。

6 成果效益

主要經濟效益：通過本文技術裝置的研制與應用，實現(xiàn)了100%全密封與全自動取樣功能，防止取油過程中產生的各種泄漏等情況，實現(xiàn)整體取油操作的優(yōu)化與規(guī)范，使絕緣油試驗準確性提升80%以上，適用于變電站變壓器取樣工作。

社會綜合效益：本課題裝置適合全國推廣應用，市場前景廣闊，在實踐工作中具有積極意義；創(chuàng)新的取樣裝置技術改造將能實現(xiàn)有效的技術優(yōu)化，能為企業(yè)和社會創(chuàng)造更大的效益。

7 結論

通過對目前變壓器取油工作進行走訪與調研，在找到取油工作存在的問題后，提出一種絕緣油全密封自動取樣儀。自動取樣儀器在研制時結合絕緣油特性及變壓器機械結構，進行了嚴謹的安全與技術分析，具有全自動化智能技術，配合手機APP實現(xiàn)遠程操作監(jiān)控功能，有效提升電力設備輔助檢測工具的實用性與靈活性。后期研究人員將在得到應用反饋后，進行進一步的儀器優(yōu)化，以滿足實際使用需求。