绝缘油全密封自动取样仪

黄伟光，王花蕊，张广伟，何 琳，黎启亮，徐业键，杨志华，袁 淼，陈锡和

（广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523000）

绝缘油取样装置主要用于电力系统中各种对试验结果电压等级设备绝缘油样的取样。根据GB/T 7597—2007《电力用油（变压器油、汽轮机油）取样方法》及GB/T 17468—2019《电力变压器选用导则》，在进行变压器取油工作时需要严格遵守安全、科学的取油步骤与方法，取样过程需要实现全密封，以保证取样及结果的可靠性[1]。优化现阶段的绝缘油取样工作及取样过程的密封性与自动化操作是有效提高操作效率与电力设备安全运行及电力供应稳定性的重要方式，也是现阶段电力工作人员的重点研究方向。

1 仪器研制背景

现代国民经济的高速发展，对稳定可靠的电力供应提出了更高的要求，因此，电力系统的安全、可靠运行是保障国民经济快速发展的重要环节。电力变压器作为电力系统的心脏，变压器的运行对电力系统的安全稳定起着关键性作用。对变压器取油样开展分析测试是电力化学专业基本工作之一，在化学专业油试验中具有基石地位[2]。在现实工作中，天气、取样口的位置、周边环境、操作失误、运输中被污染等因素都会使这一简单的工作变得不简单。由于取样过程不规范会影响油样的精度、真空度、纯洁度等，因此取样过程直接关系到油试验结果是否真实地反映了设备的运行情况。

目前国内外暂时没有研究机构对于本文提出研发的仪器进行详细研究，市面上也没有特别适合的产品能够直接予以应用。为了消除取油样的过程中的各项干扰因素及不足之处，在现阶段的取油工作基础上，开展了本次课题的研究，提出一种绝缘油全密封自动取样仪[3]。通过总结分析传统取样方法及现有创新研发条件，从理论出发，经过试验验证，研制出创新高效的取样装置。

2 变压器油特性分析

变压器油是天然石油中经过蒸馏、精炼而获得的一种矿物油，是石油中的润滑油馏份经酸碱精制处理得到纯净稳定、黏度小、绝缘性好、冷却性好的液体天然碳氢化合物的混合物，俗称方棚油，浅黄色透明液体。

良好的变压器油应该是清洁而透明的液体，不得有沉淀物、机械杂质悬浮物及棉絮状物质。如果其受污染和氧化，并产生树脂和沉淀物，变压器油油质就会劣化，颜色会逐渐变为浅红色，直至变为深褐色。当变压器有故障时，也会使油的颜色发生改变，一般情况下，变压器油呈浅褐色时就不宜再用了。另外，变压器油可表现为浑浊乳状、油色发黑、发暗。变压器油呈浑浊乳状，表明油中含有水分[4]。油色发暗，表明变压器油绝缘老化。油色发黑，甚至有焦臭味，表明变压器内部有故障。

变压器油的主要作用包括绝缘、散热与消弧。由于变压器油具有比空气高得多的绝缘强度。绝缘材料浸在油中，不仅可提高绝缘强度，而且还可免受潮气的侵蚀。而变压器油的比热大，常用作冷却剂。变压器运行时产生的热量使靠近铁芯和绕组的油受热膨胀上升，通过油的上下对流，热量通过散热器散出，保证变压器正常运行。消弧作用体现在在油断路器和变压器的有载调压开关上，触头切换时会产生电弧。由于变压器油导热性能好，且在电弧的高温作用下能分触大量气体，产生较大压力，从而提高了介质的灭弧性能，使电弧很快熄灭。

本文研制的取样仪器是基于变压器机械结构与变压器油的化学特性基础上的科学研究，因此在使用上具有安全性高、稳定性好的技术功能[5]。

3 目前取样方式

目前电力系统中变压器油的取样方法是基于GB/T 7597—2007《电力用油（变压器油、汽轮机油）取样方法》的标准上进行的有效取样。此标准适用于变压器、互感器、油开关、套管等充油电气设备用油的采集。本文在此抽取标准取样方法中的重点内容进行简单论述，并从中找出存在问题，从而提出创新的绝缘油全密封自动取样装置。

3.1 取样工具的选取

对于取油工作，其工具包括常规分析用取样瓶、注射器及桶内取样用的取样管等。其中对于取样瓶，需要先用洗涤剂进行清洁，再用自来水冲洗，最后用蒸馏水洗净，烘干、冷却后，盖紧瓶塞，粘贴标签待用。而注射器在使用前也需要使用有机溶剂、自来水、蒸馏水洗干净，充分干燥后使用胶头盖住头部，贴上标签待用。对于取样管的要求，需要选取2～3根取样管在洗净干燥后两端用塑料封住，待用。在设备中取样的，需要用设备所带的防止污染的密封取样阀和作为导油管用的透明耐油管或塑料管[6]。

3.2 电气设备取样方法

对于变压器、油开关或其他充油电气设备的常规取样方法，需从下部阀门（含密封取样阀）处进行取样。取样前，油阀门需要先用干净的甲级面纱或纱布擦干净，旋开螺帽，接上取样用耐油管，再放油将管路冲洗干净，排出的废油用废油容器收集，废油不应该直接排至现场。然后用取样瓶进行取样，取样结束后旋紧螺帽[7]。而对于需要取样的套管，在停电检修时，还需要从取样孔进行取样。而对于没有放油管或取样阀门的充油电气设备，可以在停电或检修时设法取样。

3.3 油样的运输和保存

油样在取得后，需要尽快进行试验分析。例如对于做油中溶解气体分析的油样不得超过4 d；做油中水分体积分数分析的油样不得超过7 d。油样在运输过程中需要避免剧烈震动，防止容器破碎，尽量不选择空运。油样运输和保存期间，必须避光进行操作，保证注射器芯能自由滑动[8]。

4 现有技术问题分析

从上述取油工作方式现状可以得知，目前对于变压器绝缘油取样工作步骤是严谨烦琐的，但在实际应用中却存在着多种操作缺陷与安全问题，包括：①油样量读数不准确，导致测试结果出现偏差；②重复多次冲洗和排气，使空气、水分溶入油样，导致油样失真；③设备取样口位置低，取样人员处于蹲姿状态，容易眩晕，不符合人机功效；④需通过自动化控制手段，实现自动取样，提高工作效率。

5 取样仪研制内容

5.1 技术设计思路

针对现阶段变压器绝缘油取样工作存在的问题，本文研究课题的重点在解决仪器的全自动性与全密封性，将多种操作归于一体化装置上；同时为了提高仪器使用的便捷性，仪器需要实现人机互动触屏功能，方便设置相关参数[9]。

5.2 技术研究方案

本文提出了一种全自动油取样装置，解决了绝缘油取样量不准确、样品失真、取样工作效率低等问题，操作人员直接可以远程操作，既减轻了工作量又保证了人身安全。

装置结构包括注射器支架、触摸控制面板、步进电机、传动杆、充电电池、PLC单片机、电磁阀、微型泵组、三通阀、聚四氟乙烯管路、限位开关、液位开关、温度传感器、湿度传感器、远程模块、电量统计模块及手机APP。

取样装置主要分3部分，具体如下。

5.2.1 油路系统单元

如图1所示，该装置主要结构包括由3D打印组成的注射器支架、用于支撑取样的100 mL注射器、缓冲罐、电磁阀、微型泵组、三通阀、聚四氟乙烯管路连接形成的密封管路等。

图1 油路设计油路控制图

变压器油通过抽油阀1开启，抽油泵开启，经过缓冲油罐，缓冲罐中的液位开关实时监测油箱中的液位，保证装置油量正常，打开三通阀、开启步进电机，油路进入注射器，进行第一个清洗注射器步骤，待注射器通过红外限位开关进行限位，达到注射器指定位置后，关闭抽油阀，关闭抽油泵打开三通阀，注射器进行排油，排油完成后，完成清洗动作。进入第二步取样动作，打开三通阀，开启步进电机，注射器进行采样油量工作，达到采样油量后，关闭三通阀，关闭步进电机，将注射器拿出来，完成采样工作（这里特别注意关键技术点，注射器是通用的，头部装设一个可插拔式单向阀，连接油路部分叶接有一个小型单向阀保证注射器能够排除空气，并且能够不进空气地拿出注射器）。取出注射器后，进入第三步排油工作，打开排油阀，开启排油泵，将装置油抽出到费油罐，便能完成整个动作。

5.2.2 电路控制单元

如图2所示，控制系统由充电电池提供电源，通过可编程序PLC单片机控制电磁阀的“开”和“闭”及微型泵组实现取样系统排残油、系统冲洗、取油样的自动完成过程，控制步进电机通过传动杆配合限位开关准确控制取样量（40 mL、60 mL、80 mL）。充电电池为装置提供能源，满足多次取样工作的电量需求。

图2 电控回路设计图

触摸式PLC连接装置里的各个开关，电机电子元件通过编程分为自动和手动模式，自动模式只需要按动开启键即可完成清洗、采样、排油的过程，每个元器件都可单独进行操作，参数设计中，每个动作的时间间隔、采样量，都可以设置，为全自动化管理。

5.2.3 触摸控制单元

通过触摸屏，连接PLC单片机，显示系统各功能单元，实现各功能模块的控制，通过触摸屏实现全自动一键操作、各功能单独操作等功能。

5.3 技术关键点

本文提出的绝缘油全密封自动取样仪，其技术设计关键如下。本仪器集合系统排残油、系统冲洗、取油样的一系列功能，并且所有功能可选择全自动完成或根据实际情况选择人工操作，提高操作的灵活性与效率；仪器设有触摸屏，能显示系统各功能单元，实现各功能模块的人工便捷控制，可选择各单元独立完成或系统完成，通过触摸屏实现全自动一键操作；仪器配合手机APP使用，可实现远程控制与监控功能，将物联网智能化技术应用于绝缘油取样技术中；仪器采用充电电池提供电源，无需外接电源，方便携带使用。

6 成果效益

主要经济效益：通过本文技术装置的研制与应用，实现了100%全密封与全自动取样功能，防止取油过程中产生的各种泄漏等情况，实现整体取油操作的优化与规范，使绝缘油试验准确性提升80%以上，适用于变电站变压器取样工作。

社会综合效益：本课题装置适合全国推广应用，市场前景广阔，在实践工作中具有积极意义；创新的取样装置技术改造将能实现有效的技术优化，能为企业和社会创造更大的效益。

7 结论

通过对目前变压器取油工作进行走访与调研，在找到取油工作存在的问题后，提出一种绝缘油全密封自动取样仪。自动取样仪器在研制时结合绝缘油特性及变压器机械结构，进行了严谨的安全与技术分析，具有全自动化智能技术，配合手机APP实现远程操作监控功能，有效提升电力设备辅助检测工具的实用性与灵活性。后期研究人员将在得到应用反馈后，进行进一步的仪器优化，以满足实际使用需求。