2024年4月22日发(作者：)

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利说明书

(21)申请号 CN2.2

(22)申请日 2014.11.06

(71)申请人 长沙业嘉电子科技有限公司

地址 410000 湖南省长沙市保利麓谷林语C2-707

(72)发明人 吴志强 任学刚 其他发明人请求不公开姓名

(74)专利代理机构

代理人

(51)

G01N30/02

G01N30/24

(10)申请公布号 CN 104359988 A

(43)申请公布日 2015.02.18

权利要求说明书 说明书 幅图

(54)发明名称

一种新的矿物油中溶解气体分析的

气相色谱检测方法

(57)摘要

一种用于充油电力设备矿物绝缘油

中溶解气体分析的气相色谱检测方法，采

用双柱并联-串联切换，双通道微型热导检

测器分析的仪器系统。系统中设置一个十

通阀，同时实现进样和双柱串并切换的功

能。具体分析过程为：基线状态时，定量

环充入样品气，载气分两路分别流经A柱

和B柱，两柱为并联状态。进样时，转动

十通阀，定量环接入载气回路，同时A柱

和B柱实现串联，H

法律状态

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态

权 利 要 求 说 明 书

1.一种用于充油电力设备矿物绝缘油中溶解气体分析的气相色谱检测方法，采用程

控进样，双柱并联-串联切换，单微型热导检测器分析的仪器系统，装置主要包括

自动进样切换十通阀、色谱柱、微型热导检测器，其特征在于：

A、检测器为特制的池体积极小的微型热导检测器，两个通道均可作为测量和参考

通道，单检测器能实现对绝缘油中H₂，O₂，CO，

CH₄，CO₂，C₂H₄，

C₂H₆，C₂H₂八组分的检测；

B、自动进样十通阀能同时实现进样和切换，分析过程为：基线状态时定量环两端

连接需要分析的样品气，载气分两路分别流经A柱和B柱，两柱为并联状态。

2.如权利要求1所述的一种用于充油电力设备矿物绝缘油中溶解气体分析的气相色

谱检测方法，需要进样时，转动十通阀，定量环接入载气回路，同时A柱和B柱

实现串联状态，H₂，O₂, CO，CH₄在经A柱

初步分离后，进入B柱前面的延迟单元，此时切换十通阀状态，使十通阀恢复初

始状态，A柱和B柱为并联状态，CO₂，

C₂H₄，C₂H₆，

C₂H₂在A柱上分离后流入检测器的A通道出峰，随后从

延迟单元出来的H₂，O₂，CO，CH₄在B柱

上分离后在检测器的B通道上出峰。

3.如权利要求2所述的一种用于充油电力设备矿物绝缘油中溶解气体分析的气相色

谱检测方法，其特征在于：自动进样切换十通阀之前设有稳压阀，色谱柱入口之前

设有稳流阀，A色谱柱之后设有气阻，B色谱柱之前设有延迟单元，从两路色谱柱

流入检测器A、B通道的流量相同。

4.如权利要求1、权利要求2和权利要求3所述的一种用于充油电力设备矿物绝缘

油中溶解气体分析的气相色谱检测方法，其特征在于：A柱和B柱均为外径3mm

的不锈钢填充柱，A柱填料为60-80目Propak-N与80-100目的GDX-502混合，混

合比例为2:1，长度5米，B柱填料为80-100目的5A分子筛，长度为2.5米。

说 明 书

技术领域

本发明涉及一种气相色谱检测设备和电力设备故障检测技术类，特别是一种用于充

油电气设备矿物绝缘油中溶解气体分析的气相色谱检测方法。

背景技术

目前，电力系统一般采用绝缘油定期监督实验来保证变压器等电力设备的安全运行。

对变电站、电厂等内部的大型充油电气设备的绝缘油进行气相色谱分析一般需要在

专门的实验室进行，首先需要先到设备的运行现场（如发电厂、变电站）取回油样，

再通过实验室离线色谱仪进行分析。离线色谱仪一般采用三检测器技术（双氢火焰

离子化检测器和单热导检测器），使用并联分流进样方式。上述分析系统在离线定

期检测中应用广泛，但随着电力系统检修模式的转变，在线监测、状态检修、智能

化变电站是未来的发展趋势，所以发展适于现场检测和在线应用的色谱技术是电力

系统发展的方向。然而，如果将上述分析技术直接进行在线和现场应用，则将存在

诸多问题。

首先，整个过程中油样需要运输，分析周期比较长，期间气体可能逸散，尤其是像

H₂等低分子量气体，非常容易从油中析出，从而导致测量结果不准确。

其次，上述双检测器技术离线色谱仪需要N₂，H₂，空气

三种气源，氢火焰离子化检测器需要点火才能使用，应用在变电站现场时存在安全

隐患，不适合进行在线应用。并且并联分流进样方式需要通过手动操作，难以保证

每次操作时的分流比相同，也会影响分析结果的准确性。此外，三检测器技术的气

相色谱仪体积庞大，比较笨重，维护起来比较麻烦。

综上所述，如何在简化系统原理与结构、降低重量、降低成本的基础上提出一种重

复性、准确性和灵敏度符合中国国家标准和电力行业标准，能够同时用于现场检测

和适合实验室检测，适合于大规模推广的气相色谱检测方法就成为电力科研工作者

的一个重要课题。

发明内容

本发明的目的是克服上述三检测器分析系统的硬件结构复杂、自动化程度不高、难

以现场应用等不足，提供一种单一载气（99.9999%的高纯氦气）、自动进样、单

检测器分析的完成绝缘油中溶解气体分析的气相色谱法，即一种硬件结构简单，自

动化程度高，重复性、准确性和灵敏度满足在线应用要求，有利于电力行业大规模

推广的气相色谱检测方法。

进一步，这种用于高电压等级充油电气设备绝缘油中溶解气体分析的气相色谱检测

方法，采用单微型热导检测器分析，程控自动进样，双柱并联-串联切换的仪器系

统。

进一步，所述检测器为特制的池体积极小的微型热导检测器，两个通道均可作为测

量和参考通道，单检测器能实现对绝缘油中H₂，O₂，CO，

CH₄，CO₂，C₂H₄，

C₂H₆，C₂H₂八组分的检测。

进一步，所述程控自动进样方法为利用十通阀同时实现进样和切换。

进一步，所述双柱并联-串联切换分析过程为：基线状态时定量环两端连接需要分

析的样品气，载气分两路分别流经A柱和B柱，两柱为并联状态。需要进样时，

转动十通阀，定量环接入载气回路，同时A柱和B柱实现串联状态，

H₂，O₂, CO，CH₄在经A柱初步分离后，进

入B柱前面的延迟单元。此时切换十通阀状态，使十通阀恢复初始状态，A柱和B

柱为并联状态，CO₂，C₂H₄，

C₂H₆，C₂H₂在A柱上分离后流

入检测器的A通道出峰，随后从延迟单元出来的H₂，O₂，

CO，CH₄在B柱上分离后在检测器的B通道上出峰。

进一步，所述自动进样切换十通阀之前设有稳压阀，色谱柱入口之前设有稳流阀，

A色谱柱之后设有气阻，B色谱柱之前设有延迟单元。从两路色谱柱流入检测器A、

B通道的流量相同。

进一步，所述A柱和B柱均为外径3mm的不锈钢填充柱，A柱填料为60-80目

Propak-N与80-100目的GDX-502混合，混合比例为2:1，长度5米，B柱填料为

80-100目的5A分子筛，长度为2.5米。

这种用于充油电力设备矿物绝缘油中溶解气体分析的气相色谱检测方法，它是对国

内普遍使用的电力变压器油气相色谱仪的一种创造性改进。这种检测方法的改进体

现在以下几个方面：

其一，采用基于MEMS工艺的u-TCD检测器技术。国内离线色谱仪检测中应用较

多的是“普通热导+两个氢火焰离子化检测器”的组合检测方式，由背景技术的叙述

可知，基于上述检测器组合技术方式的气相色谱仪存在着硬件结构复杂、自动化程

度低、难以现场应用等缺点，尤其是FID检测器由于需要H₂点火的特

性决定了上述三检测器技术几乎不可能在现场应用中大规模推广。本发明采用基于

MEMS工艺的微型TCD检测器技术，单检测器即可检测H₂，

O₂，CO，CO₂，CH₄，

C₂H₄，C₂H₆，

C₂H₂油中八组分气体，对各组分气体具有优异的灵敏度，

对关键特征气体C₂H₂的灵敏度为1uL/L。相对于传统的

三检测器分析方法，本发明大大简化了硬件结构，降低了硬件成本，提高了系统的

可靠性，有利于在线应用中大规模推广。

其二，采用色谱柱串并切换方式进行混合气体的分离。传统的离线绝缘油中溶解气

体分析方法采用“并连分流”进样方式，所有组分同时进入两根色谱柱，存在

CO₂组分污染分子筛色谱柱，故分子筛色谱柱寿命有限。本发明采用

两根色谱柱，加上气阻，延迟单元等辅助件，利用串并切换的方式，实现切换功能

由十通阀实现。由于阻止了CO₂进入分子筛色谱柱，从而保证了分子

筛色谱柱不受污染，延长了色谱柱的寿命，提高了仪器整机的寿命和可靠性。

其三，用计算机控制的自动进样方式。传统的离线绝缘油中溶解气体分析方法由于

采用三检测器结构，气体进样方式一般为“手动”进样，上述进样方法步骤繁多，对

操作人员有较高的要求，并且由于不同人员的操作手法不同，当其对进行对同一台

仪器进行实验时，可能会因“分流比”不同而导致测量结果存在很大的差异。本发明

采用十通阀自动进样，十通阀的进样动作由嵌入式系统的计算机程序进行控制，大

大提高了仪器的自动化水平，保证了进样的重复性。

根据以上技术方案的这种用于高压电力充油电气设备的绝缘油中溶解气体分析的气

相色谱检测方法，符合国内电力行业对充油电气设备绝缘油气相色谱仪的色谱检测

国家标准，检测的组分多达八个，且对各组分气体具有优异的灵敏度，不仅提高了

仪器的自动化水平，而且同时提高了绝缘油气相色谱分析系统整体稳定性、检测数

据的重复性和准确性，简化了硬件结构，降低了系统成本，适合于智能电网项目中

大规模的推广和应用。该检测方法一方面为电力检修部门的检测技术提供了有力的

技术支持，同时也由于具有优良的性价比而为企业提高综合经济效益提供了技术保

障。

附图说明

图1为本发明的色谱以结构示意图；图2为本发明色谱仪待机状态气路图；图3为

本发明进样状态气路图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的气相色谱检测方法，采用高灵敏度微型热导检测器，双色谱

柱，程控进样和切换，单检测器一次进样分析油中溶解的八组分气体：

H₂，O₂，CO，CO₂，CH₄，

C₂H₄，C₂H₆，

C₂H₂；将气路模块的稳压1、稳流阀2、载气电磁阀3，

进样模块的十通阀4、气缸5、进样电磁阀6、检测器7，温控模块的开关电源8、

隔离变压器11、控制电路板12、固态继电器13，色谱模块的色谱柱箱10等安装

在一个便携式机箱9中。

如图2和3所示，本发明的气相色谱检测方法，待机状态时，定量环两端连接需要

分析的样品气，载气分两路分别流经A柱和B柱，两柱为并联状态。进样时，微

机控制转动十通阀，定量环接入载气回路，同时A柱和B柱实现串联状态，

H₂，O₂, CO，CH₄在经A柱初步分离后，进

入B柱前面的延迟单元。然后，切换十通阀状态，使十通阀恢复初始状态，A柱

和B柱恢复为并联状态，CO₂，C₂H₄，

C₂H₆，C₂H₂在A柱上分离后流

入检测器的A通道出峰，随后从延迟单元出来的H₂，O₂，

CO，CH₄在B柱上分离后在检测器的B通道上出峰。

该分析方法采用基于MEMS工艺的u-TCD检测器技术，利用参考通道和测量通道

的互换，相对于传统的单通道普通热导检测器而言，相当于增加了一个检测器，且

由于采用微型池体结构，灵敏度远远高过传统的热导检测器。此分析方法可以一次

进样分析油中八组分溶解气体，只需要一种载气，极大的简化了硬件结构，对各组

分气体具有优异的灵敏度，大大提高了矿物绝缘油气相色谱分析系统整体稳定性，

适合于智能电网项目中大规模的推广和应用。