一.概  述

“OGCS-系列油中气体在线监测测试核心单元”是本公司为适应大型变压器油中气体在线监测的需求，专门依据大型变压器油中气体在线监测系统“测试核心单元单元”要求设计制造的配套产品。 “OGCS-系列油中气体在线监测测试核心单元”集成变压器油中气体在线监测系统“油气分离”、“色谱检测”及“控制采集”功能，配置相应的色谱主控数据通讯单元即成完整的油中气体在线监测系统。本手册对该机型的功能、操作等进行了阐述，随着装置进一步的改进完善请注意装置的随机资料和本手册的最新版本。

  适用标准：

满足“GB/T 17623-1998 绝缘油中溶解气体组份含量的气相色谱测定法”及 ANSI/ASTM、IEC等国际相关测试标准对油气分离装置的相关要求。

  适用范围： 

“OGCS-系列油中气体在线监测测试核心单元”是本公司为适应目前大型变压器油中气体在线监测的需求，专门依据大型变压器油中气体在线监测系统特定要求设计制造的配套产品。本单元采用模块化19‘机箱标准化设计，采用真空全脱气油气分离模式，以直线电机为驱动源；采用进口复合填料色谱柱组合分离系统、进口MEMS技术集成的高稳定性、长寿命、线性化气体热池检测器，能完成对变压器油中氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等特征气体组分的定性、定量检测。

二、测试核心单元特点

  单元特点：

油气分离：
1. 采用真空全脱气原理，不受气体溶解度影响；
2. 气路主要部件全部采用国外知名公司品牌产品，解决装置的高真空、气密性要求，采用油预热恒温、“脱气-收集”多次循环手段使油气分离迅速彻底，脱气效率高，重复性好；
3. 具有智能功能，能实现自检、故障报警，交互式操作和脱气过程智能调整，整个测试过程一键即可实现，对脱气过程可以通过修改脱气参数灵活调整，油量自动定量，脱出气量等定量参数自动计算给出；
4. 能实现自动标定和系统回油功能，并在设计上充分考虑了确保主设备的安全运行；
5. 脱气腔室全部采用金属构件，克服了对气体组份的吸附，大大便利了脱气后组分残留的清洗；
6. 设有自动进样气路接口和电路控制硬件接口，能实现与测量单元的气路连接及监控系统的控制信号硬件连接；
7. 装置驱动源升级为直线电机进一步提高了可靠性。

色谱分析：
1、采用模块式进口复合填料色谱柱组合分离系统，对特征气体气体全组分能实现分离，克服了传统设计中氢气、空气、一氧化碳和甲烷分离较差，定量易受到绝缘油中空气组分的干扰，氢气与一氧化碳定量不准确的缺点；
2、采用进口MEMS技术集成的高稳定性、长寿命、线性化气体热池检测器，克服了传统设计的气敏传感器为主体的检测系统的长期稳定性差、易中毒失效、非线性响应、定量准确性差的缺点，简化了系统的标定和校正，为系统的在线标定和校准创造了充分条件；
4、检测单元设计采用模块化、精密机械加工工艺，结构紧凑、死体积小，组分峰形尖锐、响应灵敏度高，克服了传统检测单元设计结构大、峰形扩散大，峰形较胖拖尾等的缺点；长期稳定性好,定量准确，测量结果与实验室离线结果趋于一致；
6、对载气要求相对宽松，必要时可以采用洁净空气作为载气，可避免频繁更换载气钢瓶的麻烦；

控制采集：
1、电路控制选用高可靠性、工业级产品，灵活可靠，扩展性强，易于产品升级；
2、单元采用智能化、工业化设计，操作使用简便，使用环境要求宽松、能满足严酷恶劣的现场监测系统要求；

装置设有RS-485/RS-232通讯接口， 能实现与色谱主控数据通讯单元或上位计算机的连接，并可提供软件编程的通讯协议接口文件和windows系统调试程序；

三、主要技术指标

  主要技术指标：

供电电源：交流220V 100W、直流24V 50W
环境温度：-10~60℃
环境湿度：20%-85%
数据接口要求：RS485 /RS232
进样方式:六通进样阀
标定方式:自动、手动
检测器信号输出：模拟信号、数字化信号（协议见附页）
控制操作：人机调试屏或色谱主控数据通讯单元、上位主机
耐电压：AC1000V─10MA 1 分钟
绝缘阻抗：DC500V─约10MΩ （信号与地间）
耐振动：10～25Hz(X,Y,Z 方向各30 分钟2G)
抗干扰电压噪声： 1000Vp-p
保护结构：适合IP55
外形尺寸：长480mm宽430mm高220mm
重量：25kg

  检测参数：

载气：高纯空气或洁净空气（不含被测组分）
柱前压力： 0.2MPa
柱温：75℃

  检测精度：

重复性: 检测限±8%测量值
再现性：检测限±20%测量值

四、测试核心单元硬件接口

油路和气路接口及配接简述：

图一、油路、气路接口示意图

表一、油路、气路接口配接简述

内容序号	装置接口	外接设备	备注
1	进油接口	变压器油样采集进油管道（离线油样）	进、回管道应保证洁净，连接时应进行试压和排气，连接后应保证密封和畅通，确保无油流携气和异物带入装置可能。进油管道容积不大于180mL，变压器取样口无死油；离线油样测试前务必确认切换三通状态！！！
2	排油接口	变压器油样采集回油管道（排油容器）
3	载气接口	接载气	接载气时钢瓶减压阀输出压力应严格控制在0.5MPa以内，较高的压力可能增加载气的消耗，超限可能影响装置的安全性。
4	标气接口	标定时接标准气(气体样品）	接标准气进行标定时压力控制在0.05MPa左右。

  电气连接接口及配接简述：

图二、电气连接典型接口

表二、电气连接接口配接简述

内容 序号	接口功能	备注
5 6	通道2检测器信号 （电压信号)	检测通道H2 CO CH4
7 8	通道1检测器信号 (电压信号)	检测通道H2 CO CH4 CO2 C2H6 C2H2 C2H4
9	启动“清洗”流程（IN）（无源开、短路信号）	对信号公共端（12）接通有效，大于1s脉冲触发。启动油路清洗流程，用于离线油样测试后的油路清洗。
10	启动标油“验证”流程（IN）（无源开、短路信号）	对信号公共端（12）接通有效，大于1s脉冲触发。用于 标油验证或离线油样品检测。选择主控数据通讯单元控制进样时，样品准备就绪请求进样（或数据采集）信号有效时，需再次发送该脉冲触发六通阀切换进样。
11	启动标气“标定”流程（IN）（无源开、短路信号）	对信号公共端（12）接通有效，大于1s脉冲触发。用于 标气标定或离线气体样品检测。选择主控数据通讯单元控制进样时，样品准备就绪请求进样（或数据采集）信号有效时，需再次发送该脉冲触发六通阀切换进样。
12	9、10、11、13、14信号公共端
13	“复位”现行执行流程（IN）（无源开、短路信号）	对信号公共端（12）接通有效，大于1s脉冲触发。
14	启动试油“测试”流程（IN）（无源开、短路信号）	对信号公共端（12）接通有效，大于1s脉冲触发。选择主控数据通讯单元控制进样时，样品准备就绪请求进样（或数据采集）信号有效时，需再次发送该脉冲触发六通阀切换进样。
15 16	样品准备“就绪”信号，请求进样（或数据采集）（OUT） （无源开、短路信号）	流程控制进样时，通知主控数据通讯单元即将切换进样阀请在其信号下降沿开始数据采集；主控数据通讯单元控制进样时，通知主控数据通讯单元准备发送切换进样阀信号并在其信号下降沿开始数据采集。继电器短路信号， 六通阀切换后恢复开路。 接线时注意正负 15- 16+
17	RS485通讯口 B（-）	非隔离信号，用于单元与色谱主控数据通讯单元通讯。
18	RS485通讯口 A（+）
19	输出24V-电源（OUT）	为方便装置调试而设，请外接负载小于300mA。
20	输出24V+电源（OUT）
	RS232口	与调试屏或计算机通信

五、测试核心单元软件通讯接口

本单元配置有二个串行通讯口，执行ModbusRTU协议，配置为从设备。9针串口即RS232，一般用于装置与电脑或人机界面通讯，进行程序下载、监控等操作和运行调试程序；A,B口为RS485，用于单元与色谱主控数据通讯单元通讯，可读写装置状态、参数，执行流程。

图三、软件接口

   通讯接口（COM1）： 

使用装置提供专用通讯电缆一端插入装置后面板串口 RS232 9针串口插座，另一端9针串口插头与电脑（人机界面或USB转串口电缆）9针串口插座连接，使用默认配置。
电脑上可运行PLC  XC系列编程工具，对装置进行程序下载、监控等操作；运行装置调试程序可读写装置状态、参数，执行流程。

   通讯接口（COM2）： 

通讯接口使用RS485标准接口将装置电气接线端子18【RS485通讯口 A（+）】、17【RS485通讯口B（-）】连接至色谱主控数据通讯单元的RS485通讯口。通过设置不同的Modbus站号允许同一色谱主控数据通讯单元连接多个“测试核心单元”。

   数据寄存器： 

下列数据寄存器可通过ModbusRTU寄存器读写指令读或读写。 Modbus地址即为寄存器序号。  

内容 寄存器	数据寄存器含义	备注
D5500	通道1检测器AD值	16383/5V，只读
D5501	通道1检测器AD值
D2550	油气分离油路压力传感器读数Id100	包含一位小数，单位KPa，只读
D2560	油气分离气路压力传感器读数Id101
D2570	色谱分析载气压力传感器读数Id102
D1002	油气分离加热温度指示ID1002	包含一位小数，单位℃，只读
D1003	色谱柱箱加热温度指示ID1003
D5090	机柜温度指示ID103
D5091	备用测温指示ID104
D5021	油气分离加热温度设置	包含一位小数，单位℃，读写
D5080	色谱柱箱加热温度设置
D5095	色谱采样周期设置	包含一位小数，单位秒，读写
D5098	测试单元油气比设置	包含一位小数，读写
D500	油气分离流程状态寄存器值，只读	D500=10：正在对油路清洗.... D500=11：正在采集试油.... D500=20：正在装置残留油脱气和.回油.... D500=21：正在采样油路死油置换........ D500=22：正在采样油路死油回油.... D500=23：正在采集试油.及回油.... D500=0：" 开机预备".... D500=1："试油净化".... D500=2："油循环&系统清洗".... D500=3："系统气路清洗".... D500=4："系统气路载气冲洗".... D500=5："系统抽真空".... D500=6："试油脱气".... D500=7："油气平衡".... D500=8："样气收集".... D500=9："样气进样".... D500=30：油气分离流程成功执行 恢复预备 D500=40：油气分离流程中止执行 恢复预备
D600	气体标定、气样测量采样流程状态寄存器值，只读	D600=0：" 开机预备".... D600=1：正在对集气回路及定量管充标气.... D600=2：正在对集气回路及定量管标气排空.... D600=3：正在对联机色谱仪进样标定.... D600=30：气体采样流程成功执行 恢复预备 D600=40：气体采样流程中止执行 恢复预备
D800	装置开关量指示寄存器值，只读	D800bit0：油气分离加热通断指示。 D800bit1：色谱柱箱加热通断指示。 D800bit2：- D800bit3：进油管放气状态指示。 D800bit4：进油管检查状态指示. D800bit5：回油管放气状态指示。 D800bit6：回油管检查状态指示。 D800bit7：六通阀状态指示（1：进样，0-取样） D800bit8：气路冲洗状态指示 D800bit9：油路冲洗状态指示。 D800bit10：- D800bit11：在线油气分离状态指示。 D800bit12：气体采样状态指示。 D800bit13：离线油气分离状态指示。 D800bit14：六通阀切换方式指示（0-流程控制，1：主控数据通讯单元控制） D800bit15：色谱采样状态指示（1：正在色谱采样）
注：不同机型可能有差异，详见出厂随机资料。

   控制继电器（设置寄存器）： 

下列数据继电器线圈可通过ModbusRTU继电器线圈读写指令读写。 Modbus地址即为继电器序号。

内容 继电器		命令功能	备注
检查操作或流程
M255		进油管路放气操作	排除进油管路气体
M256		回油管路放气操作	排除回油管路气体
M251		切换六通阀进样操作	将装置样气按定比例规则定量切换至色谱柱
M101		样气回路检查操作	六通阀接入后对样气回路进行气密性等检查
M253		样气回路容积测量操作	六通阀接入后对样气回路进行容积测定
M83		装置自检操作	对装置气密性等功能自检
M260		进油管路检查流程	对进油管路进行气密性、通畅性检查
M270		回油管路检查流程	对进油管路进行气密性、通畅性检查
测试操作或流程
M105	气路清洗操作			对“定量管”、“气缸”等气路清洗
M460	启动气体采样流程			可用于标气标定和未知气体样品测定
M79	油路清洗流程			对“定量室”、“油缸”等油路清洗
M200	启动在线油气分离流程			用于特定连接设备在线监测
M80	启动离线油气分离流程			可用于标油验证和未知离线油样测定
设置指令
M756	置、复位油气加热开关
M766	置、复位色谱加热开关
M262	六通阀控制方式设置			附加参数01H-主控数据通讯单元控制，00H-流程控制M202
复位操作
M203	复位操作			复位上述功能操作或中断流程M203
注： “功能操作”需“复位操作”结束，“流程”一般会自动结束，也可被复位操作中断结束。（但当选择“主控数据通讯单元控制六通阀进样”时，样品准备就绪请求进样（或数据采集）信号有效最长保持1小时，因此1小时内主控数据通讯单元应发送切换信号(指令)，否则流程也将中断结束）。

六、核心单元安装及检查

本核心单元安装包括与系统色谱主控数据通讯单元单元的电气连接和与监测设备（变压器）的油路连接两项。

图四、装置油路、电气配接安装示意图

   气路安装： 

1连接“载气接口”回路。
2注意事项：连接管道应保证洁净，连接时应进行试压和捡漏，连接后应保证密封和畅通，确保无异物带入装置可能。接载气时减压阀出口压力应严格控制在0.5MPa以内，否则可能影响装置的安全性；接标准气进行标定时压力控制在0.05MPa左右。

   电气接线配接安装： 

本单元可提供2种不同的电气接线配接安装方案：
1、参照上文“图二、电气连接典型接口”连接“交流220V电源”、和“1通道”、“2通道”及其他I/O端子到具备模数转换和I/O接口的色谱主控数据通讯单元单元，单元无需与色谱主控数据通讯单元单元通讯、数据采集和指令控制通过模数转换和I/O接口完成。该接线方式简便，无需编程，更适用于老系统改造。
2、参照上文“图二、电气连接典型接口”连接“交流220V电源”、和“RS485+”、“RS485-”端子到色谱主控数据通讯单元，控制和数据采集通过RS485通讯以纯软件方式实现。该方式对色谱主控数据通讯单元硬件要求低，无需具备模数转换和I/O接口，可减小硬件成本，但需要接口编程，较适合升级产品开发。
以上所述电气接线配接安装方案用户可以根据自己的系统设计情况可酌情考量决定。

   油路安装： 

油路配接器材准备：连接法兰、油管、三通球阀必须经洁净处理、无污染，油管内壁无附着异物。
安装油管:参照图三、装置油路、气路配接安装示意图。
1、先把与变压器（或调试油箱）连接法兰、油管和三通球阀连接好，再次用载气冲洗干净。
2、卸下变压器进、回油口法兰封板并清洁法兰口，然后安装好与变压器连接法兰。
3、确认与油气分离装置端三通球阀处于油路截至状态，打开变压器（或调试油箱）进、回油口的阀门，开度应为最大。
4、切换三通球阀至油路导通状态，排油至存油容器，确认油流清澈无异物和气泡切换油路截至状态。
5、连接进、回油路三通球阀分别至油气分离进、回油路接口。

注意事项：进、回管道应保证洁净，连接时应进行试压和排气，连接后应保证密封和畅通，确保无油流携气和异物带入装置可能。进油管道容积不大于180mL，变压器（或调试油箱）取样口无死油。选用三通球阀是为了方便离线油样检测或标油校验同时具备油路截止功能，从而不必拆卸管路只要切换三通球阀即可实现油气分离与变压器或离线油样（标油）的连接取样的选择。连接调试油箱时应确保装置进、排油口处一定的静压力，可以通过提高调试油箱高度或油面加一定的压力来实现。
确认装置安装稳妥后，给装置上电，使用专用调试屏连接装置PLC RS232通讯口（如色谱主控单元已编程含调试程序可直接利用其完成调试），依次对装置初始化及安装部件进行检验。

1、设置串口COM1通讯参数，打开调试界面。

2、装置气密性检查：装置油气回路出厂前虽经气密性检验，安装并经气样回路检查正常和装置初始化后，还应对整个装置进行气密性检查。确认定量油井满油（A液位传感器亮，否则可进行油管放气操作）、气井无油（B液位传感器不亮，否则可进行气井吹扫操作），按“装置检查”按钮， 装置会摸拟执行试油脱气过程，结束会显示集气进样压力，确认其值应小于150KPa。

3、进、回油管路检查：安装连接好进、回油管路应对其气密性和通畅性进行检查。
a）进油管路检查：确认进油管三通阀在“监测”位置，切换排油管三通阀切换回“排油”位置并接油量计量容器，按“进油管路检查”按钮，装置会对进油过程时间进行计数和二次排油后（排油时无明显气泡）自动结束，核查进油时间和计量第二次排油油量，时间应小于5分钟、油量应大于180mL。最后切换排油管三通阀切换回“监测”位置。
b）排油管路检查：确认进、排油管三通阀皆在“监测”位置，并经上步检查确认“排油时无明显气泡”，按“排油管路检查”按钮，装置会对排油过程时间进行计数并自动结束，核查排油时间和排油管路是否有油渍渗漏，时间应小于5分钟和管路无油渍渗漏。

七、测试、监测流程概述

   气体样品取样流程： 

“气体样品取样流程“主要用于装置对气体样品（标气或未知气样）自动取样至进样阀定量管，把样品送至色谱柱分析，通道1通道2输出电压信号，由主控数据通讯单元完成数据采集和定量计算，以实现标气对系统的标定或验证和通过系统对未知气样的测定目的。将气体样品连接至“标气接口”，通过软件发送命令码“0021H”或发送触发短路信号至电气端子“11”、也可按调试工具上的“标气标定”按钮触发启动该流程。

在进行气样采集分析过程中，为了消除高含量样品测试后残留对小含量样品的影响，装置还设置了“气路清洗流程”来实现对气路的冲洗，当测定样品预估浓度较先前样品为低时请先执行该流程。将清洗气体连接至“载气接口”，通过软件发送命令码“0020H”或同时发送触发短路信号至电气端子“9、12”、也可按调试工具上的“气路清洗”按钮触发启动该流程。

   离线油样油气分离流程： 

 “离线油样油气分离流程“主要用于装置对离线油样样品（标油或未知油样）自动取样至油定量室并进行油气分离，把脱出气体样品送至色谱柱分析，通道1通道2输出电压信号，由主控数据通讯单元完成数据采集和定量计算，以实现标油对系统的验证和通过系统对现场未知油样的测定目的。将油样样品连接至“进油接口”三通阀标油端，并切换进油三通阀至“标油”位置，切换排油管三通阀在“排油”位置并接存油容器，通过软件发送命令码“0023H ”或发送触发短路信号至电气端子“14”、也可按调试工具上的“离线油样测试”按钮触发启动该流程。
警告: 更换标油 后该样品首次测试前务必进行清洗操作以样品充填连接管路。

在进行离线油样测试分析过程中，为了以样品充填连接管路和消除高含量样品测试后残留对小含量样品的影响，装置还设置了“油路清洗流程”来实现对油路的清洗，当测定样品首次或预估浓度较先前样品为低时请先执行该流程。将样品或空白油样连接至“进油接口”三通阀标油端，并切换进油三通阀至“标油”位置，切换排油管三通阀在“排油”位置并接存油容器，通过软件发送命令“0022H”或同时发送触发短路信号至电气端子“9、12”、也可按调试工具上的“油路清洗”按钮触发启动该流程。
警告：执行离线油样测试和油路清洗流程时排油管三通阀在务必切换至“排油”位置并接存油容器，否则会把气体携带入监测设备！！！

   在线油样油气分离流程： 

“在线油样油气分离流程“主要用于装置对在线监测设备内油品自动取样至油定量室并进行油气分离和安全回油，把脱出气体样品送至色谱柱分析，通道1通道2输出电压信号，由主控数据通讯单元完成数据采集和定量计算，以实现系统对现场在线监测设备内油品测定目的。将切换进油三通阀、排油管三通阀至“监测”位置，通过软件发送命令码“0024H”或发送触发短路信号至电气端子“13”、也可按调试工具上的“在线油样测试”按钮触发启动该流程。

在进行在线油样测试分析过程中，如遇设备检修导致油中气体含量下降，为了消除先前监测测试后残留对当前测量的影响，也应执行“油路清洗流程”来实现对油路的清洗。将空白油样连接至“进油接口”三通阀标油端，并切换进油三通阀至“标油”位置，切换排油管三通阀在“排油”位置并接存油容器，通过软件发送命令码“0022H ”或同时发送触发短路信号至电气端子“8、9”、也可按调试工具上的“油路清洗”按钮触发启动该流程，运行完后将进油三通阀、排油管三通阀切换至“监测”位置。
警告：执行油路清洗流程时排油管三通阀在务必切换至“排油”位置并接存油容器，否则会把气体携带入监测设备！！！

八、参数设置和定量计算

   参数设置： 

本装置默认工作参数下载程序时同时下载配置，通过调试工具可以编辑和修改及重置工作参数。也可以发送“功能码+附加参数”对部分工作参数进行设置（参见上文）。

   定量计算： 

本装置属系全脱气、自动定比例进样系统，当系统使用一致的标定和测试进样条件，定量计算与环境参数、油溶解系数等因素无关，仅与系统的结构参数:油定量回路容积和气样回路容积有关。

设：标气组分浓度C0i ，标定产生峰高f0i，标定时室温t0、大气压P0，由于标定时为常压进样（即六通进样阀定量管一端放空），设定量管容积Vd，标定时进样量则为(20℃,1标准大气压)：
jl0i= P0/101.3*[293/(273+ t0)]* Vd* C0i=K* Vd* C0i；

又假设：未知油样组分i测定得相同峰高f0i，油定量回路容积VL，气样回路容积VG，气样回路压力P，气样回路温度t，气样回路组分i浓度Cgi，实际进样量则为(20℃,1标准大气压)：
jli= P/101.3*[293/(273+ t)]* Vd* Cgi，

因此：油中组分i总量：
ZLi=VG * P/101.3*[293/(273+ t)]* Cgi，

则油中组分i浓度：
CL=ZLi/VL=(VG /VL) * {P/101.3*[293/(273+ t)]* Cgi* Vd} / Vd
= jli/ Vd / (VL /VG) = jl0i/ Vd / (VL /VG)
= K* Vd* C0i / Vd / (VL /VG) = K* C0i/ (VL /VG)
CL= K* C0i/ (VL /VG)

上式说明被测油样油中气体含量等于相同标气气体浓度除以装置的油气容积比。K仅与标定时环境条件有关，非高原地区可认为近视等于1。