电力变压器的光声光谱油色谱在线监测.docx

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电力变压器的光声光谱油色谱在线监测

摘要：

本文介绍了电力变压器光声光谱和油色谱两种在线监测技术原理，并介绍了这两种在线监测技术相关的诊断方法，

关键词：

变压器油色谱光声光谱在线监测

0引言

变压器是电网系统的核心设备之一，它的运行状态对系统安全具有重要影响。

随着对变压器运行维护要求的不断提高，变压器故障在线诊断技术的研究工作得到了越来越多的关注。

近年来，随着电力变压器在线监测技术得到迅速发展，加上计算机技术和通信技术使得电力变压器检测数据可以及时的处理与传输，并得到实时的运行状态数据，令在线监测技术成功应用于实际的工程中去。

然而，由于检测技术尚有一定的局限性，以及电力变压器内部故障存在的复杂性，当前应用中的在线监测系统的可靠性和稳定性仍显不足。

本文着重分析了电力变压器的光声光谱和油色谱在线监测技术，阐述了两种技术的原理，以及相应的诊断方法等。

1两种在线监测技术原理

变压器是电力系统中的重要设备之一，其安全运行状态直接关系到系统的安全稳定。

油浸电力变压器在正常运行中和发生故障后，在热、电的作用下，其绝缘油及有机绝缘材料会分解出H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，CO和CO2等气体，这些气体可用于判断故障类型及故障部位。

对特定油中溶解气体进行定性定量分析，可以直观、高效地预判出电力变压器的潜伏故障。

1.1电力变压器光声光谱在线监测原理

1.1.1光声光谱技术

光声光谱（Photo-acousticspectrometry）技术是基于光声效应来检测吸收物体积分数的一种光谱技术。

该技术的优势为：

①可实现非接触性检测，对气体无消耗；②无需分离气体，不同气体的成分和含量可直接通过光谱分析确定；③各器件的性能稳定，可实现在长期使用中免维护；④能够对气体吸收光能的大小进行直接测量，且比傅里叶红外光谱技术灵敏度更高；⑤测量的精度高，范围广，同时检测速度快,具有重复性和再现性。

一般情况下，多数气体分子的无辐射跃迁主要处于红外波段，因而光声光谱技术对气体的定性定量分析，是通过对气体对相应于特征吸收峰的特定波长红外光的吸收量的测量来实现的。

1.1.2光声光谱应用于油中溶解气体检测

在特定波长红外光的照射下，气体分子由基态跃迁至激发态，由于处于激发态的分子与处于基态的分子相互碰撞，经过无辐射弛豫过程，气体吸收的光能转变为分子间的动能，进而增强分子间的碰撞，造成气体温度的升高。

在气体体积一定的条件下，气体压力随着温度的升高而增大。

如果对光源的频率进行调制，分子动能便会随调制频率发生同样的周期性变化，从而引发气体温度和压强也随之周期性变化。

在此过程中会产生周期性变化的压力波，可以利用微音器对其进行感应，并以电信号的模式输出。

气体无辐射弛豫传能过程所需时间决定于气体各组成部分的化学和物理性质。

气体分子由激发态的振动动能经无辐射弛豫转变为分子碰撞的平动动能的时间，远小于光的调制周期，所以一般不考虑传能过程所用的时间。

此时，光的调制相位即为光声信号的相位，光声信号强度同气体的体积分数及光的强度成正比。

当光的强度一定，气体的体积分数可由分析光声信号的强度得出。

在故障气体的分子红外吸收光谱中（图1），有不同化合物分子特征谱线交叠重合的现象，因此应选择相对独立的特征频谱区域，从而避免检测过程中不同气体间发生干扰，以满足检测要求。

图1故障气体分子红外吸收光谱图

1.1.3在线监测单元工作原理

图2演示了光声光谱技术应用于在线监测装置中的原理。

通过抛物面反射镜将光源聚焦，形成入射光。

入射光的频率通过转动速率恒定的调制盘后，其频率得到调制，然后由一组滤光片进行分光，只有某一特定波长可以通过，滤光片的允许通过波长，同光声室内某特定气体的吸收波长相对应。

波长经过调制后的红外线，在声光室内对某特定气体分子，以调制频率进行反复激发。

气体分子被激发后，以辐射或非辐射的方式回到基态。

就非辐射驰豫过程而言，分子动能体系能量转化结果为分子动能，从而导致局部气体温度升高，在密闭光声室内引发周期性机械压力波，随后由微音器对其进行检测。

在此原理过程中，调制频率确定了光吸收激发的声波的频率，可吸收该窄带光谱的特征气体的体积分数体现于声波的强度，因此，通过明确气体体积与声波强度的定量关系，就可以得出气池中各气体准确的体积分数。

在上述过程中，通过更换不同滤光片，就可以明确光声室内气体的种类以及相应的体积份数。

图2光声光谱在线监测装置原理简图

1.2电力变压器油色谱在线监测原理

分析电力变压器绝缘油中溶解气体的组分含量，是大型变压器故障诊断的最有效的方法之一。

传统的实验室油色谱分析有周期长、从取样到运送测量环节多等缺点，而在线监测技术很好地弥补了这个缺点，能够在线持续地测量变压器油中的气体情况、长期储存测量结果、提供变压器某一时间段的油中气体的趋势，对于及时发现变压器潜伏性故障,避免发生电力系统重大事故有重要作用。

目前，国内外生产的变压器油色谱在线监测设备大体分为2类：

一种是监测某种单独气体或以某种气体为主的几种气体综合浓度的单组分油色谱在线监测设备；一种是测量油中多种气体的多组分油色谱在线监测设备。

1.2.1色谱简介

色谱是一种分离技术，当这种分离技术应用于分析化学领域中，就是色谱分析。

它的分离原理是使混合物中各组分在两相间进行分配，其中一相是不动的，叫做固定相；另一相则是推动混合物流过固定相的流体，叫做流动相。

当流动相中所含有的混合物经过固定相时，就会与固定相发生相互作用。

由于各组分在性质与结构上的不同，相互作用的大小强弱也有差异。

因此在同一推动力的作用下不同组分在固定相中的滞留时间有长有短，从而按先后不同的次序从固定相中流出。

这种借在两相分配原理而使混合物中各组分获得分离的技术，称为色谱分离技术或色谱法。

色谱法有许多化学分析法无可与之比拟的优点：

（1）选择性好，分离效能高。

（2）速度快。

用几分钟或几十分钟就可完成一项含有几个或几十个组分的样品分析；

（3）样品用量少。

对气体样品一般只须1～3ml甚至更少，即可完成一个全分析；

（4）灵敏度高。

通常样品中有十万分之几或百万分之几的杂质也能很容易地鉴别出来；

（5）适用范围广。

作为色谱流动相的有气体或液体。

当用液体为流动相时，称为液相色谱：

当用气体为流动相时，称为气相色谱。

对色谱固定相而言，也有两种状态：

即固体吸附剂和在固体担体上载有液体的固定相。

综合两相的状态，可把色谱进一步分为四类：

气固色谱、气液色谱、液液色谱、液固色谱。

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1.2.2气相色谱法

气相色谱法是目前多组分在线监测设备中最常用的气体检测方法，也是目前发展最为成熟的方法。

它与实验室油色谱原理相同，通过色谱柱中的固定相对不同气体组分的亲和力不同，在载气推动下，经过充分的交换，不同组分得到了分离；分离后的气体通过检测转换成电信号，经A/D采集后获得气体组分的色谱出峰图，根据组分峰高或面积进行浓度定量。

目前常用的经分离的混合气体进行气体含量检测的传感器主要有热导式传感器（TCD）、氢焰离子化传感器（FID）和半导体传感器等。

在这几种传感器中，FID传感器由于需要氢气作为载气，在线设备安装现场条件很难满足，故很少采用。

因此，目前在线监测设备较常采用的是TCD和半导体传感器。

在TCD传感器和半导体传感器中，TCD传感器测量精度较半导体传感器低，但测量的线性度却比半导体传感器好，检测速度也较半导体传感器快。

2两种在线监测技术诊断方法

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2.1光声光谱在线监测诊断方法

2.1.1基于光声光谱法的变压器在线检测系统的结构设计

根据光声光谱法的检测原理，基于光声光谱法的变压器在线监测系统主要由油气分离模块，光声模块，信号处理模块，油路及气路系统，PLC控制模块，计算机通信及故障诊断模块等构成。

文献[3]给出了4种设计方案。

这四套系统具有共同的运作流程，即首先从变压器中提取少量油样，流入到油气分离室内，然后经过油气分离室的油气分离处理后将分离出来的气体导入到光声腔内，同时在气体循环泵的循环抽动下，使得故障气体在光声腔与油气分离室间循环流动，同时用微音器监测故障气体里的各种气体成分的含量，微音器检测到的信号首先经过差分放大处理后然后再输入到锁相放大器里进行锁相放大，从噪声中提取出微弱的有用信号，然后将信号经过数据采集卡输入到计算机中去，进一步对故障的类型进行诊断。

四套系统的区分就在光声模块的不同。

图3结构设计图

方案一在线式应用如图3（a）所示，其光声模块（图中虚线框）的主要特征在于，一个波长覆盖1-20μm的带球面反射镜的红外光源，6个滤光片的特征波长分别为对应变压器油中溶解的6中故障气体的特征吸收波长，即7.97μm，11.61μm，9.42μm，12.77μm，4.65μm，14.97μm。

将他们分别嵌套在一个滤光盘上，这个光盘的中轴将与一台步进电机相连接，并且可以在步进电机的带动下旋转，而机械斩波器在另一台步进电机的驱动下工作。

光声腔则采用差分式的，各个部件的连接方式如图1.1所示。

基本工作原理为：

红外光源发出的红外光，首先经过滤光片滤光，选出与某种故障气体成分相对应的红外光，然后在机械斩光器的调制作用下将连续的红外光变为断续的红外光，经过透镜将红外光会聚成更小的光斑，然后射入到光声腔的谐振管内，整个装置涉及到的机械结构偏多，控制较复杂，引入的干扰也更多，体积也偏大，但是由于其成本低廉，技术相对成熟，从而成为目前现有光声光谱技术应用的首选。

方案二如图3（b）所示，调制采用电源直接调制，即设计一个频率脉冲发生器，然后在该频率脉冲电源的作用下使得光源与直流电源不断地接通与关断，从而实现红外光源的脉冲调制。

但是，滤光片还是不可省去，仍然需要将红外光源经过滤光片分光，并提取出所需波长的红外光，经透镜聚集后射入到光声腔的谐振管中。

由于这个光源独特的工作特性，导致可以采用直接的电源调制光信号，从而可以让我们省去机械斩波器的设计，一方面可以减少机械振动噪声的干扰，另一方面使得控制更加简单，只需要设计对应的一个频率发生器即可，控制精度相对有了进一步的提高，成本又可以降低一些。

然而，这种方案所存在的问题是：

首先由于光源自身特性所决定的，在这种工作方式下，光源的调制频率不能太高，不超过100Hz，由于该型号光源的调制深度随着电源调制频率的增加而衰减。

而且，这种调制方式下，红外光源的寿命相对较短，从而造成整套故障检测系统的寿命的缩短。

方案三如图3（c）所示，采用可调谐级联反馈式二极管激光器，此时，我们则可以将上述方案中的单一红外光源替换为对应6个不同波长的二极管激光器，这样就省去了机械斩光器和滤光片，机械结构从而大大简化。

将6个激光器固定在一起，然后将它们与光纤准直器相连，通过光纤准直器，可以将各个二极管激光器所发出的红外光准直到光声腔中。

调制则采用电源直接调制，并且专门设计时序切换开关，在6个管子之间切换。

由于省去了机械斩光器和滤光片的机械结构，一方面大大缩小了光声模块的体积，另一方面大大抑制了机械噪声的干扰，同时由于二极管激光器的高单色性等优良特征，使得检测精度也得到了进一步的提高。

然而唯一的不足是：

成本相对较高，由于目前激光器的价格很昂贵，从而导致整套设备下来的成本的提高，但是它的优良特性必然是今后光声光谱设备发展的趋势。

方案四如图3（d）所示，是基于微机械化（MEMS）光声传感器和近红外激光二极管的在线式电力变压器故障监测系统。

前三种方案中的光声传感器的体积相对第四种MEMS光声传感器都比较大。

半导体微机械技术的快速发展，为光声传感器的设计指引了方向，那就是MEMS化。

采用MEMS化的光声传感器可以批量生产，降低成本，同时由于其更小的体积，更有利于提高检测精度，同时采用MEMS化，我们甚至可以将红外激光光源，微音器以