变压器光声光谱.docx

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变压器光声光谱

变压器油中气体在线监测技术是以油中溶解气体为监测对象，应用该技术可及时掌握变压器的运行状况，发现和跟踪存在的潜伏性故障。

配合计算机系统对故障进行诊断，可以避免部分灾难性事故，实现状态检修、降低维护成本、提高自动化程度，提高变电站运行管理水平。

近年来，油中溶解气体在线监测技术研究应用发展迅速，应用气体传感器开发研制小型气体检测装置，已成为新的发展趋势，目的在于实现对变压器油中溶解气体进行在线监测，随时掌握设备的运行状况。

油溶气体

变压器油是天然石油经过蒸馏精炼而成的一种矿物油，由许多不同分子量的碳氢化合物分子组成，其中碳、氢两种元素占总重量的95％以上，分子中含有-CH3、-CH2和-CH化学基团，由C-C键连接在一起，当放电或温度过高时，某些C-H键和C-C键断裂，伴随生成少量活泼的氢原子和不稳定的碳基化合物的自由基，这些氢原子或自由基通过复杂的化学反应迅速重新化合，形成氢气和低分子烃类气体，如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，也可能生成碳的固体颗粒以及碳氢聚合物（即x腊）。

故障初期，所形成的气体溶解于油中，当故障能量较大时，也可能聚集成游离气体，低能量放电性故障，如局部放电通过离子反应，促使最弱的C-H键断裂，主要重新化合成氢气而积累。

C-C键的断裂需要较多的能量，即较高的温度，然后迅速以C-C键、C=C键和C≡C键的形式重新化合成烃类气体，所需要的能量越来越高，即故障温度也越来越高。

虽然在温度较低时也有少量乙烯生成，但乙烯主要是在高于甲烷、乙烷的温度，即大约500℃下生成。

乙炔一般在800℃-1200℃下生成，而且当温度降低时反应迅速被抑制，作为重新化合的稳定产物而积累，因此虽然在较低的温度下有时也会有少量乙炔产生，但乙炔主要是在电弧的弧道中产生。

变压器油起氧化反应时伴随生成少量的一氧化碳和二氧化碳，并且能长期积累，成为数量显著的特征气体。

固体绝缘的主要成分是纤维素，纤维素具有很高的强度和弹性，机械性能良好，其分子内含有大量的无水右旋糖环，以及弱的C-0键，它们的热稳定性比油中的碳氢键差，并且能够在较低的温度下重新化合。

聚合物裂解的有效温度高于105℃，完全裂解和碳化高于300℃，在生成水的同时，产生大量的一氧化碳和二氧化碳，以及少量烃类气体和呋喃化合物，同时油被氧化。

一氧化碳和二氧化碳的生成不仅随着温度升高而加快，并且随着油中氧的含量和纸的湿度增大而增加。

开放式变压器溶解空气的饱和量为10%，设备里可以含有来自空气中的300μL/L的二氧化碳在密封设备里，空气也可能经泄漏而进入设备油中，油中的二氧化碳浓度将以空气的比率存在。

设备固体绝缘材料老化时，二氧化碳除以一氧化碳的比率，该比率大于7。

当怀疑故障涉及到固体绝缘材料时，该比率小于3，还应该从最后一次的测试结果中减去上一次的测试数据，重新计算比值。

故障类型

主要气体组分

次要气体组分

油过热

CH4、C2H4

H2、C2H6

H2、C2H6

C2H2、C2H6、CO2

油和纸过热

CH4、C2H4、CO、CO2

油和纸绝缘中局部放电

H2、CH4、CO

油中火花放电

H2、C2H2

油中电弧

H2、C2H2

CH4、C2H4、C2H6

油和纸中电弧

H2、C2H2、CO、CO2

CH4、C2H4、C2H6

变压器油中气体的组分和成因

油溶气体监测现状

随着在线监测技术的发展，国外公司已开发出全组分气体的在线监测装置。

英国Kelman公司的Transfix在线油中溶解气体分析仪利用动态顶空平衡法脱气，使用光声光谱法（PhotoacousticSpectroscopy,PAS）技术作气样监测，克服了环境变化、仪器恒温、信号干扰、机械振动等各种难题，成功地实现在线监测变压器油中的八种故障气体及微水的在线监测。

美国AVO公司的TmeGas变压器油中气体在线监测设备可监测多达八种气体。

澳大利亚的DRMCC变压器在线监测系统可持续、在线、多方位监测变压器的工作状态，主要监测对象包括溶解在油中的氢气、水、绕组温度、调压抽头位置等参数。

美国CONEDISON公司利用红外光谱的原理来分析并测量CH4、C2H4、CO、CO2、C2H6，用一个氧化物电化学传感器测量H2的浓度。

国内研制的同类产品有宁波理工监测设备有限公司推出的TRAN-B型变压器故障在线监测设备。

重庆大学研制的在线变压器故障预测系统能够在线监测油中H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6等6种气体的浓度，并采用灰色聚类、糊模式多层聚类、核可能性聚类等多种算法预测油中溶解气体在未来时刻的浓度并诊断变压器在未来时刻的绝缘状况。

气相色谱

气相色谱技术的基本原理是使样品蒸发后注入色谱柱内进行分析。

气样由惰性载气携带缓缓通过色谱柱后到达检测器,其间需控制色谱柱的温度以便当气样通过色谱柱时由于其中各类化合物析出时间不同而达到对其分离的目的。

随后,将由检测器得到的各化合物析出图谱的时间、面积等参量与该化合物已知浓度图谱对照后得到其浓度值。

气相色谱检测系统工作原理图

有时需要采用多个色谱柱及检测器以便对样品进行精确分析。

在油中溶解气体分析过程中,在将气样注入色谱柱之前,先通过真空或顶空脱气法获得气样。

光声光谱

光声效应是由气体分子吸收特定波长的电磁辐射（如红外光）所产生。

气体吸收辐射后导致温度上升,此时如将气体置于密闭容器,温升相应导致气体压力增高。

如采用脉冲光源照射密闭气体,利用灵敏的微音器即可探测到与脉冲光源频率相同的压力波。

但若将光声效应用于实际检测,则须满足两个前提条件:

首先需要确定每种气体特定的分子吸收光谱的特性,从而可对红外光源进行波长调制使其能够激发某一特定气体分子;其次则是确定气体吸收能量后退激产生的压力波强度与气体浓度间的比例关系。

气体

（分子量）

吸收波长

/nm

灵敏度

/μL·L-1

重叠

可测范围（kelman）

μL·L-1

CH4（14）

3390

7746

7974

0.1

0.2

0.4

C2H6C2H4

C2H2

H2O

0.7~10000

C2H6（30）

3390

11614

0.02

2.0

H2O

3~10000

C2H4（28）

3390

9425

10194

11111

0.3

0.3

0.2

0.4

H2O

2.5~10000

C2H2（26）

7746

12771

14085

0.5

0.3

0.2

H2O

CO2

1~10000

CO（28）

4651

0.2

0.1~1000

CO2（44）

4405

14085

14970

3.4

1.5

0.1

C2H2

1.9~20000

H2

（2）

-

-

-

5~20000

各种气体的红外区可测波长

因此,通过选取适当的波长并结合检测压力波的强度,就不仅可验证某种气体是否存在,更可确定其浓度。

甚至对某些混合物或化合物也可作出定性、定量分析。

而这也正是应用光声光谱技术（PAS）的理论基础。

光声光谱原理简图

一个简单的灯丝光源可提供包括红外谱带在内的宽带光辐射,采用抛物面反射镜聚焦后进入光声光谱测量模块。

以恒定速率（30Hz）转动的调制盘可产生频闪效应以便对光源进行频率调制。

在入射至光声室之前,红外辐射需透过一系列滤光片。

不同的滤光片仅允许透射与某种分子光谱波长一致的光辐射,以便激发某种化合物分子。

将气态样品注入光声室后,记录由微音器检测到的入射光透射各滤光片后激发气体样品产生的压力波强度。

相应的数值则代表样品中所含特征气体的浓度值。

英国Kelman公司专门研制开发用于变压器现场及在线油中溶解气体分析的核心光声光谱测量模块，该模块外形尺寸为160×150×140mm,重量小于2kg。

并配有系统测量及控制所需的电子处理系统。

将该测量模块与专门设计的油样采集及气体萃取等系统相结合后就构成了PDGA型便携式、全自动油中溶解气体检测系统。

图3给出了系统示意图,并对该仪器的各主要部件加以说明。

图3PDGA型便携式油中溶解气体及微水检测系统工作原理图

仪器油样采集的方法与常规油样采集方法相同,而后将注射器内油样直接注入仪器顶空分析器的样品瓶。

随后对油样进行电磁搅动使其中的溶解气体不断蒸发,同时使顶空内的气体在气路内循环。

一旦气液相浓度达到平衡状态,仪器内的PAS光声光谱测量模块立即对顶空内的气样进行分析,并将最终得到的各气体浓度结果一同显示出来。

光声光谱与气相色谱测量原理监测系统的常规对比

①采用光声光谱测量原理的系统结构简单可靠,而采用气相色谱测量原理的系统结构相对复杂。

因此前者的系统可靠性更高。

采用光声光谱原理仪器核心部件就是采用动态顶空法的脱气模块和采用光声光谱原理的光声光谱测量模块。

在动态顶空室经过高效脱气分离后的混合气体直接进人光声室,由光声光谱测量模块进行检测,不需要组分分离模块。

采用气相色谱测量原理的系统的性能主要取决于油气分离模块、组分色谱分离模块,气体检测模块的性能。

而实现组分分离也是在线色谱的核心,组分分离度和进样量两项指标直接影响了系统的性能。

良好的组分分离度要求各组分都可以得到很好的分离,而进样量的一致性则对测量结果影响较大。

对柱温的精确要求以及对高精密气路切换的要求等极大地增加了系统的复杂性,导致了系统可靠性的降低。

总之,系统结构的复杂和不稳定性成为制约系统可靠性的瓶颈。

②采用光声光谱测量原理的系统测量技术先进,代表了未来变压器油中溶解气体及微水在线检测的发展趋势。

而采用气相色谱测量原理的系统在早期应用得更为普及。

前者的测量精度更高,重复性好,乙炔的最低测量下限超过了国家标准,而后者的测量精度相对较低。

主要技术指标对比表

③采用光声光谱测量原理的系统测量效率高,而采用气相色谱测量原理的系统的测量效率相对较低。

前者的最短检测周期可达1h次,能最大程度的体现在线检测的意义。

光声光谱系统采用高效的动态顶空法进行脱气,所需要的油样少,脱气时间短,在很短的时间就可以达到动态平衡。

测量周期最短可以设置成1h次,能最大程度的实现在线检测。

而采用气相色谱测量原理的系统,其脱气过程大多比较长。

目前普遍使用的高分子膜,平衡时间较长,使测量失去了及时性。

④采用光声光谱测量原理的系统性价比更高,能真正实现免维护,无后续投资,因此长期使用投资回报率更大。

而采用气相色谱测量原理的系统性价比相对较低,人工维护量大,需后续投资。

采用光声光谱测量原理的系统的关键设备使用寿命长,而采用气相色谱测量原理的系统的关键设备使用寿命较短。

绝大多数的基于气相色谱测量原理的系统内的色谱柱、传感器的寿命在2-4a左右,这与变压器的30a的设计寿命相比,监测系统本身所需要的维护周期太短。

⑤采用光声光谱测量原理的系统不需要标气、载气、色谱柱等耗材,而采用气相色谱测量原理的系统则需要上述耗材。

光声光谱技术测量环节中没有色谱柱,不存在色谱柱的污染、老化、饱和等因素,因此不需要用标气进行标定,而后者的测量环节由于有核心部件色谱柱,存在老化的现象,需要用标气对其进行定期标定。

光声光谱技术测量过程中不需要载气,而后者需要定期更换载气。

采用气相色谱测量原理的在线检测系统,使用高纯载气携带特定量的混合特征气体通过色谱柱,其消耗性载气高纯氮气、氦气通常可用一年,如果检测周期较短的话,消耗更快。

其对消耗性高纯载气的依赖也增大了在线应用时的维护工作量。

长期而言,消耗性备件需求大。

在变压器现场的高压气瓶也可能存在安全隐患。

光声光谱测量环节中没有无色谱柱,因此也没有色谱柱老化、污染、饱和等缺点无固态半导体传感器,因此也不受CO或其他气体污染,不存在被污染的可能。

后者的色谱柱等关键设备色谱柱容易因污染而导致测量误差,有一定的使用寿命,需要定期更换。

光声光谱应用实例

内蒙古超高压供电局高压油务班对各变电站充油设备取油样,采用光声光谱技术进行油中溶解气体检测,并结合试验室气相色谱仪所测数据进行对比分析,验证了光声光谱技术现场测试数据的有效性,为其进一步的推广积累了大量基础数据。

①特征气体含量对比氢气、乙炔、总烃。

对于特性气体对比,如氢气、乙炔、总烃,光声光谱原理与气相色谱原理相比,其数据基本成同一正比关系,其趋势相同,如表2-4所示。

②数据重复性验证。

对比光声光谱测试仪测试数据重复性问题,高压油务班进行了现场数据验证。

对于相同油样,仪器所测多次数据重复性良好。

③降本增效明显。

通过对500kV丰泉变电站、塔拉变电站等5座变电站的光声光谱技术应用工作开展,充油设备绝缘油监测维护成本获得初步降低。

便携色谱仪协助台式色谱仪完成油样的跟踪监测和常规监测,使油样监测的生产总成本降低30%。

同时,将跟踪监测成本占总油样色谱试验总成本的比例由25%,下降到10%。

表2光声光谱原理与气相色谱原理所测氢气含量对比

表3光声光谱仪与气相色谱仪所测乙炔含量对比

表4光声光谱仪与气相色谱仪所测总烃含量对比

附件产品与厂家

厂家

型号

原理

可测气体种类

油气分离技术/时间

功能

河南中分

中分3000

气相色谱

7+氧气、氮气

动态顶空脱气/1h

准确测量

宁波理工

iMGA2020

气相色谱

7+微水

变容负压动态顶空脱气/1h

准确测量

Kelman

MINITRANS

光声光谱

3+微水

-/1h

早期提醒

Kelman

TransFix

光声光谱

9+微水、氧气

动态平衡顶空脱气/1h

准确测量

GE

HydranM2

4+微水

早期提醒

Clevertech

ARH-2000DGA增强型

光声光谱

9+微水

陶瓷复合膜

准确测量

河南中分3000变压器色谱在线监测系统

中分3000变压器色谱在线监测系统，采用色谱分析原理，应用动态顶空脱气技术和高灵敏度微桥式检测器，实现对变压器油中七种气体组分含量全检测。

整套系统集色谱分析、自动控制、专家诊断、通讯技术于一体，通过对绝缘油中溶解气体的检测，实现了对变压器内部运行状态的在线监控，保证变压器安全经济运行。

技术参数：

分析周期：

1小时完成检测全过程，可连续进行监测。

工作环境温度：

-40℃~+65℃

工作环境湿度：

5~95%

主机外形尺寸：

627mm×550mm×1100mm

性能特点：

全组分分析：

系统能检测油中各种组分，实现变压器油中七种气体（H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2）和总烃全分析。

通过选装含气量检测单元，实现包括O2、N2共计九种气体检测，测量精度高、重复性好。

全方位状态监测：

系统的运行状态和各种工况条件可以在监控工作站上查询，从而实现了状态维护，并杜绝了系统误报警的可能性。

检测灵敏度高：

系统应用基于最新的微结构技术开发的高灵敏度固态微桥式检测器，检测灵敏度较高，已接近实验室色谱分析水平。

分析周期短：

采用先进的动态顶空脱气技术，脱气效率高、时间短，1小时可完成检测全过程，并可进行连续监测。

先进的脱气技术：

采用动态顶空（吹扫-捕集）脱气技术进行油气分离，油中组分经多次萃取。

该技术具有脱气效率高、时间短、重复性好等优点，并可大大提高小浓度组分的分析精度。

电路抗干扰性强：

主板采用四板一体化设计，采用工业级ARMCortex-M3微控制器为主控芯片，提高了主板干扰性能，有效提高了系统可靠性和稳定性。

优良的温控系统：

整机箱体为不锈钢双层箱体设计。

采用独特的内外双循环散热以及加热模式，有效地提高了设备的温控性能，使系统可在高温、高湿和低温等各种恶劣环境条件下工作。

开发兼容的通讯接口：

支持省调主站要求的通讯规约及接口，可开放接口及协议文本，便于系统扩展和兼容。

安装维修简单：

系统可带电安装，内部结构采用模块化设计，现场维修简单方便。

具有变压器综合监测能力：

除监测变压器油中溶解气体外，还可以通过增加变压器油中微水监测单元和变压器铁芯接地电流监测单元等模块，完成对变压器的综合监测。

宁波理工iMGA2020色谱微水在线监测系统

技术特征：

◆监测原理：

色谱分析原理；

◆油气分离技术：

采用变容负压动态顶空脱气方式，分离效率高，速度快；

◆检测器：

采用热线型纳米晶半导体检测器检测H2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H2、C2H6、总烃，响应速度快、检测精度高、全量程线性；采用微水检测单元检测H2O；

◆校准方式：

支持标准气体自动校准、远程校准和标准油样校准；

◆在线活化：

支持色谱柱自动活化，延长色谱柱使用寿命；

◆智能监测：

支持采样周期自动调整功能，数据异常则立即进行二次采样验证，确认后自动缩短采样周期，及时跟踪变压器运行状况；

◆信号处理：

智能谱峰识别技术，确保乙炔等痕量气体组份的可靠识别；

◆基线处理：

小波基线自动跟踪技术，确保定量准确；

◆环境适应性：

双重恒温控制技术，满足室外环境条件下使用，确保数据稳定；

◆输出方式：

支持数字接口输出和各组分浓度4~20mA模拟量输出；

◆通信方式：

色谱数据采集器与站控层服务器采用光纤以太网、RS485连接；

◆通信规约：

采用DL/T860（IEC61850）标准规约；

◆时间同步：

采用SNTP网络对时和光纤B码对时；

◆远程维护：

支持WEB、UDP等远程维护接口；

◆硬件设计：

采用工业级嵌入式处理器；

◆组件尺寸：

如采用智能组件型式，为标准19寸机柜，组件尺寸为16U。

序号

监测气体

检测范围

最低检测限

测量重复性

1

H2

0～2000μL/L

2μL/L

10%

2

CO

0～10000μL/L

25μL/L

10%

3

CH4

0～1000μL/L

0.5μL/L

10%

4

C2H4

0～1000μL/L

0.5μL/L

10%

5

C2H6

0～1000μL/L

0.5μL/L

10%

6

C2H2

0～1000μL/L

0.5μL/L

10%

7

TH

0～8000μL/L

1μL/L

10%

8

TCG

0～8000μL/L

1μL/L

10%

9

H2O（可选）

2%～100%RH

2%RH

10%

10

CO2（可选）

0～15000μL/L

25μL/L

10%

备注：

测量误差取最低检测限值或±30%两者中的最大值

HydranM2变压器油中四种气体及微水在线监测装置

HydranM2装置是美国GE公司生产的一套早期油气故障的报警装置，目前该装置在国内电网已经有上千台的应用。

该装置提醒运行人员注意有可能导致设备故障和非计划性停机的缺陷，提醒运行人员何时诊断分析或检修，现场仅需一个阀门就可获得两个测量，不需要附加油管、油泵或其它的机械运动部分，可保证最大的稳定性。

HydranM2包括4个可选的4－20mA输入（或输出），用于与其它的传感器（如：

温度或负荷电流传感器）可能的连接，并能提供5个触点输出。

MINITRANS变压器油中三种气体及微水在线监测装置

MINITRANS是最新研制的一款高性价比的油中溶解气体及微水在线监测系统。

采用光声光谱模块可监测绝缘油中氢气（H2）、乙炔（C2H2）、一氧化碳（CO）、及微水（H2O）的含量。

分析这些数据可以让用户发现电力设备早期故障，在尽可能早的阶段及时向用户报警。

MINITRANS安装十分简单，只需提供进油口及回油口即可。

同时提供用户多种通讯选项，灵活机动地处理监测数据。

软件功能

PC软件提供用户下载，图形显示，趋势图及结果分析。

采用气体含量、气体比值及气体变化率等手段分析结果。

在用户自行配置的时间间隔内自动下载数据。

产品特点

可靠的脱气方式，不采用低效率隔膜脱气；每小时采样–实时分析；多种通讯方式及报警选项；安装简单；无需耗材；极少维护。

TRANSFIX变压器油中九种气体及微水在线监测装置

TransFix油中气体及微水监测模块采用了最新的光声光谱（PAS）检测技术，与传统的在线色谱法和半导体透气膜法在性能方面有着显著优势。

这种新一代的光声光谱PAS在线监测装置，可准确地监测油中九种溶解气体，氧气以及油中水分含量，它代表了当今电力系统充油式高压设备在线监测技术的发展趋势！

产品特征

▪油中溶解气体及微水：

油中八种故障气体加上氮气及微水、检测浓度低，重复性好。

▪稳定可靠、使用时间长：

采用稳定可靠的光声光谱检测模块。

▪检测器PAS使用时间长：

质保期为5年以上。

▪无需耗材：

无需载气或标气。

▪无需频繁校准：

回路自动平衡。

▪无污染干扰：

管路和气室自动排气并吹扫。

▪免维护：

减少维护工作及费用。

▪通讯连接：

允许本地及远程通信。

▪报警设定：

全面的用户设定报警系统。

▪易于安装：

系统安装简便快捷。

▪采样周期：

最小采样周期为一小时。

▪在变压器上采用热循环的取油回路，避免在变压器底部死角部位取油而造成测试数据不准。

▪脱气方式：

动态顶空平衡脱气，不采用容易损坏的半透膜法或者真空脱气。

▪Perception软件：

PC软件提供用户下载，图形显示，趋势图及结果分析。

结果分析采用气体含量、杜瓦尔三角比值法及气体变化率。

在用户自行配置的时间间隔内自动下载数据。

软件特点

▪对各气体数据进行图形趋势分析。

▪远程设定：

可通过软件进行报警、采样周期等设定。

▪数据输出：

具有打印及数据导出功能便于数据处理。

▪故障诊断：

自动计算产气速率、气体比值等数据，并进行判断。

▪专用客户端软件。

▪具有远程控制。

▪数据下载和故障诊断。

▪易于操作。

南京Clevertech客莱沃智能科技有限公司，ARH-2000DGA增强型光声光谱法电力变压器在线监测系统

采用增强型光声光谱探测器，油气分离系统采用陶瓷复合膜脱气装置，系统测量精度高，响应快，能准确识别并判断故障，在线连续自动采样，可同时测量9种气体，长期稳定性好、系统结构简单，免维护 无载气、自动适时校准、无辐射源；可通过有线、无线获取实时信息。

ARH-2000DGA在线监测系统可灵活安装和配置，适合大规模扩展，极大降低在线监测系统的总成本。

ARH-2000光声光谱法变压器在线监测系统实物图

ARH-2000DGA是判断油浸电力变压器早期潜伏性故障最方便、有效的措施之一。

目前已广泛应用于电力行业各类充油电气设备绝缘油中溶解气体分析和诊断，如：

油浸式电力变压器、电抗器、互感器、有载调压分接开关、断路器、充油套管的日常状态评估。

为在线监测系统提供了崭新的测量技术和手段；不消耗被测样品、不需要消耗载气、不需要标准样气、各部件使用寿命长；稳定的宽光源和精确的计算方式是在线监测的关键技术，也已被越来越多的国外专业人士认可和接受。

ARH-2000光声光谱DGA系统整体方案图

光声光谱法DGA现场监测单元由复合陶瓷膜脱气模块、增强型光声光谱模块、高精度模数转换模块及控制模块、温度补偿模块、输出模块、通讯模块、数据储存模块和显示模块组成。

ARH-2000DGA变压器油中气体在线分析监测系统克服了环境变化、仪器恒温、信号干扰、机械振动等各种难题，成功地实现在线检测变压器油中的9种故障气体及微水。

它可以直接安装在变压器现场，连续自动采样，自动检测油中气体及微水。

并且主控室终端电脑可以通过有线或无线的方式与其通信，获取油中气体及溶解水的实时数据信息。

ARH-2000DGA不仅能够检测变压器油中的9种故障气体，而且能够检测变压器油中的微水含量。

和传统的变压器色谱分析仪相比，ARH-2000DGA性能大为提高，而且降低了综合使用成本。