基于光声光谱法的变压器油中气体在线监测

龙源期刊网基于光声光谱法的变压器油中气体在线监测作者：蔡宏毅贾宏智袁鹏何秋月张树东孙琰王志鹏郭镭来源：《建筑建材装饰》2014年第18期摘要：随着电网的不断扩展和线路电压等级的不断提高，相应地需要进行专业监督的设备数量也不断增加。电力安全稳定运行越来越多的引起研究人员们的关注，作为电力系统中的重要一环，电力变压器的故障检测诊断技术是当前行业研究的热点。光声光谱技术进行变压器油中溶解气体分析是近些年开发的一种新技术，本文介绍了光声光谱技术对变压器油中溶解气体进行分析，实现对变压器故障在线监测。关键词：光声光谱；油中溶解气体；变压器；在线监测前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。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。目前应用最为广泛的气相色谱法试验环节多、操作手续繁琐、检测周期长的特点，限制了其在现场检测工作中的应用。将光声光谱技术应用于在线监测，可以实时监测变压器油中溶解气体和微水，较于传统气相色谱技术具有稳定性强、检测周期短、操作容易等优点。本文介绍了光声光谱技术的原理和发展状况，对其在变压器油中溶解气体在线分析中的应用进行了研究。1光声光谱技术1.1基本原理光声光谱学是以光声效应为基础的一种新型光谱分析检测技术。它是光谱技术与量热技术结合的产物，是20世纪70年代初发展起来的检测物质和研究物质性能的新方法。光声光谱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。由于大多数气体分子的无辐射跃迁主要集中在红外波段，光声光谱通过直接测量气体对相应于特征吸收峰的特定波长红外光的吸收量进行该气体的定性和定量分析。气体光声效应是由气体分子按其特征吸收频率吸收一定量电磁辐射后温度上升，部分能量随即以释放热能方式退激，使气体及周围介质产生压力波动，若在密闭容器内，则温度变化比例于压力波。如采用脉冲光源，则密封气体的压力波与脉冲频率一致，可用高灵敏微音传感器和压电陶瓷传声器检测到，但用于实际检测仍需作两方而调整：（1）确定每种气体特定的分子吸收光谱，调制红外光源波长以激发某一特定气体分子；（2）确定气体压力波强度与气体含量的比例关系。因而，选取适当的波长并检测压力波强龙源期刊网度，就可验证各种气体的存在及其含量，甚至定性、定量分析出某些混合物或化合物。较之传统的气相色谱分析，光声光谱技术的主要优点是：非接触性测量，不消耗气体；不需要分离气体，通过光谱分析直接确定气体的成分和含量，检测速度快，可实现连续测量；直接测量气体吸收光能的大小，相同气池长度下，灵敏度比傅里叶红外光谱高很多；检测范围宽，准确度高；无需预热，检测时间短，便于现场检测。油中溶解气体和微水均可检测。下图为光声光谱系统工作原理示意图。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。如图1所示，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，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。1.3在线监测单元工作原理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。1.4光声信号检测龙源期刊网在检测过程中，将光电传感器的信号做为同步信号，将微型拾音器的输出作为测量信号，采用高速数字模拟混合微处理器对同步信号和测量信号进行高速AD转换，并将测得的同步信号和测量信号序列经数字锁相环、数字滤波软件处理后，即可得到光声信号的测量值。2光声光谱测量原理监测系统的优势采用光声光谱测量原理的系统结构简单可靠，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。采用光声光谱测量原理的系统测量效率高，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1hl次，能最大程度的实现在线检测。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。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。3结论基于光声光谱法的气体在线监测装置在检测精度、灵敏度、稳定性方面，都具有很好的表现，为综合分析、诊断设备的状态提供了可靠依据，从而达到有效减少恶性事故发生的目的，减少了不必要的经济损失，同时可将传统的定期停电检修维护逐步转为状态维护，从而大大提高电网的安全稳定和经济运行水平。随着光声光谱技术的不断更新和发展，基于该技术的变压器在线监测产品的性能和造价都将得到进一步的优化，在实际中得到更广泛的应用。参考文献：[1]GB/T7252-2001变压器油中溶解气体分析和判断导则[S][2]魏星，舒乃秋，崔鹏程，吴波.基于改进PSO-BP神经网络和D-S证据理论的大型变压器故障综合诊[J].电力系统自动化，2006（07）[3]刘先勇，周方洁，胡劲松，李红雷.光声光谱在油中气体分析中的应用前景[J].变压器，2004（07）龙源期刊网