光声光谱法监测变压器油中气体含量可行性研究报告Word格式文档下载.docx

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对于已有隐患的设备，也能跟踪其潜伏性故障，最大限度地利用设备，提高使用效益。

电力变压器油中气体含量的检测通常采用色谱检测法，离线式的色谱监测仪存在一系列的不足之处，脱气作业存在人为误差，检测曲线的人工修正也会加大误差；

从取油样到油气分离再到实验室分析，作业程序复杂，花费时间长；

另外,绝缘劣化的发展有快有慢，预防性试验不能实时地发现故障，对电力变压器油中气体含量实施在线监测已成为迫切的需要。

目前，对电力变压器进行故障判断的方法主要有局部放电诊断法和绝缘油中气体含量的监测法，局部放电的监测判断法容易受到现场的电磁场干扰，放电信号难以提取，对变压器故障判断的有效方法还是绝缘油中气体含量监测法。

由于电力变压器、电抗器、套管等电气设备均选用油或油纸和纸板组成绝缘结构，当设备内部发生热故障、放电性故障或油、纸老化时，会产生多种气体。

这些气体会溶解于油中，不同类型的气体及浓度可以反映不同类型的电气故障。

绝缘油中气体含量的检测方法可分为离线式和在线监测式两种，离线式的气相色谱仪具有选择性好、分离性能高、分离时间快、灵敏度高和适用范围广等优点，但是,色谱分析仪是一套精密而复杂的检测装置,整个分析时间长、需要熟练的试验人员、对环境条件的要求较高，整套设备体积较大，只适于在实验室内进行检测；

在线监测式的气相色谱监测系统很好地解决了离线式色谱仪的检测周期长、分析时间长等缺点。

但是目前大部分在线式的监测系统检测精度低、不稳定、后期维护量大,安装运行后不久便停止使用。

因此,研制一种既能取代离线式色谱仪,又能够长期稳定运行于现场的在线监测设备极为必要.

近几年来，随着电力电子技术、传感技术、现场总线技术、专家系统、神经网络诊断系统等技术的快速发展，电力系统在线监测技术日趋成熟。

实现电力变压器油色谱在线监测的方法可分为传统气相色谱法、傅立叶红外气体分析法、光声光谱法、传感器阵列检测法。

这些方法中各有优缺。

气相色谱法在线监测系统的原理是先从变压器油阀取出一定量的油，使用高分子薄膜、分子筛实现油气分离，将分离后的混和气体送往色谱柱实现组分分离，依靠检测器检测出各种气体的浓度。

其检测气体种类、精度、范围，根据系统使用的检测器有关。

这种方法应用于在线监测技术检测精度高，但是需要定期进行维护，稳定性差。

傅立叶红外气体分析法是利用不同的气体在红外有其特性吸收峰值的原理，具有检测速度快、准确度高、非接触性检测、容易维护等特点，但不能检测氢气，价格昂贵，难以广泛普及。

传感器阵列检测法是用多个气敏传感器组合在一起组成传感器阵列，不使用色谱柱分离气体，直接把传感器放入到混合气体中检测，然后采用信息融合技术提取各中组分气体的浓度，解决了传感器交叉敏感无法定量的问题,但该方法存在检测灵敏度不高，恢复时间长等缺点。

气体光声光谱法是通过检测气体分子对激光光子能量的吸收来定量分析气体的浓度，它属于测量吸收的气体分析方法，相对于直接测量光辐射能量的检测方法增加了把热能变成声音信号的过程，也属于热测定的方法。

如果把光源用某种声频进行调制，在一个特制的光声池中就可以通过微型拾音器探测到与频率相同的声音信号，这就是待测的物质光声信号。

如将光声光谱法应用于变压器油中气体含量在线监测，具有检测灵敏度高，需要的样气极少，从而大大地减少油气分离时间，缩短了测量周期；

对比傅立叶红外光谱法，除了常规的烃类气体外，还能检测氢气，且测量精度更高；

无需任何载气，方便设备的维护；

无需定期标定；

无需预热、检测时间快；

稳定性好，使用寿命长等。

从这些特点看出，光声光谱法应用更适合应用于变压器油中溶解气体含量在线监测系统。

因此，我们研制基于光声光谱法的变压器油中气体含量在线监测系统，致力于提高该类在线监测系统的性能,为变压器绝缘故障诊断技术提供更可靠的诊断数据。

目前，国内尚无此类自主知识产权的产品，国外同类产品价格为每套120万元,价格昂贵。

研制基于光声光谱法的变压器油中气体含量在线监测系统，使用较低成本研制出性能稳定、测量精度高、选择性好的设备，将有效地抑制国内外变压器在线监测设备的价格，为我国的电力建设事业节约大量资金。

通过本项目的研究开发，将解决目前绝缘油中气体含量在线监测类产品检测精度低、稳定性能差、现场维护困难的问题；

形成一套具有自主知识产权的变压器油中气体含量在线监测系统。

二、国内外研究水平综述

近年来，国外普遍开展了在线监测变压器油中溶解气体的研究。

较典型的有加拿大Syprotec公司的法拉第变压器看护单元（Faraday™TransformerNursingUnit™，简称TNU）、Hydran®

201i智能型在线式变压器早期故障监测装置：

该装置是使用了可透气浸润薄膜分离气体，使用燃料电池型检测器，以检测H2为主，实际测量的是H2、CO、C2H6及C2H2的总和。

美国Serveron公司的TrueGas气体在线监测仪。

以99.9999%的超高纯He为载气，以热导池为检测器，可测量8种气体，包括H2、CO、CO2、O2、CH4、C2H6、C2H4和C2H2。

测量结果可由软件以图表方式直观显示，与之相关的变压器内部状况的诊断结果可以直接给出。

对C2H2、C2H4、CO、CO2的测量灵敏度可达1µ

L/L或10%（取大者），其他4种气体的测量灵敏度可达10%。

其工作环境温度范围很宽，可从-40℃～+55℃。

建议的采样周期为24小时。

但是，其采样的周期长，消耗载气，而且精度相对PAS法的DGA监测仪不高。

加拿大Syprotec公司早在二十世纪七十年代就研制了Hydran在线H2检测仪。

可以连续监测油温、负载、绕组温度等参数。

应用循环回路采取油样，油样连续流过浸润薄膜时，油中溶解气体脱出进入气室；

气室的氢气由Syprotec公司的HYDRAN传感器测定；

其它气体由FTIR分析，依据每种气体对其特征波长的吸收量测定。

Syprotec声称它已成功避免了约100次变压器灾难性事故。

日本日立、三菱公司研制了能在线监测H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C2H2六种气体的装置，但其检测周期长达7～10天，精度为15～20ppm。

由于PAS法灵敏（对于微弱气体的含量可以精确到1ppm）、快速、准确和测定范围广的优点，故在微量气体的科学研究中发挥了重要的作用。

随着现代微弱信号测量技术的发展以及激光器和微音器的发明，使得PAS技术被广泛运用在各方面。

近十年来光声池的运用，更推动PAS技术走向一个新的台阶。

20世纪70年代初，国外红外傅里叶变换（FTIR）开始广泛应用，但是直到2003年，英国的Kelman公司才推出了基于光声光谱的便携式DGA，2007年该公司推出了基于光声光谱技术的TRANSFIXDGA在线检测仪。

该设备可以检测8种故障气体（包括C2H2、C2H4和H2）和微水，无需载气或标气，多种本地和远程通讯选项（有可编程报警系统），易于安装，实时测试DGA结果可达到每小时一次，具有window特征气体分析软件。

可是由于国内国际标准不统一，而且该设备测量乙炔气体的精度不高，影响现场诊断变压器故障的准确性，导致国内用户对该设备并不看好。

由于国内变压器油与国外变压器油成分不完全相同，因此在使用国外监测设备时均存在仪器测试数据转换存在误差等问题，使用时需要积累一定的数据和经验，才能应用测量结果对变压器性能做出初步判断。

国内的有东北电力科学研究院的大型变压器色谱监测装置1994年投入运行，主要针对500KV以上大型变压器。

上海思源电气股份有限公司研制了TROM-600变压器油色谱在线监测系统。

要采用特殊材料制造的色谱柱作为特征气体分离的主要元件，才能保证测量的灵敏度。

宁波理工监测设备有限公司的MGA2000-6型变压器色谱在线监测仪。

它的油气分离单元采用了玻璃态聚合物的M40油气膜和气体多组分检测传感器（包括热导池、半导体气敏传感器）。

热导池测量范围可达100%，以进口高纯He作载气，在实验室也只能检测出5μL/L以上的C2H2；

这是其致命的弱点，因为它不能检出预试规程规定的1μL/L的C2H2注意值。

半导体气敏传感器能够测量低浓度的多种气体，在油蒸汽中、高湿度和温度变化中能保持长期的稳定性。

其缺点是反应输出非线性，而且必须工作在氧化环境中，否则气敏反应的恢复时间会达到30s以上，使各峰出现严重拖尾现象，强峰后的弱峰因严重的非线性干扰而难以准确测量，这使得对保留时间相近的两峰中的后峰的测量特别困难。

国内的研究状况有如下几个特点：

（1）原理性研究的居多。

变压器油的气相色谱法的技术理论和实验技术基本上已经成熟，可以比较容易地实现，而且已经应用到现场，但是光声光谱的DGA在线监测很少有人涉足，且也只是一些单位，尤其是高校等研究机构通过各种渠道申请到项目，做一个实验样机，在实验室环境下组织一个鉴定就算完成任务，但这样的系统离实际应用的水平还相差甚远。

（2）技术指标相对落后。

国内在线监测系统的技术指标相对国际水平来说还比较差，尤其是在可靠性和分辨率等关键指标上还不能满足现场苛刻条件使用的要求。

对于FTIR技术，目前已经不少国内厂家生产的红外FTIR光谱仪可以同国外媲美，如北京瑞利公司出品的WQF-510/520和北京华夏科创仪器技术有限公司的傅立叶变换红外光谱仪等。

但是，对于PAS技术国内的生产厂家还相当不成熟，几乎为零。

（3）产品的抗干扰和可靠性差。

大多数产品在实验室使用是效果还可以，测量的数据结果可以接受。

但是拿到现场使用时，测量的数据可靠性和重复性都很差，精度不高。

甚至遇到略大一些的电磁干扰后，则完全无法工作或者测出的数据杂乱无章。

（4）测量手段停止不前。

大多数研究变压器油色谱在线监测的科研人员，都是仅仅局限于研究薄膜脱气材料如何快速脱气、采气池的结构设计等局部性问题，而没有全面考虑是否可以采用全新的测量方法（如光声光谱等）。

可喜的是，有些研究单位（如浙江大学、清华大学）已经着手研究光声光谱等方法在线监测变压器油的问题。

（5）代理国外技术较多。

由于光声光谱技术的应用领域和市场日益成熟，国外的厂商都把目光瞄向中国市场，一批代理商应运而生，纷纷将国外的优秀产品推向中国市场，还有专门研究FTIR色谱仪如何使用和保养的技术人员。

（6）应用领域正在扩大。

现在很多研究单位都在试图将光声光谱测量技术应用于各个领域，不仅在微量气体分析和环境监测方面，现在正逐渐应用到电力系统中。

总之，目前基于光声光谱技术的DGA在线监测技术国际上还不是很成熟，几乎属于首创。

而国内无同类产品。

三、项目的理论和实践依据

3.1理论依据及原理阐述

光声效应，是基于物质吸收调制光后通过无辐射弛豫放热而激发出声波的效应。

早在1880年美国著名科学家BELL等就发现了光声效应，他们在用断续光照射密闭池中的固体材料时，与池相连的声探测器检测到信号，Bell正确地指出光吸收与光声效应内在的依赖关系。

但由于光强太弱，光声效应的应用发展缓慢。

后来，由于微弱信号检测技术和激光技术的发展，光声光谱技术也得到了快速的发展，1971年，Kreuzer在光声气体检测方面做了开创性的研究工作，他利用可调谐激光做光源，测得浓度低至

的气体吸收光谱，并理论上分析了使用激光做光源和高灵敏度的微弱信号探测器可对气体光声光谱检测出限数量级达到

。

光声光谱法的高灵敏度得到了人们的极大关注，并使它得以迅速发展。

其气态的光声原理如图1所示。

激光器发射出的激光通过斩波器后，调制成为不同频率的激发光，然后进入光声池，被激发的气体分子会通过辐射或非辐射两种方式回到基态；

对于非辐射驰豫过程，体系的能量最终转化为分子的平动能，引起气体局部加热，从而在气池中产生压力波（声波）。

使用微音器可以检测这种压力的变化。

光声技术就是利用光吸收和声激发之间的对应关系，通过对声信号的探测从而了解光吸收过程。

由于光吸收激发的声波的频率由调制频率确定；

而其强度则只与可吸收该窄带光谱的气体的体积分数有关，因此，建立气体体积分数与声波强度的定量关系，就可以准确计量气池中各气体的体积分数。

图1，气态的光声原理

一个长度为L，池半径为R的光声池，样品吸收光能后产生的压力分布可表示为Pj，

（1-1）

光声池的共振频率：

（1-2）

式中，

为轴向、方向角及径向的模次数（去正整数）；

为

阶第一类贝赛尔（Bessel）函数；

为标准化常数；

为在池壁面（

）处满足径向声压变化为零的临界条件：

时的

次方根。

考虑到粘滞与传导损耗，当激光沿池中心轴入射，且气体吸收很弱时，如用角频率为

的斩波器调制的激光照射，当光斑直径远小于池内径（1/3以下），当

<

（

次共振频率）时，在

池壁处声压大小可用下式表示：

（1-3）

为吸收功率可用池内吸收光峰值功率的1/2给出；

为光声池内容积；

为光声池热弛豫常数（

为零次模共振

值），它与气体热扩散率

（

为热传导度，

为密度，

为压电比热）的关系为

在标准状态下

，当光声池内径为1cm时，

考虑调制频率远小于腔最低简正模频率时（即

）为非共振情况，

则基频成分声压：

（1-4）

当用矩形调制光时可得公式

（1-5）

为分子的吸收系数，

；

为断续入射光功率，J;

D为光声池腔体内径，cm；

C为样品气体浓度，

声压

被微音器检出后产生光声信号

若其响应率为

时有

（1-6）

将式（1-5）代入则

（1-7）

其中

可称为仪器常数，则

（1-8）

做出样品工作曲线即可进行定量分析。

3.2实践依据

英国凯尔曼公司已应用该方法于变压器油中气体含量在线监测系统。

四、项目研究内容和实施方案

4.1项目内容

本项目主要进行三个方面的研究，光声光谱法应用于变压器油中气体含量在线监测系统的关键技术的研究；

光声光谱法变压器油在线监测系统的开发研制；

变压器油中气体含量的离线检测与在线监测技术的对比研究。

4.1.1.光声光谱法变压器油在线监测系统的开发研制

基于光声光谱法的变压器油中气体含量的在线监测系统按分布式设计，积木式结构，具有很强的可扩充性。

其基本框架按三层体系结构设计，具体包括：

局方管理系统；

站方监测系统；

变压器现场监测系统。

其系统框图如下图2：

图2，变压器现场监测系统系统框图

局方在线监测系统包括数据库服务器和应用服务器以及WEB查询工作站三大部分，数据服务器完成数据的存储、数据的维护以及与其他系统接口的功能，应用服务部分主要完成数据的处理、查询、分析和诊断。

站方监测系统完成对终端装置的通信管理、数据收集、数据处理、存储；

数据的查询显示、注意值阀值设置、分析诊断功能；

并将有关数据上传局方主站系统。

现场监测系统完成变压器的油中的气体采样控制、气路流动控制、气体浓度测量、数据通信等。

现场监测系统由油气分离单元、气路控制单元、光声检测单元、现场控制单元组成，图如下图3。

图3，现场监测系统框图

油气分离单元主要实现对变压器油中溶解气体的采样功能。

采用最新的真空定量脱气方法进行脱气，其脱气率高达98%，脱气时间短，只要5分钟，解决了以往油气分离装置脱气时间长，可重复性差的缺点。

气路控制单元，把油气分离后的样气，取定量的样气均匀地送到光声检测系统的光声池。

光声检测单元检测原理是,当把样气送入气体池后，关闭气体池阀门，激光源产生连续激光，通过斩波器调制成一定频率的脉冲光，光辐射到气体池，气体通过吸收光脉冲，产生声波，通过高灵敏度微音器检测其强度，然后信号通过前置放大、锁相放大后，用高精度AD和高速DSP采集其数据，并储存。

光声检测系统由光源、调制器、光声池、微音器（声传感器）、前置放大、锁相放大、数据采集等单元组成。

光源，由于大部分气体分子的特征谱线出现在近中红外波段，因此在这个波段的可调辐射源就比较适用于气体探测器，按工作方式，光辐射源可分为脉冲和连续辐射两类，为了使连续辐射的光束变成强度时变的光束，通常还需要各种相应的调制技术，如果按辐射本身的特性来分，辐射光源又可分为非相干光源和相干的激光光源两类。

激光光源的单色性好，光谱功率密度大，用于光声光谱分析具有灵敏度高，分辨率好等特点，缺点是目前可用于光声光谱分析的近中红外激光器的种类有限，单一激光器的波长覆盖范围窄，并且价格昂贵。

非相干光源主要是指红外热辐射光源，近年随着热光源材料和光源制作工艺的发展，宽带、高光谱功率密度的红外光源也在光声光谱分析中得到应用，特点是光谱覆盖范围宽，结合窄带红外滤光片，可实现对多种气体成分的测量和分析。

本项目将根据检测气体种类和检测灵敏度要求，通过实验比较，选择适当的光源。

调制技术，内调制脉冲光源不需要外加调制器即可直接使用。

使用连续谱光源时，则需要进行光束调制。

光调制技术有振幅调制和频率调制。

振幅调制较为常用，调制方法有机械斩波器、声—光调制和电—光调制器。

本项目拟根据光源的选择、光声池的设计和光声信号的检测方式，对内调制、外部机械调制和频率调制方式进行研究比较。

光声池，光声池有谐振式和非谐振式两种，谐振式的光声池可以利用自身的特殊结构，对噪音信号进行抑制，另外也可以避免因池壁和池窗等结构产生光声光谱信号；

其缺点是：

谐振腔需要闭环电路控制调制频率来保持探测器的校正，这使得系统复杂程度提高，稳定谐振频率的温度稳定系统也使得谐振池体积和重量大大增加。

非谐振式的光声池，其结构简单，体积可以做得很小，但噪声抑制能力差，不能连续流动式采样。

因而需要综合考虑油中溶解气光声测量系统的技术要求和测量环境等多方面的因素优化设计光声池。

微音器，微音器作为光声捡测中的能量转换元件，应能准确地反映光声池内声压的微小变化。

目前光声测量所用的微音器主要有电容式和驻极体式两种。

这类微音器的结构简单，体积小，便于安装和组成阵列使用。

近年来出现的光纤声波传感器具有高于电子式微音器一至两个数量级的灵敏度和信噪比，并且不受电磁场干扰，是一种极有应用前景的微声波传感器件。

本项目将在采用高灵敏度低噪声电子式微音器的基础上，研制光纤式声波传感器，并应用于油中溶解气光声检测系统。

多种气体分析的物理数学模型和在线快速计算方法也是本项目的重要研究内容，油气分析通常需要对甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳、氢气和微水等多种气体成分进行测量和分析，研究各种气体的红外光谱吸收特征和其它物理特征，结合光源和滤光片的工作特性，对这些气体进行高分辨的光谱识别和定量浓度计算。

通过理论和实验上对各种气体的红外光谱特性研究，建立准确的数学模型，研制能够快速在线计算分析的计算机软件程序。

光声光谱在线现场监测系统研究还包括现场监测控制单元，该单元实现对整个现场监测系统的控制和实现数据通信功能。

现场的控制包括油气分离装置的样气采集控制、气路控制系统的控制、光声测量系统的气体浓度测量控制、数据通信等。

4.1.2.变压器油中气体含量的离线检测与在线监测技术的对比研究。

目前，变压器油中气体含量的诊断根据《GB/T7252-2001变压器油中溶解气体分析和判断导则》和《GB/T17623–1998绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法》。

电气设备检修人员在进行变压器检修时采用传统的气相色谱仪进行检测、分析、判断，而在线监测的色谱系统仅作为一个辅助判断的依据。

由于离线和在线监测系统的检测原理的不同，导致离线的设备检测的数据与在线监测的数据往往不符。

在线监测设备本身没有自己的分析和判断导则，在对变压器油中的气体组分含量分析、判断是根据离线设备的判断导则。

国内在变压器离线式的色谱分析和在线式的分析均做过相关的研究，本项目将离线式的色谱分析和在线式的分析进行对比性研究。

其内容包括：

1）收集国内外电力变压器非故障状态下和故障状态下的离线式的色谱分析数据和在线式的色谱分析数据；

2）将本系统与离线的气相色谱议数据的分析进行对比。

3）将本系统与其它在线式的监测系统进行数据对比。

4.1.3.光声光谱法应用于变压器油中气体含量的在线监测系统的关键技术和难点

见下文关键技术

4.2.技术关键

光声光谱法实现变压器油中溶解气体在线监测的技术关键在于研制光声光谱检测单元、研制油气分离单元和现场监测系统的稳定性问题。

（1）光声检测单元的技术关键包括：

高灵敏度、低噪声声波传感技术；

宽带可调谐近中红外大功率激光光源/宽带高光谱功率密度的红外热辐射光源研究；

高灵敏度、低噪声、小容积光声池设计；

光声信号相关检测技术及基于DSP的信号采集和实时处理系统；

多种气体分析物理数学模型及快速在线计算方法；

微量乙炔和氢气的检测；

（2）故障气体吸收光谱及选择

变压器油中溶解气体的内的气体有乙炔,乙烯,甲烷,乙烷,一氧化碳,二氧化碳和水。

每一种气体分子均有其吸收峰值，不同的气体的吸收峰值不同，但也有在某些区域有重叠吸收峰值，导致用该波段的光分析气体时会发生气体间的交叉影响。

选取吸收峰值应尽量避免有重叠的吸收峰值，峰峰值尽量大。

尽量与水也分开，避免造成交叉影响。

既要选择吸收峰值大，又要求没有交叉影响，选择出这六种气体的吸收峰值如下表所示。

表1选取后的各种气体的吸收峰值

气体组分

分子量

特征波数/（cm-1）

特征波长/

交叉影响

甲烷

16

1254

7.974

水

乙烷

30

861

11.614

乙烯

28

1061

9.425

乙炔

26

783

12.771

一氧化碳

2150

4.651

二氧化碳

44

668

14.970

由表1可见,C2H6,C2H4,C2H2,CO和CO2在表中所列的特征波数处都有较强的吸收峰,而且各气体间不存在交叉干扰,也不会受到变压器油中H2O的影响。

CH4在1254cm-1处虽然能避开其它气体的特征频谱,但是处在H2O的吸收谱带中,会受到H2O的影响。

（3）研制油气分离单元

在同类的油中溶解气体在线监测装置中，使用过的油气分离方法有全自动真空进样、鼓泡法、振荡脱气、动态顶空脱气和膜分离等方法，这些方法各有各的优缺点，使得油气分离系统工作效益低，性能不够稳定。

降低了整个在线监测系统的性能，需要研制高效益的油气分离单元。

该