变压器光声光谱

1、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 兀素占总重量的 95%以上，分子中含有-CHb、-C

2、H2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 g C键的形式重新化合成烃类 气体，所需要的能量越来越

3、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 C下生成。乙炔一般在800 C -1200 C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

4、裂解的有效温度高于105C，完全裂解和碳化高于300C,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 300卩L/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

5、主要气体组分次要气体组分油过热CH4、C2H4H2、C2H6油和纸过热CHb、C2H4、CO CC2H2、C2H6油和纸绝缘中局部放 电H2、CH4、COC2H2、C2H6、CC2油中火花放电H2、C2H2油中电弧H2、C2H2CH4、C2H4、C2H6油和纸中电弧H2、aH2、CO CC2CH4、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(P hotoacoustic Sp ectrosco py, PAS)技

6、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DRMC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 CONEDISO公司利用红外光谱的原理来分析并测量 CH、GH、CO CO、GHs,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

7、预测系统能够在线监测油中H、CO CH、GH2、GH4、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

8、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冋的压力波。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特疋气体分子；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。气体吸收波长灵敏度重叠可测范围(kelman)（分子量）/nm/ 卩 L_

9、-1卩LCH4 (14)33900.1C2H6 C2H40.71000077460.2C2H279740.4H2OC2H6 (30)33900.02H2O310000116142.0C2H4 (28)33900.3H2O2.51000094250.3101940.2111110.4C2H2 (26)77460.5H2O110000127710.3140850.2CO2CO (28)46510.20.11000CO2 (44)44053.4C2H21.920000140851.5149700.1H2 (2)-520000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

10、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。h光声室I j«gs k光源训制盘T 微音跟出祥光声光谱原理简图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，记录由微首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

11、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160X 150X 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P DGA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，并对该仅器的各主要部件加以说明。©乙气浆PPAS测量模块n n nJ气路滤片O1q丁日un工控机1j样 磁性搅拌子 斡i交变磁场LCD触摸屏图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

12、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

13、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。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。

14、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。气体种类光声光诰 检测范围fppm气相色谱 检割范阖/ ppm国标垠小 检知浓度/ppm氢气（出）2 50005-5000二辙化碳CCOj）2-50000530000S一氧化碳（CO）1 500003】0000W25甲烷CCH,)05000010-5000乙烷（G缶30.1 500005刃乙烯（GHJ0J-500003 50()0乙快CGHJ0J-50000,J 30(X>WQ.1氧气5'100-500002-5000主要技术指标对比表 采用光声光谱测量原理的系统测量效率高，而采用气相色

15、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。 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

16、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。 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

17、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 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，

18、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。 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。 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。 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,

19、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%（梓本s.sonkv丰晁变电站3号韦变时间气相&谱数值比（比声比涕气相色谱）2011年6月1 019 00511.411.99mtni年7月986.00532.141.S52011年刖i 067 6053(1,812.012011年9月1031 0054L201.9120M年10月974.30556.371.75表2光声光谱原理与气相色谱原理所测氢气含量对比（样本采用刘）kv布日都变电花500出布乌II竺电m器a目）时间光声光诸气柑色谱数值比（光声光谱/气相色谱1mil年1月22 3031410712011年2月20.8

20、032.060:65年3月20.9031.44()'66mil年4月22,1032,630,681年5月2220M720722阻1年胡2工3037.芻0.60表3光声光谱仪与气相色谱仪所测乙炔含量对比（样本采冃500 kV市日都变邑竝500乌1纯电抗需2E时间光击光谱气梱色谱数值比（光击址谱/气相色谱）Mil年I月271 AO34.V63().79MM年2月272J0338.590,81加11年3月2ft9,8f)326,840.832011年耳月2R(9f)353,2S().842011年5月2602a3C7.O90.852()11 年fl月269,80352,820.76表4光声光

21、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Kelma nMINITRANS光声光谱3+微水-/1h早期提醒Kelma nTran sFix光声光谱9+微水、氧气动态平衡顶空脱气/1h准确测量GEHydra nM24+微水早期提醒ClevertechARH-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

22、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。-40 C +65C5-95%627mrK 550mrK 1100mm工作环境温度： 工作环境湿度： 主机外形尺寸： 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02、N2共计

23、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ARM

24、Cortex-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， 完成对变压竺 的综合监测。宁波理工iMG

25、A2020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；支持标准气体自动校准、远程校准和标准油样校准； 支持色谱柱自动活化，延长色谱柱使用寿命； 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：在线活化：智能监测： 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

26、基线自动跟踪技术，确保定量准确；支持数字接口输出和各组分浓度 420mA莫拟量输出；色谱数据采集器与站控层服务器采用光纤以太网、RS485连接;采用 DL/T860（IEC61850）标准规约；采用SNTP网络对时和光纤B码对时； 支持WEB UDP等远程维护接口； 采用工业级嵌入式处理器； 如采用智能组件型式，为标准 19寸机柜，组件尺寸为16UL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：通信方式：通信规约：时间同步：远程维护：硬件设计：组件尺寸：序号监测气体检测范围最低检测限测量重复性1Hb0 2000 卩 L/L2 卩 L/L10%2CO0 1000

27、0 卩 L/L25 卩 L/L10%3CH0 1000 卩 L/L0.5 卩 L/L10%4C2H0 1000 卩 L/L0.5 卩 L/L10%5QH0 1000 卩 L/L0.5 卩 L/L10%6C2H20 1000 卩 L/L0.5 卩 L/L10%7TH0 8000 卩 L/L1 卩 L/L10%8TCG0 8000 卩 L/L1 卩 L/L10%9H2O （可选）2% 100%RH2%RH10%10CO （可选）0 15000 卩 L/L25 卩 L/L10%备注：测量误差取最低检测限值或±30%两者中的最大值Hydra nM2变压器油中四种气体及微水在线监测装置Hydr

28、anM2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。Hydran M2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

29、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压器油中九种气体及微水在线监测装置Tr

30、ansFix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。允许本地及远程通信。 全面的用户

31、设定报警系统。 系统安装简便快捷。最小采样周期为一小时。?免维护：减少维护工作及费用。?通讯连接：?报警设定：?易于安装：?采样周期：?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

32、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Clever tech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， 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-2000DG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-2000DG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