电力变压器的光声光谱油色谱在线监测

1、 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

2、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(P

3、hoto-acoustic spectrometry) 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：可实现非接触性检测，对气体无消耗；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；各器件的性能稳定，可实现在长期使用中免维护；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；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

4、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，

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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 13ml 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。11.2.1.2.11.2.2 气相色谱法气相色谱法是目前多组分在线监测设

10、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

11、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122.1 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

12、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 1-20m 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 7.97m，11.61m，9.42m，12.77m，4.65m，14.97m。将他们分别

13、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

14、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 100H

15、z，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

16、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，

17、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，微音器以及光声腔三者有机结合在一起。美国麻省理工采用半导体激光器作为红外光源，通过微机械技术加工制成微型光声腔，同时实现了对微量气体成分的检测，检测灵敏度可达 10ppm.同时制作了金属黄铜腔体，并且利用实验数据比较分析了两者的优缺点。具体结构如图1.4所示。具体结构设计为，去掉机械斩光器，去掉滤光片，去掉激光合束器，将每一个 MEMS 光声腔都镶嵌一个对应波长的红外激光二极管，并且将二者集成化。将混合气体依次通入每个 MEMS 光声腔，从而完成各种气体浓度含量的实时监测。由于，明显少去了复杂的机械调制措施，光声模块整体

18、的体积和重量也大大减小，更方便于安装和应用。2.1.2 油气分离装置图4 油气分离装置结构示意图文献3给出了一种油气分离装置的结构示意图。该油气分离装置的基本工作过程为：抽真空：首先，关闭注油阀，关闭回油阀和回油泵，开启气体止回阀1，2，同时关闭电磁阀1，开启电磁阀2，同时启动真空泵，开始抽取气体排出到外界空气中去，形成一个负压的环境。注油：关闭回油泵和回油止回阀以及气体止回阀，开启注油阀，向油气分离室中注油，同时经过流量控制器进行计量，当注入的油量达到一定量时，关闭注油电磁阀，作为油位高度的后备保护，我们还在油气分离室 1/3 高度处设置有油位液面传感器，当油位高度达到这个高度时，将触发传感

19、器,强制关闭注油电磁阀，停止注油。振荡脱气：启动超声振荡器，气体止回阀1，2，开启电磁阀1，关闭电磁阀2，启动真空泵(用作气体循环泵)，同时将脱好的气体输入到被检测光声腔内。回油：当脱气检测完毕时，关闭气体止回阀1，2，关闭真空泵，关闭超声换能器，开启回油阀，开启回油泵，将已经脱气完毕的油注回到变压器中去。回油完毕后，就相当于一次脱气过程完毕。质量控制阀，可以控制气体的流量速度，为了更好的满足光声腔对该气体的检测效果，一般将气流速度限制为 20ml/min。2.1.3 光声池的设计4光声光谱检测系统中，光声池作为光声信号的信号源，是系统中最为关键的部分，其特性很大程度上决定了系统的分辨力、信噪

20、比和检测极限等关键性能。不同形式的光声池具有不同的特点。非谐振气体光声池如果入射光均匀的分布于整个光声腔中，调制频率低于腔体的最低阶的简正频率时，光声池就工作在非谐振状态，这时池内的光声信号几乎是同相的。非谐振式气体光声池结构简单，体积较小，调制频率低，在仪器小型化时具有自己的优势，但信噪比较低，且不能对流动状态的试样进行检测。谐振气体光声池当入射光的调制频率正好等于光声腔的某一谐振频率时，光声池工作在此谐振模式。谐振式光声池的原理是声波在腔体中传输，通过调制光源照射频率使其与声波在腔室中传播的本征频率重合形成共振，这样可以将光声信号进行共振放大。在谐振光声池中，对声波进行放大可以采用两种方式

21、。一种是基于赫姆霍兹(Helmholtz)共振原理，使用共振腔放大光声效应激发出的声波；基于Helmholtz共振原理设计的光声池称为Helmholtz光声池，它一般由一根细长圆柱形管道连接两个不同体积的空腔组成。Helmholtz光声池工作时，光束透过下端空腔端面的窗口片入射到空腔中，以激发起光声效应，而微音器则安装于上端空腔，以检测气体的压力变化。Helmholtz光声池的主要优点是，只要简单地改变管道的面积和长度，共振频率便有相当大的变化，适当地设计管道的大小，即可获得总气体体积较小而 Q 值相当高(Q100)的共振条件。但是由于管道中气体振子的摆动幅度很小，Helmholtz光声池对光

22、声信号的放大能力有限。另一种放大声波的方式是：通过合理设计光声池，使光声效应产生的声波在光声池中形成驻波，利用驻波放大作用使光声信号得到共振增强，在此称这类光声池为空腔式光声池。空腔式共振光声池具有以下优点：1)光声池的共振频率一般在1kHz以上，因此，随着光声池共振频率的升高，系统的低频噪声将显著降低；2)声场在光声池中呈简正模式分布，因而可以将气体的进出口设置在声波波节处，以减弱气体流动对声场的干扰，这就解决了非共振光声池不能检测流动气体的问题；3)利用光强分布I ( r ,)和简正模式Pj(r)之间的耦合关系，可以增强光声信号并抑制噪声信号，从而提高系统的信噪比。2.1.4 锁相放大器图

23、5锁相放大器结构示意图锁相放大器的基本结构如图1.6所示，包括信号通道、参考通道、相敏检测器(phase-sensitive detection, PSD)和低通滤波器(Low-pass filter,LPF)等。信号通道由低噪声前置放大器、各种特性的无源或有源滤波器、宽带放大器等部分组成；它的作用是对调制正弦信号输入进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作的电平，并且滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测的动态范围。参考通道是锁相放大器区别于一般放大器的一个重要组成部分，它的主要作用是对参考输入进行放大或衰减，为相敏检测器提取被测信号的频率特征提供一个适合幅度的与被测信号频率相关(同

24、步)的信号。参考输入一般是等幅正弦信号或方波开关信号，它可以是从外部输入的某种周期信号，也可以是系统内原来用于调制的载波信号或用于斩波的信号。相敏检测器又称相关解调器，它是锁相放大器的核心单元。相敏检测器是基于互相关检测原理，利用噪声信号与周期信号不存在相关性的特点，通过直接计算待检信号与参考信号在零点的相关值的方法来抑制噪声并提取有效信号。在原理上，相敏检测器相当于一个乘法器和积分器的组合。低通滤波器的主要作用是改善锁相放大器的信噪比，其时间常数 RC 越大，锁相放大器的通频带宽越窄，抑制噪声的能力越强。2.2 油色谱分析诊断方法2.2.1 油色谱法在线监测系统基本结构图6油色谱法在线监测系

25、统结构示意图系统的基本工作原理是：油气分离单元安装在变压器放油阀上，油中的故障气体通过透气膜进入气室;载气把气室中的故障气体吹入色谱仪中进行检测，气体检测器输出模拟信号；数据采集板把模拟信号变成数字信号，进行处理后，把数字量传送给工作站中的在线监测信息系统；在线监测信息系统对数据作进一步的运算，并根据处理结果进行故障诊断。2.2.2 电力变压器油色谱分析诊断方法电力变压器油色谱分析诊断方法主要有三比值法、气体组分分析法、TD 法、四比值法、模糊理论法、神经网络法和专家系统法等5。2.2.2.1 气体组分谱图法该种方法实质是一种直观的表现形式。将变压器每次的油色谱数据分别画在直角坐标系上。纵坐标

26、表示各种气体的浓度比或浓度百分比，横坐标表示气体组分。利用这个图形，有助于确定故障类别。图7气体图形法故障例图2.2.2.2 TD图法这种方法是基于三比值编码。当变压器内部存在高温过热和放电性故障时，绝大部分的C2H4/ C2H6>3，则选择三比值中的其余两项构成直角坐标系，以CH4/H2作为纵坐标，C2H2/ C2H4作为横坐标，形成TD分析判断图。该方法主要用于判断是过热故障还是放电故障。图8 一台 220kV 变压器油色谱分析结果的 TD 图2.2.2.3 总烃安伏曲线法本方法仅仅适用于过热故障。按变电运行日志提供的电流、电压数据，得到每日变压器电源电压、电流的平均值，再加上每日的

27、总烃含量为纵坐标，日期为横坐标，三条曲线进行分析判断，可以得出过热故障发生在导电回路还是非导电回路。判断依据为：1、取油样较为密集时，当 C1+C2 曲线的变化形式与电压曲线的相近时，为磁路故障；与电流曲线相近时，为电路故障，其中甲烷（简写为 C1）、乙烷、乙烯、乙炔（简写为 C2）；2、若电压升高，C1+C2 上升速度加快，电压降低，C1+C2 上升或下降速度变缓（此时与电流关系不大），则为磁路故障；3、若电流增大，C1+C2 上升速度加快，电流降低，C1+C2 上升或下降速度变缓（此时与电压关系不大），则为电路故障；4、特别注意电压与电流变压趋势差别比较大时，C1+C2 的变化。这是判断的

28、关键，在发生此类情况时，进行重新取油样进行离线试验。在使用过程中，也有一定的注意事项：1、故障点可能出现缓慢发展，且受产气规律、油运行方式的影响，色谱试验存在一定的误差；2、取样不少于 3 次；3、精确计算平均值，作图时要尽量将单位长度线段取长，便于比较；4、此方法仅适用于过热型主变本体故障回路的判断；5、适用该方法进行故障判断后，还要进一步进行电气试验。2.2.2.4 四比值法四比值法是将五种特征气体两两相除，得到四个数据编码，编码与判断结果如下：图9四比值法编码表四比值法编码的计算规律为：当两组分浓度比值大于1时，用1表示；如果小于1时，用0表示；如果比值在1的附近，则表示故障处于中间变化过程；浓度比值越大，表示故障性质越明显。这种方法可以判断电力变压器导电回路或磁回路的过热性故障。2.2.2.5 三角形法三角形法包括杜威三角形法和大卫三角形法，都是利用三角形图示对变压器故障进行诊断。杜威法是用三种气体的比值加上一个三角形图来表示故障类型的方法。该方法第一步是计算出三种气体的总和：CH4+C2H4+C2H2；然后计算出各种气体在这个总和中所占的百分数；再用三角形图来表征故障类型。图10杜威三角法图示图中，a-高能电弧；b-低能电弧；c-局部放电；d-热点 T200；e-热点 200T400；f-热点 T4002.2.2.6 人工神经网络技术