CN101458234B - 便携式电力变压器故障诊断仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力工程技术领域的便携式电力变压器故障诊断仪，包括红外光源及调制分光模块、油气分离室、光声腔、锁相放大器、A/D转换器、激光功率计、数字记录仪、真空泵，油样在油气分离室中进行超声波脱气分离，并将故障气体注入到光声腔中，气体在经过机械斩波调制和滤光片分光后的红外光束作用下，发生周期性的振动，从而激发出声波信号。当该声波信号被微音器检测到后，可以通过锁相放大器放大，再经过A/D变换器变换为数字信号输入到数字记录仪中，而这些声波信号与各种气体分子的比重成正比，通过数字记录仪上的显示数值判断出电力变压器当前的运行状态是否良好。本发明体积小巧，重量轻便，便于携带，检测周期短。

Description

便携式电力变压器故障诊断仪

技术领域

本发明涉及的是一种电力工程技术领域的检测系统，具体涉及一种便携式电力变压器故障诊断仪。

背景技术

变压器是输变电系统中最重要的设备，其运行状况的好坏直接影响系统的安全运行。变压器一旦发生事故，造成的直接和间接经济损失是很大的。长期以来，根据预防性试验和油中溶解气体的气相色谱分析结果判断变压器的绝缘状况，对防止事故起到了很大作用。但是定期的预防性试验不考虑设备的实际状况，可能出现过多的维修和不必要的停机，又可能不能及时发现缺陷。因此，对变压器进行及时检测，及时诊断其绝缘状况以避免恶性事故的发生是十分必要的。如表1所示为不同故障形式对应的变压器油中溶解气体的组成。根据油中溶解气体的种类、含量以及含量变化的速率可以及时了解变压器的运行状况。

表1变压器油溶解气体组分和故障判断

国内研制的油中6种主要气体的在线或便携式检测系统，通过透气膜脱出气体，用色谱柱进行分离，用半导体气敏传感器定量检测，可以检测H₂，CO，CH₄，C₂H₂，C₂H₄，C₂H₆的体积分数。此外国内还研制了用氢焰燃烧的方法(FID检测器)检测H₂，CO，CH₄，C₂H₂，C₂H₄，C₂H₆4种烃类气体的装置。但是很少有文献描述基于油中溶解气色谱分析的便携式变压器故障检测仪的情况。

经过现有技术的文献检索发现，孙才新等所著的《电气设备油中气体在线监测与故障诊断》一书(科学出版社，2003年第一版，北京)，其中结构按照功能单元分有：(1)载气系统。包括气源、气体净化、气体流速控制和测量；(2)进样系统。包括进样器、脱气室——通过高分子透气膜进行油气分离和取气；(3)色谱柱。包括恒温控制装置——将多组分样品分离为单个独立的组分；(4)检测系统。包括检测器，控温装置；(5)记录系统。包括放大器、记录仪、有的仪器还有数据处理装置，为便于准确快速检测，GC-MS和GC-FTIR也是常用的联合检测组成。但是，尽管目前基于油中气体的色谱分析的故障诊断技术已经比较成熟，而且有大量检测设备都是基于上述原理之上的，但是有其不足：(1)检测过程会消耗样气和载气；(2)长期使用过程中色谱柱和传感器的性能会逐渐变化，为保证准确度，需要定期用标准气体对检测装置进行校准；(3)检测周期长，特别是高分子透气膜的透气效率很低，速度慢，从而给操作人员带来不必要的麻烦。(4)检测灵敏度仍然较低，还有很大的改善潜力。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术上的不足，提出了一种便携式电力变压器故障诊断仪，使其基于光声光谱技术，通过从运行中的变压器提取少量油样，然后经过超声脱气，接着对所脱出来的气体进行红外激发，此时各种气体就会在经过适当频率调制后的红外光照射下产生周期性的振动，并发射出微弱的声波，再通过微音器就可检测到该声波信号，从而获取变压器油中故障气体的成分，进一步对变压器运行状态进行相应的诊断。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括：红外光源及调制分光模块、油气分离室、光声腔、锁相放大器、A/D转换器、激光功率计、数字记录仪、真空泵。其中：油气分离室位于整个仪器的最左端，其出气口与光声腔的进气口相连接。红外光源及调制分光电路模块位于光声腔的左侧，红外光源及调制分光块的光路系统的轴心与光声腔的谐振管的轴心共线准直，光声腔设置于红外光源及调制滤光模块的右侧。光声腔的外壁设置有微音器，微音器的输出端串连有锁相放大器，锁相放大器后边又串联有A/D转换器，A/D转换器后边串接有数字记录仪，锁相放大器与A/D转换器及数字记录仪一起封装于整个仪器的右上角位置，三者之间通过电线相连，同时三者外边用铝盒屏蔽包装，防止外部电磁干扰。激光功率计设置于光声腔的出射窗右侧，检测口轴心对准光声腔的谐振管的中轴线，真空泵设置于整个仪器的右下角位置，其抽真空口与光声腔的出气口连接，用于对光声腔抽真空。

所述红外光源调制分光模块包括红外光源、球面反射镜、凸透镜、调制盘、滤光盘及滤光片、微型步进电机、微型电动机。红外光源设置于球面反射镜的球心位置，而球面反射镜的作用是将红外光源发射的散射光进行初步的汇聚，使红外激发能量集中，进而满足整套系统的灵敏度要求。凸透镜是用来进一步汇聚红外光束，从而进一步缩小光斑。凸透镜设置在红外光源的正前方，凸透镜轴心与红外光源共线，以保证光路的准直。调制盘设置于可调速的微型电动机上，并位于凸透镜的正前方，微型电动机设置于整个光路的外侧，微型电动机避免与光路共线，而且尽量避免其与光路以及光声腔发生直接碰触而引入机械噪声干扰，与此同时，对微型电动机设置隔音盒，进一步减少振动噪声。当电动机以某一速度转动时，对应的调制盘则在该转速下成比例的以一定的频率对红外光束进行切割，从而将红外光束调制为相同频率的脉冲光束。6个滤光片中心对称分布于滤光盘上，且位于调制盘的正前方，且每个滤光片的轴心与红外光束正交准直。滤光盘与微型步进电机连接，滤光盘在微型步进电机的带动下进行步进式旋转，整个滤光盘位于调制盘的正前方，滤光盘轴心偏离光路一定距离，从而保证各个滤光片的轴心可以随着步进式转动而依次与光路重合且共线，用来对调制好的复色光进行进一步的分光，将它分为6种不同波长的单色光。其中每个滤光片的中心波长对应一种故障气体红外吸收特征波长。当某个滤光片旋转到与红外光束正对的位置时，则只有与该滤光片相对应的红外光可以穿透滤光片，并入射到光声腔中。同样需要注意的是，微型步进电机仍然位于光路外侧，设置于带动调制盘工作的微型电动机的同一侧。

所述红外光源为波段覆盖范围为1-20微米的二极管红外光源。

所述的油气分离室为圆柱形，设置于仪器的左上角位置，避免与光路发生直接接触，油气分离室的底座设置有超声振动装置，油气分离室顶部设置有注油阀，下部设置有泄油阀，油气分离室的侧面设置有出气口，并且该出气口通过不锈钢管与光声腔的入气口相连接。油气分离室具有很好的气密性，油气。

所述的光声腔为圆柱形的空腔，光声腔设置于滤光片的正前方，光声腔的入射窗口的中心与光声腔内部谐振管中轴线相重合，并且与红外光束共线，必需保证红外光束可以毫无阻挡地入射到谐振管中去。而且设计中通过声波谐振原理确定尺寸，以达到声波信号的进一步放大。光声腔的侧壁正上方的正中位置设有微音器，且光声腔左右两端设有声缓冲滤波器。光声腔的入射光窗口和出射光窗口采用ZnSe玻璃窗，目的是最大限度减小光的反射损耗。当经过调制和滤光后的具有某一特定波长的红外光入射到光声腔后，光声腔内的气体分子在红外光的激发下发生热辐射，与该波长相对应的气体分子会在该热源的作用下发生与调制频率相同的振动，并发出声波。但是由于该声波相当微弱，必须通过具有高灵敏度的微音器或压电传感器才能够检测到。

由于被检测信号十分微弱，然而现场又有许多振动噪声和电磁干扰噪声，为了从大量噪声中提取所需要的信息，本发明采用了锁相放大器，锁相放大器是一种能测量极微弱的连续周期性信号的仪器。这些微弱信号可以小至数奈伏特(nV)，甚至隐藏在大它数千倍的噪声当中，亦能精确的测得。连续周期性信号与噪声不同之处在于，前者具有固定的频率及相位，后者则杂乱无章。锁相放大器便是利用所谓“相位灵敏侦测(phase-sensitive detection，PSD)”的技术以取得具有特定频率与相位的信号，而不同于此频率的噪声则被抑制下来，使输出信号不受噪声影响。

所述的A/D转换器将经过锁相放大器放大输出的模拟信号进一步变换为数字信号，然后将该数字信号输入到数字记录仪或其它外设存储器中。

所述的激光功率计用来检测红外光能量是否衰减，如果有能量衰减的情况出现的话，可以以此能量作为参考，进行输出信号的归一化，减小由于能量衰减导致的误差，激光功率计设置于光声腔的出射窗右侧，检测口轴心对准光声腔的谐振管的中轴线，以很好地接收出射的红外光束。

所述的数字记录仪内部自带微处理器芯片，并且带有液晶显示屏，可以对测量结果进行存储和显示。

所述的真空泵是保证仪器每次测量之前均处于很好的真空状态，设置于仪器的最末端，真空泵的入口处设置有电磁阀，并且真空泵的入口通过TEFLON管与光声腔的出气口相连接，由于TEFLON管有一定的柔韧性可以在一定程度上缓冲真空泵工作时所造成的振动等噪声。

本发明选取的油样在油气分离室中进行超声波脱气分离，并将故障气体注入到光声腔中，气体在经过机械斩波调制和滤光片分光后的红外光束作用下，发生周期性的振动，从而激发出声波信号。当该声波信号被微音器检测到后，可以通过锁相放大器放大，再经过A/D变换器变换为数字信号输入到数字记录仪中，而这些声波信号与各种气体分子的比重成正比。于是，可以通过数字记录仪上的显示数值，方便地判断出电力变压器当前的运行状态是否良好。整个仪器，体积小巧，重量轻便，便于携带，检测周期短。

附图说明

图1是本发明实例内部结构图；

图2是本发明中的红外光源调制分光模块结构图；

图3是本发明中的光声腔结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：油气分离室1，红外光源及调制分光模块2，光声腔3，锁相放大器5，A/D转换器6，激光功率计4，数字记录仪7，真空泵8。

首先油气分离室1位于整个仪器的最左端，并且其出气口与光声腔3的进气口相连接。红外光源及调制分光电路模块2位于光声腔3的左侧，并与光声腔3没有直接的机械连接。红外光源及调制分光块2的光路系统的轴心与光声腔3内的谐振管26的轴心共线准直，以保证从上述调制模块射出的红外光束可以完全无损耗地射入光声腔3的谐振管26中。光声腔3设置于红外光源及调制滤光模块2的右侧。光声腔3的外壁正中部位设置有微音器23，微音器23的输出端串连有锁相放大器5，而锁相放大器5后边又串联有A/D转换器6，而A/D转换器6后边串接有数字记录仪7，锁相放大器5与A/D转换器6及数字记录仪7一起封装于该仪器的右上角位置，三者之间通过电线相连，同时三者外边用铝盒屏蔽包装，防止外部电磁干扰。激光功率计4设置于光声腔5的出射窗右侧，检测口轴心对准光声腔5的谐振管26的中轴线，真空泵8设置于整个仪器的右下角位置，其抽真空口与光声腔3的出气口连接，用于对光声腔抽真空。

本实施例中，油气分离室1材料为石英玻璃，容积为400ml，检测前可以从变压器取出400ml的油样将该该油气分离室1注满，不可留有气泡。然后，通过另一个泄油阀泄放掉100ml的油样，此时形成一个100ml的一个真空腔，仅接着可以启动位于样气室下部设置的超声振动装置，进行油气分离。经过大约3到4分钟，便可将油中的故障气体分离出来。此时，则可以打开设置于油气分离室1与光声腔3之间不锈钢管上的阀门10，由于光声腔3处于真空状态，则故障气体在气压作用下流入到光声腔3中。

本实施例中，采用微音器产品为Bruel&Kjear-4176，灵敏度为50mV/Pa。

本实施例中，采用的锁相放大器5的型号为SR850。

本实施例中，A/D转换器6将经过锁相放大器5放大输出的模拟信号进一步变换为数字信号，然后将该数字信号输入到数字记录仪7或其它外设存储器中。

本实施例中，激光功率计4设置于光声腔3的出射窗右侧，检测口轴心对准光声腔3的谐振管26的中轴线。

所述的数字记录仪7内部自带微处理器芯片，并且带有液晶显示屏，可以对测量结果进行存储和显示。

所述的真空泵8的入口通过TEFLON管与光声腔3的出气口相连接。

本实施例中，油气分离室1的出气口位置、真空泵8的入口处分别设有阀门10、阀门12，工作时，首先开启阀门10和阀门12，然后，启动真空泵8，对整个仪器进行抽真空，保证仪器测量之前具有很好的真空度，以提高检测灵敏度；当抽真空完毕后，则关闭阀门10，并将获取的油样从阀门9注入到油气分离室1，其中阀门9为注油阀，设置于油气分离室1的顶部。当观察到油样已经充分满并有从阀门9向外溢出的迹象时，立即关闭阀门9；开启泄油阀11，泄放掉约一半的油样，形成真空腔，其中泄油阀11设置于图示油气分离室1的下部；然后关闭泄油阀11，同时启动超声振动器13，对油样进行脱气，1min左右后，便可开启阀门10，此时抽真空泵的气流速度为300ml/min，可以很好地保证气流的连续流动性，这样通过超声脱气分离出来的故障气体可以源源不断的流入到光声腔3中，由于检测时间十分短暂，全自动约10s左右，所以上述气流连续性可以保证。与此同时，早已开启的红外光源激发调制分光电路模块2向光声腔3中射入相应波长的红外光，于是光声腔3中的对应波长气体分子吸收该红外光，并产生与调制频率相当的周期性振荡信号，该信号产生的声波被光声腔3中部位置安放的微音器23接收，然后经过锁相放大器5的放大滤波作用，获得该频率的信号幅值，所获得的模拟信号幅值需经过A/D转换器6进行模数转换，最终将该数字信号记录到数字记录仪7中，并显示出来。

图2所示为该实施例中的红外光源调制分光模块结构图。

该模块包括：球面反射镜14，红外光源15，凸透镜16，调制盘17，滤光盘及滤光片18，微型步进电机19，微型电动机20。滤光盘及滤光片18是滤光盘分布在滤光片上构成。

球面反射镜14位于整个模块的最左侧，并且红外光源15设置于球面反射镜14的球心位置处，凸透镜16设置于红外光源15正前方，且凸透镜16的轴心与红外光源15共线准直，且凸透镜16与红外光源15以及球面反射镜14通过同一个支架相支撑，以保证光路的更好准直。调制盘17设置于微型电动机20的转矩输出轴上，并且可以在微型电动机20的带动下旋转。调制盘17的盘面半径的中心与红外光束正交准直，且调制盘17位于凸透镜16的正前方，以达到对红外光束的切割调制。6个滤光片中心对称分布于滤光盘18上，且位于调制盘17的正前方，且每个滤光片的轴心与红外光束正交准直。同时滤光片及滤光盘18在微型步进电机19的带动下步进式转动。而微型步进电机19和微型电动机20则设置于光路系统的外侧，不可与光路系统的器件发生碰触，以保证光路系统不受振动干扰。

本实施例中，红外光源15选用二极管红外光源，选用的是型号为MIRL17-900的红外光源，其波长覆盖范围为1-20微米，足以满足变压器故障检测的所有故障气体的红外吸收光谱范围。

本实施例中，6个滤光片以14970nm，12770nm，11610nm，9430nm，7970nm，4410hm为中心波长，分别对应六种故障气体：CO₂，C₂H₂，C₂H₆，C₂H₄，CH₄，CO。

本实施例中，调制盘17采用60HZ作为调制频率，同时，只要调节微型电动机20的转速，就可以很方便的实现对光线调制频率的改变。

红外光源15发出的发散光经过球面反射镜14的初步汇聚后，再通过凸透镜16的进一步汇聚来缩小光斑，经过两次汇聚后的红外光束，在通过微型电动机20带动下旋转的调制盘17周期性切割下，调制出具有一定频率的红外光束，然后该光束在由步进电机19控制下的滤光片及滤光盘18的分光作用下，将入射来的复色光分成某一波长的单色光，然后将该单色光射入光声腔3。

图3所示为该发明实施例中的光声腔的结构图。

该光声腔3包括进气口21，出气口22，微音器23，声缓冲器24，ZnSe玻璃窗25，声谐振管26。

光声腔3通过圆柱型不锈钢加工而成，不锈钢筒内部加工成哑铃状空腔，左右两端内径较大的空腔留作声缓冲器24，而中心轴线位置有内径较小的声谐振管26，在光声腔3轴向中点位置的外壁上加工有安放微音器23的内径约2-3cm，深度为3-4cm的圆柱孔，然后将微音器23嵌入该孔。在光声腔3的声缓冲器24外侧，设置有ZnSe玻璃窗25，该ZnSe玻璃窗25通过螺纹旋转的方式与光声腔体紧密连接，具有很好的气密性。进气口21焊接在光声腔3的左端声缓冲器24的上壁上，同时此处管壁开有内径约2mm的微型圆孔用于进气，而出气口22焊接于光声腔3最右端的声缓冲器24的下管壁上，同样此处管壁内壁开有内径约2mm的微型圆孔用于排气，此外进气口21和出气口22上还设置有电磁门。

故障气体从进气口21缓缓流入，为了减小气流流速对光声信号造成的干扰，要在进气口21和出气口22两端均设置有声缓冲器24；当气体流入到声谐振管26时，在红外光激励下产生的声波信号将被进一步放大，放大后的信号则被位于光声腔3中部的微音器23接收。该微音器23被安放在光声腔3的中部，正好处与声波波腹位置，信号幅值最强，而光声腔3两端的声缓冲区26则位于声波的波节位置；入射窗和出射窗的玻璃采用ZnSe玻璃25，目的在于最大程度上削弱由于透视窗的散射造成的光能量损失。

该仪器自带降压变压模块可以直接接220V电压工作，还可以进行充电后脱离电网独立工作。由于现成电源模块可以购买，这里不予详述。

本实施例的效果和特点：

1.采用波段覆盖范围为1-20微米的红外光源；

2.采用机械斩波调制，成本低，且易于实现；

3.中心波长为14970nm，12770nm，11610nm，9430nm，7970nm，4410nm的六个滤光片，它们分别对应六种故障气体分子的吸收波长：CO₂，C₂H₂，C₂H₆，C₂H₄，CH₄，CO。并且上述六个滤光片中心对称分布到一个圆盘上，该圆盘中轴套在一个步进电机上，可以通过步进电机的旋转来进行分光；

4.油气分离室通过超声波振动进行脱气，采用石英玻璃做材料，便于观察内部油样状态；

5.光声腔为圆柱形谐振式光声腔，光声腔两端透光窗口采用ZnSe玻璃片减小红外光的衰减，上述光声腔采用不锈钢为材料，可以有效隔离外部机械振动噪声和其他电磁干扰，内部使用抛光液进行抛光，减小气体分子在腔壁的吸附导致的误差；

6.采用微音器和锁相放大器进行信号采集和放大，灵敏度高，且有很好的噪声抑制作用；

7.经过锁相放大器输出的模拟信号进一步通过A/D变换器变换为数字信号，再通过数字记录仪记录该信号，并且数字显示测量结果；

8.光声腔末端设置有激光功率计，用来测量显示当前红外光能量，便于操作人员即时参考，对数字记录仪的信号进行归一化，进一步减小测量误差。

Claims (8)

1.一种便携式电力变压器故障诊断仪，其特征在于包括：红外光源及调制分光模块、油气分离室、光声腔、锁相放大器、A/D转换器、激光功率计、数字记录仪、真空泵，其中：油气分离室位于整个仪器的最左端，油气分离室出气口与光声腔的进气口相连接，红外光源及调制分光电路模块位于光声腔的左侧，红外光源及调制分光块的光路系统的轴心与光声腔的谐振管的轴心共线准直，光声腔设置于红外光源及调制滤光模块的右侧，光声腔的外壁有微音器，微音器的输出端串连有锁相放大器，锁相放大器后边又串联有A/D转换器，A/D转换器后边串接有数字记录仪，锁相放大器与A/D转换器及数字记录仪一起封装于整个仪器的右上角位置，三者之间通过电线相连，同时三者外边用铝盒屏蔽包装，激光功率计设置于光声腔的出射窗右侧，检测口轴心对准光声腔的谐振管的中轴线，真空泵设置于整个仪器的右下角位置，真空泵抽真空口与光声腔的出气口连接；

所述红外光源调制分光模块包括红外光源、球面反射镜、凸透镜、调制盘、滤光盘及滤光片、微型步进电机、微型电动机，其中：红外光源设置于球面反射镜的球心位置，凸透镜设置在红外光源的正前方，凸透镜轴心与红外光源共线，调制盘设置于微型电动机上，并位于凸透镜的正前方，6个滤光片中心对称分布于滤光盘上，且位于调制盘的正前方，且每个滤光片的轴心与红外光束正交准直，滤光盘与微型步进电机连接，微型步进电机和微型电动机则设置于光路系统的外侧。

2.根据权利要求1所述的便携式电力变压器故障诊断仪，其特征是，所述每个滤光片的中心波长对应一种故障气体红外吸收特征波长。

3.根据权利要求1所述的便携式电力变压器故障诊断仪，其特征是，所述6个滤光片以14970nm，12770nm，11610nm，9430nm，7970nm，4410nm为中心波长。

4.根据权利要求1所述的便携式电力变压器故障诊断仪，其特征是，所述红外光源为波段覆盖范围为1-20微米的二极管红外光源。

5.根据权利要求1所述的便携式电力变压器故障诊断仪，其特征是，所述的油气分离室为圆柱形，其底座设有超声振动装置，油气分离室顶部设有注油阀，下部设有泄油阀，油气分离室的侧面设有出气口，并且该出气口通过不锈钢管与光声腔的入气口相连接。

6.根据权利要求1或5所述的便携式电力变压器故障诊断仪，其特征是，所述的油气分离室材料为石英玻璃。

7.根据权利要求1所述的便携式电力变压器故障诊断仪，其特征是，所述的光声腔为圆柱形的空腔，光声腔的入射窗口的中心与光声腔内部谐振管中轴线相重合，并且与红外光束共线，光声腔的侧壁正上方的正中位置设有微音器，且光声腔左右两端设有声缓冲滤波器。

8.根据权利要求1或7所述的便携式电力变压器故障诊断仪，其特征是，所述的光声腔的入射光窗口和出射光窗口为ZnSe玻璃窗。

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