CN101487818B

CN101487818B - 变压器油中气体含量在线监测方法及系统

Info

Publication number: CN101487818B
Application number: CN2009100607973A
Authority: CN
Inventors: 钱进; 杜富豪; 徐思恩
Original assignee: State Grid Electric Power Research Institute
Current assignee: State Grid Electric Power Research Institute
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2029-02-20
Also published as: CN101487818A

Abstract

本发明涉及一种变压器油中气体含量在线监测方法及系统，采用气体光声光谱法测量溶解于变压器油中的气体，即当把样气送入光声池后，关闭气路阀门，用激光器发送的激光辐射光声池中的样气，气体通过吸收光脉冲，产生声波，通过微音器检测其强度，然后信号通过前置放大、锁相放大后，用高精度数模转换器与DSP数据发送器采集其数据，并储存；锁相放大器同时进行光声相位漂移分析，依据气体的种类和浓度准确判断电力设备的运行质量或故障类别和故障严重程度。从而高精度地诊断电力设备的运行状况或故障的性质和程度，其构造简单，运行稳定，可长期在线监测。

Description

变压器油中气体含量在线监测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种变压器油中气体含量在线监测方法及系统，属于高压电气设备在线监测领域。

背景技术

由于目前在电力系统中普遍实行的定期检修制度已不适应电力系统改革发展的需要和电力用户对供电可靠性的要求，电力企业已迫切需要推行在国际上更先进的状态维修，即根据设备的运行状态确定是否需要维修和如何维修，而在线监测是对高压电气设备实行状态维修的必须和有效的手段。

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。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。其中，专利公开号02277287的“变压器局部放电在线监测装置”将变压器运行状态中局部放电情况通过传感器传感出电信号经放大接收被及时监测出来，但该方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，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，但也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。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，例如专利号为02277289的“变压器油中溶解气体在线监测装置”提到的方法仅使用油中气体智能传感器进行测量，测量精度低、测量气体少、长期工作不稳定、后期维护量大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变压器油中气体含量在线监测方法及系统，它基于光声光谱法，既能取代离线式色谱仪，又能够长期稳定运行于现场；本发明检测气体种类多，同时大大降低在线检测变压器中油的复杂度和不稳定度。

本发明的技术方案是：变压器油中气体含量在线监测方法，其特征在于：采用气体光声光谱法测量溶解于变压器油中的气体，即当把样气送入光声池后，关闭气路阀门，用激光器发送的激光辐射光声池中的样气，气体通过吸收光脉冲，产生声波，通过微音器检测其强度，然后信号通过前置放大、锁相放大后，用高精度数模转换器与DSP数据发送器采集其数据，并储存；锁相放大器同时进行光声相位漂移分析，依据气体的种类和浓度准确判断电力设备的运行质量或故障类别和故障严重程度。

如上所述的变压器油中气体含量在线监测方法，其特征在于：采用真空定量法分离油气。

如上所述的变压器油中气体含量在线监测方法，其特征在于：所述微音器为电容型驻极微音器，在常温条件下其灵敏度漂移在200年内小于1％，测量精度不低于10mv/mP。

变压器油中气体含量在线监测系统，包括局方管理系统、站方监测系统、现场监测系统，其局方管理系统由数据库服务器、WEB查询工作站和TCP/IP网络三大部分组成；站方监测系统由数据收集处理服务器、监控计算机和全分布式智能控制Lon works网络组成，站方监测系统经过TCP/IP网络与局方管理系统的数据库服务器连接；其现场监测系统包括变压器油阀门、油气分离器、气路控制器，变压器油阀门一端与变电设备的绝缘油室相连，一端与油气分离器相连，油气分离器的另一端与气路控制器连接；其特征在于：现场监测系统还包括光声检测系统，光声检测系统由光声池、微音器、滤光片、光调制器、激光器、步进电机、前置放大器、锁相放大器、数模转换器和DSP数据发送器及现场检测控制器组成；光声池的进气管和出气管分别与气体控制器的阀门连接，气路控制器与现场检测控制器电连接，激光器、光调制器与滤光片组成光路，步进电机控制滤光片运动至光声池的入光口，步进电机与现场检测控制器电连接，光声池外壁与微音器连接，微音器与前置放大器电连接，前置放大器与锁相放大器电连接，锁相放大器与数模转换器及激光器电连接，数模转换器与DSP数据发送器电连接，DSP数据发送器通过数据通信线经Lon Works网络与数据收集处理服务器连接。

如上所述的变压器油中气体含量在线监测系统，其特征在于：光声池的入光口与进气管之间、出光口与出气管之间都设有两个声学滤波器。

如上所述的变压器油中气体含量在线监测系统，其特征在于：光声池为共振式圆柱形，由传热系数较大的金属材料制成。

如上所述的变压器油中气体含量在线监测系统，其特征在于：激光器为非相干宽光源，其特征波长2-20μm。

如上所述的变压器油中气体含量在线监测系统，其特征在于：微音器是knowles公司的EK-23024，测量精度为10mv/mP。

本发明的工作原理是：采用了气体光声光谱法测量溶解于变压器油中的气体，通过检测气体分子对光源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。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。

由于变电设备、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，会产生各种气体。这些气体溶解于油中，不同类型的气体及浓度可以反映不同类型的电气故障。溶解于变压器油中的气体主要有氢气、乙炔、乙烯、甲烷、乙烷、一氧化碳、二氧化碳等。大多数气体都有如下一些特征：

一.光声特性：当用光照射气体时，气体会吸收光子能量，发生膨胀，增大体积，膨胀时会产生超声波，气体浓度越大，超声波幅度越强。

二.光谱特性：每一种气体分子均对一定波长的光子能量吸收值最大，即一种气体只对一种波长的光子能量吸收时发生最大峰值，不同的气体吸收光子能量最多时的波长都不同。但也有少部分气体或物质吸收光子能量峰值的波长重叠，产生交叉。选取吸收峰值应尽量避免有重叠的吸收峰值，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，经实验，变压器油中部分气体的吸收光子能量最大的波长如下表：

气体组分	分子量	特征波数/(cm^-1)	特征波长/μm	交叉影响
					甲烷	16	1254	7.974	水
乙烷	30	861	11.614	水
					乙烯	28	1061	9.425	水
乙炔	26	783	12.771	水
					一氧化碳	28	2150	4.651	水
二氧化碳	44	668	14.970	水

由上表可见，乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳和二氧化碳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水的影响。甲烷在1254cm^-1处虽然能避开其它气体的特征频谱，但是处在水的吸收谱带中，会受到水的影响。所以在系统中要考虑滤除水的影响。由上表可见，油色谱需要检测的特征波长为4.651μm-14.97μm之间，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。一般来说激光器的可调谐范围没有非相干光源宽，不能同时测量很多种气体，可调范围宽的激光比较昂贵，所以通常采用非相干光源比较合适。由于非相干光源发射的是连续谱，因此还得使用波长选择元件。(如滤光片或单色仪)。

三.光声相位漂移性：实际上还存在不吸收或很少吸收光子能量的部分气体，如氢气。但氢气它有另外的光声光谱特性，即以空气为背景气体时，当温度稳定且容积里气体分子量在一定范围内时，光激发的超声波在含有不同氢气分子量的混合气体中传播时间的相对漂移与氢气分子量成正比，即氢气对产生的光声影响其传播速度，使光声相位发生漂移，在混合气体中，氢气的比重越大，光声相位移动越大；测量的灵敏度可以达到200uL/L，且此灵敏度在背景气体的平均分子量为20～100范围内几乎没有变化。利用这一特性也可以运用光声光谱法检测不吸收光子能量的氢气。影响测量准确度的主要因素包括背景气体组分的改变导致的平均分子量的改变和气室温度的稳定性；激励声波所用的光源从紫外、可见、红外、到微波变化时，其测量结果一致。

考虑到通常使用的油气平衡法得到的气室中H₂的体积分数，常为油中气体体积分数的20倍，200uL/L的灵敏度意味着可以测量到油中气体体积分数为10uL/L，这对于绝大部分变压器油中H₂体积分数为60uL/L的监测，其灵敏度足以满足要求，也超过了现有在线色谱和在线傅立叶红外光谱的灵敏度。

由于对于小气室而言，其温度稳定在±0.1℃范围内并非难事，所以问题的难点集中在背景气体组分的平均分子量的改变上。空气的平均分子量为29，在本系统中CH₄和CO₂对背景气体平均分子量的影响稍大，而其它气体的影响则很小。考虑到光声光谱已经可以给出其它组分的体积分数值，因此对于背景气体组分的影响，还可以考虑进行必要的校正。

由此可见，H₂虽然不吸收红外光，但测量其它任何气体的吸收产生的声波在气室中传播时的相位移动，却可以给出H₂的体积分数。

由于溶解于变压器油中的不同类型气体及浓度可以反映不同类型的电气故障。那么只要准确检测出变压器油中的气体种类和浓度，就可以准确判断电力设备的运行状况或故障的性质和严重程度。从上述的气体特性可知，利用变压器油中气体的光声光谱特性就能方便地做到这一点。

本发明的有益效果是：(1)本发明采用真空定量法分离油气，脱气率高，脱气时间短，可多次重复使用。光声法是利用气体对光子吸收能量时产生超声波的特点，而且利用光声效应能测出吸收光子能量很小或不吸收光子能量气体的相位移动来检测气体，其灵敏度较高，运行稳定，性能可靠；由于检测时对气体的需求量小，就大大简化了油气分离和气路控制器的结构，光声池的体积也小，使得制造容易，价格低廉。在上述运用光谱光声在线监测变压器油中气体含量的方法和系统中，光谱法是利用气体吸收光子能量的光谱特性，采用宽光源，提供范围较宽的波长可以检测多种气体，使得设计制造灵活简单；采用一种气体只对一定波长的光子吸收能量最大的特性，运用滤光片，提供单色的光照来检测一种气体，使得检测准确；使用步进电机提供多种滤光片，从而能提供多种单色光照，能检测多种气体，极大地拓宽了检测故障的范围。由于使用了微音器作为检测元件，在常温条件下其灵敏度漂移很小，寿命长，维护方便，维护量小；因光声池小且与外界隔绝，并采用了声学滤波器过滤背景及光源噪声，以及使用出气管将光声池的废气排除，保证光声池不受污染和干扰，使得检测的精度高，检测设备寿命长，可靠性高。由于在运用光谱光声在线监测变压器油中气体含量的系统中，没有预热设备，同时采用电子控制和计算机技术，使之检测速度快，检测时间短。还由于采用了计算机处理和网络技术，不仅能将大量的变电设备进行在线监测，组成多级监测网，还能自动对检测的信息进行处理判断，提供查询和报告，发现异常能及时发出警告，并能提供故障点的相关详细信息，其系统运行可靠性极高，运行成本低，节省人力，故障处理及时，大大提高了电力设备的运行效率和质量。

(2)与在线色谱相比，光声光谱不消耗被测样品，不需要消耗性载气，不需要容易污染老化的色谱柱和复杂的气路控制系统，其灵敏度更高，造价也足够低。与傅立叶红外相比，其最突出的特点是可以利用光声效应测出H₂的体积分数。而与所有测量透过量改变的光学方法相比，光声光谱可以直接测量吸收量而极大地提高了检测灵敏度。灵敏度的提高产生了许多积极的影响，首先体现在对油气分离技术的要求上。由于油气平衡时间与气室体积成反比，而在傅立叶红外测量中，使用超微气池的体积也达到100mL，因而对油气分离技术要求较高。而光声光谱的气池仅需要2～3mL的体积，大大降低了对油气分离的难度。其次是特征谱峰的选择。在傅立叶红外中，由于气池长度有限，只在较强的特征吸收处进行测量，才能获得足够的灵敏度，因此，要在各组分特征吸收的重叠处进行检测；在光声光谱中，因为检测灵敏度的提高，可以在极弱的吸收处进行检测而获得足够的灵敏度，因而可以选择完全不受其它组分干扰，甚至除CH₄外也完全不受水分和CO₂干扰的特征频谱。因而提高了测量的精确度和准确度。从效果看，便携式光声光谱仪的检测指标也全部超过了在线傅立叶红外光谱仪。

附图说明

图1为本发明实施例原理框图。

图2为本发明实施例现场监测系统结构框图。

图3为图2中的光声池结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

图1中标记的说明：1-监控计算机，2-Lon Works网络，3-TCP/IP网络，4-数据库服务器，5-WEB查询工作站，6-现场检测控制器，7-数据收集处理服务器。

图2中标记的说明：8-变压器油阀门，9-油气分离器，10-气路控制器，11-光声池，12-微音器，13-滤光片，14-光调制器，15-前置放大器、16-锁相放大器、17-数模转换器，18-DSP数据发送器，19-步进电机，20-数据通信线，21-激光器。

图3中标记的说明：22-入光口，23-声学滤波器，24-进气管，25-出气管，26-出光口。

本发明实施例原理框图如图1所示，基于光声光谱法的变压器油中气体含量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；现场监测系统。

其局方管理系统由TCP/IP网络3、数据库服务器4和WEB查询工作站5三大部分组成，数据库服务器4完成数据的存储、数据的维护以及与其他系统接口的功能。

站方监测系统由监控计算机1、Lon works网络2和数据收集处理服务器7组成；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管理系统。

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。

本发明实施例现场监测系统结构框图如图2所示，其现场监测系统包括变压器油阀门8、油气分离器9、气路控制器10和光声检测系统，变压器油阀门8一端与变电设备的绝缘油室相连，一端与油气分离器9相连，油气分离器9的另一端与气路控制器10连接，光声检测系统由光声池11、微音器12、滤光片13、光调制器14、前置放大器15、锁相放大器16、数模转换器17、DSP数据发送器18、步进电机19、激光器21及现场检测控制器6组成；光声池11的进气管24和出气管25分别与气体控制器10的阀门连接，气路控制器10与现场检测控制器6电连接，激光器21、光调制器14与滤光片13组成光路，步进电机19控制滤光片13运动至光声池11的入光口22，步进电机19与现场检测控制器6电连接，光声池11外壁与微音器12连接，微音器12与前置放大器15电连接，前置放大器15与锁相放大器16电连接，锁相放大器16与数模转换器17及激光器21电连接，数模转换器17与DSP数据发送器18电连接，DSP数据发送器18通过数据通信线20经Lon Works网络2与数据收集处理服务器7连接，站方监测系统经过TCP/IP网络3与局方管理系统的数据库服务器4连接；现场检测控制器6、站方监测系统和局方管理系统安装有相关专用软件。

这里，油气分离器9主要实现对变压器油中溶解气体的采样功能，它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30分钟，并有效地阻隔了水进入光声池11产生交叉影响，解决了以往油气分离装置脱气时间长，可重复性差的缺点；气路控制器10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11，气路控制器10中与进气管24和出气管25连接时采用电磁阀门，打开关闭时间快，自动化程度高；其激光器21采用远红外非相干宽光源，波长单位为2-20μm，能有效覆盖变压器油中气体的光谱(油色谱需要检测的特征波长4.651μm-14.97μm。)；其光声检测器件采用电容型驻极微音器12，在常温条件下其灵敏度漂移可保证在200年内小于1％。测量精度可达到10mv/mP，例如knowles公司的EK-23024，具有高灵敏度和抗噪声能力；其现场检测控制器6采用工控机；其步进电机19采用微型脉冲电机，按现场检测控制器6的指令运行。

采用的光声池11的设计特点是：能检测多组分气体和低背景噪声、声能损耗，从而提高使提高系统的检测的灵敏度。图3所示为光声池11的结构，在这里光声池11采用圆柱形，材料使用热传导系数较大的黄铜，长L为200mm，半径为40mm，振管半径为5mm，具有共振特性，它有入光口22、出光口26，有进气管24和出气管25，在入光口22与进气管24之间以及出光口26与出气管25之间设置有两个声学滤波器23，它可以滤掉背景噪声，提高精度。打开出气管25将光声池11的废气排除，保障了检测气体的纯度，该光声池11工作在100阶纵向共振状态，在这种模式，可较大的抑制噪声信号，而微音器12放置在光声池11的波腹点，这样能极大地提高微音器12的信号幅度和抑制噪声。进气管24的出口应选择在光声池11半径的0.628R处。

上述运用光谱光声在线监测变压器油中气体含量的系统，其工作方法是：真空油气分离器9分离出变压器油中的气体，阻隔水进入气体中，气路控制器10在现场监测控制器6控制下打开气路阀门，该气体经气路阀门送入光声池11，然后气路控制器10在现场检测控制器6控制下关闭气路阀门，远红外激光器21产生的激光经光调制器14调制后投射到滤光片13，步进电机19根据现场检测控制器6的指令，将需测气体光谱特征波长的滤光片13送至光声池11的入光口22，调制后的激光经该滤光片13经入光口22辐射光声池11里的气体，气体吸收光能膨胀，产生超声波，光声池11外壁上的高灵敏度微音器12检测其超声波强度，将检测到的信号通过前置放大器15放大、锁相放大器16放大后，进行高精度数模转换器17转换后，锁相放大器16同时进行光声相位漂移分析，再用高速DSP数据发送器18储存并发送至站方监测系统的数据收集处理服务器7，数据收集处理服务器7对数据进行处理并传送给监控计算机1，显示需测气体的浓度及相应的变电设备编号和位置，与设定的阀值比较，判断是否超标，处理后的数据发送局方管理系统的数据库服务器4，并在发现异常时由监控计算机1及WEB查询工作站5发出警告；通过入光口22与进气管24之间和出光口26与出气管25之间设置两个声学滤波器23，过滤背景噪声和光源噪声，还经打开出气管25将光声池11的废气排除并进行气体清洗，保障了检测气体的纯度，采用以上方法来确保检测的精度和准确度；经过上述的过程一次，检测出一种气体和该气体的浓度，在每次步进电机19将不同气体光谱特征的滤光片13送到光声池11入光口22的前提下，通过多次上述的过程就检测出变压器油中的多种气体及浓度；依据气体的种类和浓度就可以准确判断电力设备的运行质量或故障类别和故障严重程度；现场检测控制器6按照设置不断循环检测，就可以在线长期监测变电设备的运行状况。

综上所述，运用光谱光声在线监测变压器油中气体含量的方法和系统，方法科学合理，结构简单，运行可靠，检测气体种类多，检测精度高，检测速度快，可操作性强，能缩短障碍时长，维护量小，可长期在线监测，价格低廉，节省人力物力，可极大提高电力设备的运行效率。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域内的熟练技术人员都会理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims

1.变压器油中气体含量在线监测方法，其特征在于：监测系统把变压器中的绝缘油从变压器内取出，通过真空脱气法进行脱气，萃取出变压器油中溶解的气体；然后通过光声光谱法测量脱出的气体，并推算出变压器油中溶解气体的含量，再根据各种气体的含量对变压器进行故障诊断；

采用气体光声光谱法测量溶解于变压器油中的气体，即当把样气送入光声池后，关闭气路阀门，用激光器发送的激光辐射光声池中的样气，气体通过吸收光脉冲，产生声波，通过微音器检测其强度，然后信号通过前置放大、锁相放大后，用高精度数模转换器与DSP数据发送器采集其数据，并储存；锁相放大器同时进行光声相位漂移分析，依据气体的种类和浓度准确判断电力设备的运行质量或故障类别和故障严重程度；

在光声池的入光口与进气管之间、出光口与出气管之间采用声学滤波器过滤背景及光源噪声。

2.如权利要求1所述的变压器油中气体含量在线监测方法，其特征在于：所述微音器为电容型驻极微音器，在常温条件下其灵敏度漂移在200年内小于1％，测量精度不低于10mv/mP。

3.变压器油中气体含量在线监测系统，包括局方管理系统、站方监测系统、现场监测系统，其局方管理系统由数据库服务器、WEB查询工作站和TCP/IP网络三大部分组成；站方监测系统由数据收集处理服务器、监控计算机和全分布式智能控制Lon works网络组成，站方监测系统经过TCP/IP网络与局方管理系统的数据库服务器连接；其现场监测系统包括变压器油阀门、油气分离器、气路控制器，变压器油阀门一端与变电设备的绝缘油室相连，一端与油气分离器相连，油气分离器的另一端与气路控制器连接；其特征在于：现场监测系统还包括光声检测系统，光声检测系统由光声池、微音器、滤光片、光调制器、发光器、步进电机、前置放大器、锁相放大器、数模转换器和DSP数据发送器及现场检测控制器组成；光声池的进气管和出气管分别与气体控制器的阀门连接，气路控制器与现场检测控制器电连接，发光器、光调制器与滤光片组成光路，步进电机控制滤光片运动至光声池的入光口，步进电机与现场检测控制器电连接，光声池外壁与微音器连接，微音器与前置放大器电连接，前置放大器与锁相放大器电连接，锁相放大器与数模转换器及发光器电连接，数模转换器与DSP数据发送器电连接，DSP数据发送器通过数据通信线经Lon Works网络与数据收集处理服务器连接；

光声池的入光口与进气管之间、出光口与出气管之间都设有两个声学滤波器。

4.根据权利要求3所述的变压器油中气体含量在线监测系统，其特征在于：光声池为共振式圆柱形，由传热系数较大的金属材料制成。

5.根据权利要求3所述的变压器油中气体含量在线监测系统，其特征在于：发光器为非相干宽光源，其特征波长2-20μm。

6.根据权利要求3所述的变压器油中气体含量在线监测系统，其特征在于：微音器是knowles公司的EK-23024，测量精度为10mv/mP。