CN101498690B - 在线式电力变压器故障监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力工程技术领域的在线式电力变压器故障光声光谱监测系统，包括：可调谐级联二极管激光器7个、油气分离室、光声腔、锁相放大器、可调谐级联二极管激光器电源控制器、差分放大器、凸透镜、激光功率计、数字记录仪、回油泵、电动真空泵、PLC控制器、计算机。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，电源直接调制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后输入到数字记录仪中，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。同时，这些数据可以通过有线和无线通信的方式传输到远程计算机中去。

Description

在线式电力变压器故障监测系统

技术领域

本发明涉及的是一种电力工程技术领域的在线监测系统，具体涉及一套在线式电力变压器故障监测系统。

背景技术

近年来，电力行业积极应用在线监测技术，开展状态维修，加强设备的常规测试和综合分析，及时消除了一些设备隐患，使全国电网2001年的供电可靠率高达99.99％，但这与发达国家的供电可靠率相比仍有很大差距。电气设备故障，尤其是电力变压器故障，一直是危害电网稳定安全运行的主要因素。因此，对电力变压器的运行状态进行实时在线监测显得尤为重要。

充油式电力变压器的内部主要绝缘材料有变压器油，纸和纸板等A级绝缘材料，在长期运行过程中，当发生局部放电，火花放电和油过热等故障时，就会导致变压器油，纸等发生裂解，从而产生一些特征气体如CH₄，C₂H₄，H₂，CO，CO₂，C₂H₂等，而这些气体之后又溶解于绝缘油中。因此，分析油中溶解的故障气体的成分和比例，可以及时判断潜伏性故障的类型，程度及发展趋势。经过调研得知，目前变电站，发电厂等电力部门，主要采用的变压器故障诊断方法都是基于实验室油中溶解气的色谱分析，技术相对比较成熟，然而，随着科技的发展，以及智能化水平的提高，电力部门也对电气设备的智能诊断和监测提出了更高要求。因此，越来越多的基于油中溶解气体色谱分析的在线监测设备已经面世，尽管取得了一定程度的效果，但仍然存在许多问题。

经过对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)提到，目前，为了实现变压器油中溶解气体的实时或定时监测以及时发现故障，近十几年来，国内外都致力于在线监测及诊断设备的研制，相继研制出了一些具有实用价值的油中溶解气体在线监测及诊断装置。主要包括：以半导体传感器作为检测器的在线监测仪器，以催化燃烧型传感器为检测器的在线监测系统，以燃烧电池型传感器的在线监测系统，以光敏气体传感器为检测器的在线监测系统，采用色谱分析的在线监测系统，基于傅立叶红外光谱技术在线监测系统等等。目前应用最为广泛的基于色谱技术的电力变压器故障在线监测系统的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，GC-FTIR也是常用的联合检测组成。但是，上述在线监测系统均有其致命弱点。基于传感器的在线监测系统具有线性度差，且对气体的选择性不够理想，而基于色谱分析的在线监测设备，由于仪器中采用色谱柱等易耗器件，且大部分仪器还采用透气膜取气的方式进行油气分离，同时监测过程中还要使用载气，导致整套仪器体积笨重，成本昂贵，并且需要频繁维护更新元件，给电力工作人员带来很多操作上的麻烦。而基于傅立叶红外光谱技术的在线监测设备却不能检测重要的特征气H₂，同时当气体浓度过低时透射穿过样品的红外光强度与气体浓度仍然具有非线性的问题，而且由于光的散射，反射所造成的误差较大。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术上的不足，提出了一套在线式电力变压器故障光声光谱监测系统，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，然后经过超声和真空配合脱气，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：可调谐级联二极管激光器及其驱动器、步进电机、凸透镜、油气分离室、油泵、光声腔、锁相放大器、数据采集卡、激光功率计、数字记录仪、真空泵、PLC(Programmable Logic Control，可编程逻辑控制器)控制模块、计算机。其中：油气分离室位于整套系统的最下方，其出气口与光声腔的进气口相连接。可调谐级联二极管激光器位于光声腔和凸透镜的左侧，可调谐级联二极管激光器所发射出来的红外光线经过凸透镜汇聚缩小光斑后射入到光声腔中，且凸透镜的轴心与光声腔的上部谐振管的轴心共线准直，光声腔设置于可调谐级联二极管激光器及凸透镜的右侧。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，锁相放大器后边接数据采集卡，数据采集卡数字记录仪的输入口相连。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，排气口后串接两个电磁阀，其中一个通过管道接回到油气分离室，另一个电磁阀通向外界空气用于排放气体，真空泵用于对光声腔抽真空和促使检测气体的循环流动。油泵安装在油气分离室的左下角的排油口，可以起促使油样循环回流的作用。PLC模块安装在光路和油路系统的右侧，其输入输出端子分别接各个电磁阀和继电器，用来控制电气部件的精确运行，而且该模块自带通信接口，可以通过有线或无线的通信方式与远程计算机进行通信。计算机安放于监控室，可以通过计算机对该在线监测系统进行远程控制。

所述可调谐级联二极管激光器数目为7个，分别对应变压器油中溶解的特征性故障气体CO₂、C₂H₂、C₂H₆、C₂H₄、CH₄、CO、H₂O，且7个可调谐级联二极管激光器中心对称紧密排列镶嵌在一个圆盘上，该圆盘中轴套在步进电机的转轴上，从而可以在步进电机的带动下旋转。每个可调谐级联二极管激光器对应的特征波长分别为1960nm，1520nm，11610nm，9430nm，1650nm，2330nm，1390nm为中心波长，分别用来检测电力变压器油中溶解气体的含量，且它们发出的红外光线均可通过电源直接调制，调制频率可以到达4GHz以上，调制电源可以通过为其专门配置的控制器来调制，同时该控制器自带有同步调制频率输出接口，可以将该接口与锁相放大器的输入口相连接，从而为锁相放大器提供参考频率。

所述步进电机安装于可调谐级联二极管激光器的前面，且步进电机的输出转轴穿过镶嵌有可调谐级联二极管激光器的圆盘轴心，且二者紧连接。当步进电机在PLC控制器发出的驱动信号步进式旋转时，在其带动下，各个不同波长的可调谐级联二极管激光器红外光源可以依次对准凸透镜，从而将其发射出的红外光经过凸透镜会聚后射入到光声腔的一个谐振管内，进而对吸收该红外光波长的气体分组进行检测。

所述凸透镜安装在可调谐级联二极管激光器的正前方，其轴心与红外光束平行放置，且对准二极管激光器。与此同时，凸透镜轴心对准位于光声腔的上半部的谐振管的轴线。

所述的油气分离室为圆柱形，设置于仪器的下半部，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进油阀和进气阀，其中进气阀通过不锈钢管与变压器的取油阀相连接，而该进气口通过聚四氟乙烯管与光声腔的抽真空泵的排气口相连接，下部设置有回油阀，回油阀为外侧通过不锈钢管与油泵相连接，油气分离室的上部侧面设置有出气口，并且该出气口通过聚四氟乙烯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。

所述的油泵，安装在油气分离室的外边，同时该油泵还通过不锈钢管和变压器的另一取油口相连。该油泵的功能是用来将已经脱气彻底的油样再泵回到变压器中去。该油泵的控制同样是通过PLC控制器来控制的。

所述的光声腔采用谐振差分工作模式，为圆柱形的空腔，内部有两根谐振管平行并列上下排列。光声腔设置于凸透镜的正前方，光声腔的入射窗口的中心与光声腔内部位于上部的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该谐振管中去。位于光声腔下侧的谐振管不透过红外光线。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。光声腔的侧壁正中位置上下侧壁各自设有一个微音器，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红外光的反射损耗。当经过调制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。光声腔的入气口和出气口设置在声波的波节位置，进一步减小气体的湍流所造成的噪声干扰误差。

本发明采用了锁相放大器，目的在于能从大量噪声中提取所需要的信息。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10纳伏特(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“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。该锁相放大器的参考频率由可调谐级联二极管激光器的驱动器输出，最后将该锁相放大器的输出端与数据采集卡相连接。

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，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，以能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，便于现场观测。

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，同时还可以作为被检测气体的循环流动提供动力，设置于仪器的最末端，其排气口接有一个T形管，一端通过电磁阀和聚四氟乙烯管与油气分离室的进气口相连接，另一端通过电磁阀与外界大气相通用来排气。且真空泵的入口通过电磁阀和聚四氟乙烯管与光声腔的出气口相连接，由于聚四氟乙烯管有一定的柔韧性，因而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。

所述的PLC模块安装于整套系统的最右侧，起到对整套系统的所有电磁阀，真空泵，回油泵，数字记录仪等电器的控制作用。同时还起到对每个电器部件的故障诊断作用。其通信功能可以方便的实现安装现场与主机服务器之间的接口通信。

计算机设置在监控室内，实现对整套系统的远程监控的功能，同时计算机内还设置有相应的数据处理软件，可以方便的实现变压器故障的及时诊断。

本发明通过在线取油回油的方式对变压器油样进行及时采集，所采集的油样在油气分离室中进行超声波和真空脱气分离，并将故障气体注入到光声腔中，气体在经过电源直接调制具有不同波长的可调谐级联二极管激光器所发射的红外光束作用下，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，输入到与数字记录仪相连接的数据采集卡中，而这些声波信号与各种气体分子的比重成正比，整套系统的电磁阀，真空泵，油泵，电动机的控制均通过PLC控制，而且所检测到的各组分浓度值可以通过PLC的远程通信接口传输到监控室的主机中去，从而方便地实现电力变压器故障的实时在线式监测，而且检测灵敏度高，可检测范围宽，油气分离难度低，体积小巧，安装方便。

附图说明

图1是本发明实例及其内部结构图；

图2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：变压器1，可调谐级联式二极管激光器2，步进电机3，二极管激光器电源控制器4，凸透镜5，光声腔6，差分放大器7，锁相放大器8，数据采集卡及数字记录仪9，激光功率计11，电动真空泵12，油气分离室18，超声波振荡器19，回油泵20，PLC控制器24，计算机25。

油气分离室18位于整套系统的最下部，其进油口经过电磁阀16与变压器1的取油阀22通过不锈钢管相连接，出油口经电磁阀21和回油泵20与变压器1的回油阀23通过不锈钢管相连接，油气分离室18的进气口经电磁阀15与电动真空泵12的排气口处的电磁阀14通过聚四氟乙烯塑料管相连，其出气口经电磁阀17与光声腔6的进气口21通过聚四氟乙烯塑料管相连，光声腔6的出气口23经电磁阀10与电动真空泵12通过聚四氟乙烯塑料管相连，从而油气分离室18-光声腔6-电动真空泵12构成一个闭合的气路系统。超声波振荡器19安装于油气分离室18的底部，而电动真空泵12的排气口外还有个支路通过电磁阀13与外界大气相连接。步进电机3和二极管激光起电源控制器4并列安装在可调谐级联式二极管激光器2的背后，系统上半部的最左侧。镶嵌有7个可调谐级联式二极管激光器2的圆盘轴心紧套在步进电机3的输出转轴上。凸透镜5位于可调谐级联式二极光激光器2正前方，其轴心左半面与单个可调谐级联式二极管激光器2，其轴心右半面与光声腔6的上半部谐振管28对准，以保证从上述可调谐级联式二极管激光器中射出的红外光束可以完全无损耗地射入光声腔6的谐振管28中。光声腔6设置于凸透镜5的正前方。光声腔6的外壁正中部位设置有上下两个微音器27，微音器27的输出端串连差分放大器7，差分放大器输出端串接有锁相放大器8，锁相放大器8的另一输入端子串接于可调谐级联式二极管激光器2的调制信号同步频率输出端子，而锁相放大器8的输出端串接有数据采集卡及数字记录仪9，差分放大器7与锁相放大器8及数字记录仪9一起封装于该仪器系统的最右上角位置，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11设置于光声腔6的出射窗右侧，检测口轴心对准光声腔6的谐振管28的中轴线，电动真空泵12设置于整个仪器的右下角位置，其抽真空口与光声腔6的出气口23通过聚四氟乙烯管相连接，用于对光声腔6抽真空及故障特征样气的循环流动。在线监测系统中的所有可控电器均通过电线连接到PLC控制器24的输入和输出端，并且在PLC控制器24的统一控制下工作。监测到的数据可以经由有线和无线两种通信方式，任选一种进行远程通信，从而把数据传输到远程计算机25中。

本实施例中，油气分离室18材料为不锈钢，容积为400ml，油气分离室18下部安装有超声振荡器19。

本实施例中，采用微音器27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8的型号为SR850。

本实施例中，激光功率计11设置于光声腔6的出射窗右侧，检测口轴心对准光声腔6的谐振管28的中轴线。

所述的数字记录仪9内部自带数据采集卡，并且带有液晶显示屏，可以对测量结果进行存储和显示。

所述的电动真空泵12的入口通过聚四氟乙烯管与光声腔6的出气口23相连接。

本实施例中，系统工作时，首先开启阀门10，13，15，17，然后，启动电动真空泵12，对整个仪器进行抽真空，以保证仪器测量之前具有很好的真空度，从而提高检测灵敏度；当抽真空完毕后，则关闭阀门13，并开启阀门16向油气分离室18中注油，其中阀门16为注油阀，设置于油气分离室18的顶部。当油样油气分离室中的油样达300ml时，关闭阀门16，同时启动超声振荡器19，对油样进行脱气，1min左右后，便可开启阀门17，10，14，15，同时开启电动真空泵12，此时电动真空泵12的气流速度为50ml/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6中，而从光声腔6流出的气体又可通过电动真空泵12循环流回到油气分离室18的进气口。在气流循环流动的同时，开启的可调谐级联式二极管激光器2向光声腔6中射入相应波长的红外光，于是光声腔6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6中部位置安放的微音器27接收，然后经过差分放大器7和锁相放大器8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最终要记录到数字记录仪9中，光声检测装置在不停地采集数据，当前后两次采集的数值相差不超过1ppm时及可将该数据记录下来，表明此时脱气完全，当每种气体均检测完毕，则可关闭超声振荡器19，开启阀门21和回油泵20将脱气后的油样泵回到变压器1中。

如图2所示，光声腔6包括进气口30，出气口31，微音器27，声缓冲器26，ZnSe玻璃窗32，上声谐振管28，下声谐振管29。

光声腔6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26，而中部位置有内径较小的两个声谐振管，上声谐振管28和下声谐振管29。在光声腔6轴向中点位置的外壁上加工有安放上下安装两个微音器27的内径约2-3cm，深度为3-4cm的圆柱孔，然后将微音器27嵌入该孔。在光声腔6的声缓冲器26外侧，设置有ZnSe玻璃窗32，该ZnSe玻璃窗32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30焊接在光声腔6的左端声缓冲器26的下管壁上，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31焊接于光声腔6最右端的声缓冲器26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30和出气口31上还设置有电磁阀门。

故障气体从进气口30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30和出气口31两端均设置有声缓冲器26；当气体流入到上声谐振管28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6中部的微音器27接收，上下两个微音器27检测到的信号经差分放大，可以进一步抑制背景噪声的干扰。上下两个微音器27被安装在光声腔6的中部，正好处与声波波腹位置，信号幅值最强，而光声腔6两端的声缓冲区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32，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。

该系统自带降压变压模块可以直接工作在220V电压下。

本实施例的效果和特点：

1.7个中心波长分别为1960nm，1520nm，11610nm，9430nm，1650nm，2330nm，1390nm的可调谐级联二极管激光器，不需要滤光片分；

2.采用电源直接调制，避免了引入机械斩波器等造成的干扰；

3.油气分离室通过超声波振动进行脱气，采用不锈钢做材料，内部设置有液位检测器，外部安装有回油泵；

4.光声腔为圆柱形谐振差分式光声腔，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，内部有上下两根声谐振管，光声腔中部有上下两个微音器；

5.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；

6.经过锁相放大器输出的模拟信号通过数据采集卡输入到数字记录仪记录该信号，并且数字显示测量结果；

7.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；

8.系统所有电磁阀和电动泵等电器均通过PLC统一控制，具有自诊断功能；

9.上述监测系统主机与远程计算机可以通过无线和有线两种通信方式传输数据。

Claims (5)

1.一种在线式电力变压器故障光声光谱监测系统，其特征在于，包括：可调谐级联二极管激光器7个、油气分离室、光声腔、锁相放大器、可调谐级联二极管激光器电源控制器、差分放大器、凸透镜、激光功率计、数字记录仪、回油泵、电动真空泵、PLC控制器、计算机，其中：油气分离室位于整个监测系统的最下端，油气分离室出气口与光声腔的进气口相连接，而油气分离室的进气口又与电动真空泵的排气口相通，构成一个闭合的气流回路，可调谐级联式二极管激光器作为红外光源位于光声腔和凸透镜的左侧，单个可调谐级联式二极管激光器与光声腔的上谐振管的轴心共线准直，光声腔设置于凸透镜的正前方，光声腔的外壁有两个微音器，微音器的输出端串连有差分放大器后接锁相放大器，锁相放大器的输出端经数字采集卡与数字记录仪相连接，锁相放大器与差分放大器及数字记录仪一起封装于整个监测系统的右上角位置，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，所述激光功率计的检测口轴心对准光声腔的上谐振管的中轴线，电动真空泵设置于整个监测系统的右下角位置，电动真空泵抽真空口与光声腔的出气口连接，而电动真空泵的排气口连接有T形管，一个分支与油气分离室的进气口经第一电磁阀相连接用于检测气流的循环流动，另一个分支经第二电磁阀与外界大气相通用于排气抽真空；

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和进气口，下部设有回油阀和回油泵，油气分离室的侧面设有出气口，并且该出气口通过聚四氟乙烯塑料管与光声腔的入气口相连接。

2.根据权利要求1所述的在线式电力变压器故障光声光谱监测系统，其特征是，所述的7个可调谐级联式二极管激光器对应的7个中心波长分别为1960nm，1520nm，11610nm，9430nm，1650nm，2330nm，1390nm。

3.根据权利要求1所述的在线式电力变压器故障光声光谱监测系统，其特征是，所述的油气分离室材料为不锈钢。

4.根据权利要求1所述的在线式电力变压器故障光声光谱监测系统，其特征是，所述的光声腔为圆柱形的空腔，光声腔内部有上下两个声谐振管，且上谐振管轴线与红外光束共线，光声腔的侧壁正中位置上下侧均设有微音器，且光声腔左右两端设有声缓冲滤波器。

5.根据权利要求1或4所述的在线式电力变压器故障光声光谱监测系统，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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