CN102539338B - 运用光声光谱进行变压器油中气体含量在线监测的系统 - Google Patents
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Abstract
一种运用光声光谱进行变压器油中气体含量在线监测的系统，该系统包含油路系统、气路控制模块、光声光谱监测模块和信号调理分析模块。本发明基于光声光谱法，既能取代离线式色谱仪，又能够长期稳定运行于现场，检测气体种类多，同时大大降低在线检测变压器中油路的复杂度和系统的不稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及高压电气设备在线监测领域，尤其涉及一种运用光声光谱进行变压器油中气体含量在线监测的系统。
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检修，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器设备实行状态维修的必须和有效的手段。
由于电力变压器、套管等电气设备均选用绝缘油或油纸和纸板组成的绝缘结构，当设备内部发生热性故障、放电性故障或绝缘油、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方法。局放检测的判断方法易受现场的电磁场干扰，放电信号难以提取，故对电力变压器故障诊断最有效的判断方法还是油中气体检测法。
变压器油中气体含量的监测方法可分为离线式和在线式两种。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，预防性实验不能实时的发现故障，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。在线式气相色谱监测系统很好的解决了离线式气相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气相色谱监测系统，例如宁波理工的“MGA2000变压器油中气体在线监测装置”提到的方法仅使用油中气体智能传感器进行测量，测量精度偏低、测量气体少、长期工作不稳定、后期维护量大。
发明内容
本发明提供的一种运用光声光谱进行变压器油中气体含量在线监测的系统，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，检测气体种类多，同时大大降低在线检测变压器中油路的复杂度和系统的不稳定性。
为了达到上述目的，本发明提供一种运用光声光谱进行变压器油中气体含量在线监测的系统，该系统包含油路系统、气路控制模块、光声光谱监测模块和信号调理分析模块；
所述的油路系统包含依次管路连接并形成回路的变压器、油罐、螺纹状高分子膜管、回油泵和流量计；
所述的气路控制模块包含设置在螺纹状高分子膜管外部的集气室，以及与集气室气路连接的缓冲室；
所述的光声光谱监测模块包含红外光源，设置在红外光源后侧的球面反射镜，以及依次设置在光路中的调制盘、滤光片和光声腔，该光声腔气路连接所述的缓冲室；
所述的信号调理分析模块包含设置在油罐中的微水传感器、设置在缓冲室中的H2传感器、设置在光声腔上的微音器，电路连接所述微音器的前置放大器、电路连接所述前置放大器的锁相放大器，以及电路连接所述微水传感器、H2传感器和锁相放大器的检测控制器。
所述的光声腔具有光声腔入光口；
所述的光声光谱监测模块还包含电路连接所述光声腔的真空泵。
所述的调制盘和滤光片还分别电路连接步进电机，该步进电机电路连接所述的检测控制器。
所述的微音器设置在光声腔的波腹点。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用高分子膜管负压脱气，脱气效率高，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的气体，不吸收光子能量的H2用传感器测出，油中微水也通过传感器实现精确测量，其灵敏度高，运行稳定，性能可靠；由于检测时对气体的要求量小，就大大简化了油气分离和气路控制的结构，光声腔的体积也只有5ml，使得制造容易，价格低廉。在本发明中，光谱法是利用气体吸收光子能量的光谱特性，采用非相干宽光源，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，检测出多种气体，极大限度的拓宽了检测故障的范围。由于使用了微音器作为检测元件，在常温下其灵敏度漂移很小，寿命长，维护方便，维护量小；因光声腔小且与外界隔绝，以及使用真空泵将光声腔的废气排除，保证光声腔不受污染和干扰，使得检测精度高，检测设备寿命长，可靠性高。由于在运用光声光谱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，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果和质量。
2、与在线色谱比，光声光谱不消耗被测样品，不需要消耗载气，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H2传感器和H2O传感器测出H2、H2O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的提高检测灵敏度，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的技术上。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的要求也更高。而光声光谱的集气室仅需60ml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。因此要再各组分特征吸收的重叠处进行检测；在光声光谱中，由于检测灵敏度的提高，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他组分干扰，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，在线光声光谱仪的测量指标也全部超过了在线傅立叶红外光谱仪。
附图说明
图1是本发明的系统结构图。
具体实施方式
以下根据图1，具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，本发明提供的运用光声光谱进行变压器油中气体含量在线监测的系统包含油路系统、气路控制模块、光声光谱监测模块和信号调理分析模块。
所述的油路系统包含依次管路连接并形成回路的变压器1、油罐3、螺纹状高分子膜管5、回油泵6和流量计7。
所述的气路控制模块包含设置在螺纹状高分子膜管5外部的集气室4，以及与集气室4气路连接的缓冲室8。
所述的光声光谱监测模块包含红外光源11，设置在红外光源后侧的球面反射镜10，以及依次设置在光路中的调制盘12、滤光片14和光声腔15，该光声腔气路连接所述的缓冲室8，该光声腔具有光声腔入光口21，该光声光谱监测模块还包含电路连接所述光声腔15的真空泵19，所述的调制盘12和滤光片14还分别电路连接步进电机13。
所述的信号调理分析模块包含设置在油罐3中的微水（H2O）传感器2、设置在缓冲室8中的H2传感器9、设置在光声腔15上的微音器16（微音器16设置在光声腔15的波腹点），电路连接所述微音器16的前置放大器17、电路连接所述前置放大器17的锁相放大器18，以及电路连接所述微水传感器2、H2传感器9、步进电机13和锁相放大器18的检测控制器20。
上述运用光声光谱进行变压器油中气体含量在线监测的系统，其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。在一个特制的光声腔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。
由于变压器、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。溶解于变压器油中气体主要有氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、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。要选择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 |
| 甲烷 | 16 | 1254 | 7.974 |
| 乙烷 | 30 | 861 | 11.614 |
| 乙烯 | 28 | 1061 | 9.425 |
| 乙炔 | 26 | 783 | 12.771 |
| 一氧化碳 | 28 | 2150 | 4.651 |
| 二氧化碳 | 44 | 668 | 14.970 |
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。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接辐射两类，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微光光源两类。一般来说红外光源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，可调范围宽的红外光比较昂贵，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时连续谱，因此还得使用波长选择原件（如滤光片或单色仪）。
本发明的具体工作过程如下：
首先从变压器1中取油进入到油罐3，微水传感器2在油循环的过程中直接测出H2O的浓度并将数据上传到检测控制器20中。油罐3中的油均匀的经过高分子膜管5，油内1个大气压，管外脱气室内0.5个大气压，油在匀速流经高分子膜管5的过程中负压脱出气体，在回油泵6的作用下经流量计7重新回到变压器1中，通过流量计可有效的控制油的流速，脱气室4负压脱气，阻隔水进入气体中，分离出的气体经缓冲室8被导入到光声腔15中，H2传感器9在缓冲室8中直接测出H2浓度并将数据上传到检测控制器20中。红外光源11发射红外光，经球面镜10反射成平行的红外光束，经调制器12调制后投射到滤光片14，步进电机13根据检测控制器20的指令，将需测气体光谱特征波长的滤光片14送至光声腔15的入光口21，调制后的红外光经该滤光片14进入光声腔15辐射气体，气体吸收光能膨胀，产生超声波，光声腔15外壁的高灵敏度微音器16检测器超声波强度，将检测到的信号通过前置放大器17，锁相放大器18放大后将数据传到检测控制器20上进行诊断分析。检测完毕后启动真空泵19清洗光声腔及气管，保证检测气体的纯度。采用以上方法确保检测精度和准确度；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13将不同气体光谱特征的滤光片14送到光声腔15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变压器运行质量或故障类别和故障严重程度，检测控制器20设置不断循环检测，就可以在线长期监测变压器的运行状况。
所述H2传感器9的型号为英国CITY的7HYT，分辨率为2ppm，微水传感器2的型号为上海伦仕电子科技有限公司的MMT162B2BDGOAA66A1A，分辨率为0.1ppm；
所述微音器16为电容型驻极微音器，型号为美国楼氏电子KNOWLES ELECTRONICS公司生产的FG-23629-C36，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，具有高灵敏度和抗噪声能力；
所述光声腔15能检测多组分气体和低背景噪声、声能损耗，从而提高系统的检测灵敏度。所述的光声腔15为共振式圆柱形，材料使用热导系数较大的黄铜，长为45mm，半径为10mm，容积5ml，具有入光口21，进气管，出气管。微音器16放置在光声腔15的波腹点，这样能极大的提高微音器16的信号幅度和抑制噪声，进气管的接口选择在光声腔15半径的0.628R（R代表半径）处。
所述的红外光源11为波长覆盖1-20μm的带球面反射镜的红外光源，型号为MIRL17-900，为非相干宽光源，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为4.65μm-14.97μm）；
所述的步进电机13采用微型脉冲电机；
所述的检测控制器20采用计算机；
从变压器1中取90ml的油先流入到油罐3中，避免变压器1的油直接进入高分子膜管5造成膜管损害，起延长膜管使用寿命的作用；
油罐3中的油流到脱气室4中主要实现对变压器1油中溶解气体的采样功能，它采用最新的螺纹状高分子膜管负压脱气，脱气效率达95%，脱气时间短，只要15分钟，并有效的阻止空气及微水进入光声腔15中造成交叉影响，解决了以往脱气装置脱气时间长，可重复性差的缺点；
气体从脱气室4中出来后先进入缓冲室8中，减缓气流速度，使混合气体能通过气管均匀的导入到光声腔15中。
综上所述，运用光声光谱在线监测变压器油中气体含量的方法和系统，方法合理，结构简单，运行可靠，监测气体种类多，检测精度高，速度快，可操作性强，能缩短障碍时间，维护量小，可长期在线监测，价格低廉，节省人力物力，可极大提高变压器的运行效率。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (5)
1.一种运用光声光谱进行变压器油中气体含量在线监测的系统，其特征在于，该系统包含油路系统、气路控制模块、光声光谱监测模块和信号调理分析模块；
所述的油路系统包含依次管路连接并形成回路的变压器（1）、油罐（3）、螺纹状高分子膜管（5）、回油泵（6）和流量计（7）；
所述的气路控制模块包含设置在螺纹状高分子膜管（5）外部的集气室（4），以及与集气室（4）气路连接的缓冲室（8）；
所述的光声光谱监测模块包含红外光源（11），设置在红外光源后侧的球面反射镜（10），以及依次设置在光路中的调制盘（12）、滤光片（14）和光声腔（15），该光声腔气路连接所述的缓冲室（8）；
所述的信号调理分析模块包含设置在油罐（3）中的微水传感器（2）、设置在缓冲室（8）中的H2传感器（9）、设置在光声腔（15）上的微音器（16），电路连接所述微音器（16）的前置放大器（17）、电路连接所述前置放大器（17）的锁相放大器（18），以及电路连接所述微水传感器（2）、H2传感器（9）和锁相放大器（18）的检测控制器（20）。
2.如权利要求1所述的运用光声光谱进行变压器油中气体含量在线监测的系统，其特征在于，所述的光声腔具有光声腔入光口（21）。
3.如权利要求1所述的运用光声光谱进行变压器油中气体含量在线监测的系统，其特征在于，所述的光声光谱监测模块还包含电路连接所述光声腔（15）的真空泵（19）。
4.如权利要求1所述的运用光声光谱进行变压器油中气体含量在线监测的系统，其特征在于，所述的调制盘（12）和滤光片（14）还分别电路连接步进电机（13），该步进电机（13）电路连接所述的检测控制器（20）。
5.如权利要求1所述的运用光声光谱进行变压器油中气体含量在线监测的系统，其特征在于，所述的微音器（16）设置在光声腔（15）的波腹点。
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