CN103335946A - 一种变压器绝缘油中气体的检测系统 - Google Patents

一种变压器绝缘油中气体的检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变压器绝缘油中气体的检测系统，属于电力设备领域。变压器绝缘油中气体的检测系统包括由信号连接的光源模块、斩波器模块、光声池模块、信号处理模块、控制器模块组成；斩波器模块具有斩波器，斩波器由电机驱动电路、电机、光栅码盘、霍尔传感器、显示屏组成；电机驱动电路通过串口通信接收控制器模块的控制指令，根据控制指令控制电机转动；光栅码盘与电机前轴连接，霍尔传感器与电机后轴连接。本发明光源模块采用半导体激光器与滤光片的组合结构，光声池采用共振式光声池结构，信号处理模块主要采用锁相放大技术，控制器模块用来实现系统控制与气体浓度计算，检测系统具有检测速度快、检测精度高以及人机交互性好等优点。

Description

一种变压器绝缘油中气体的检测系统
技术领域
本发明涉及电力设备领域，特别涉及一种变压器绝缘油中气体的检测系统。 
背景技术
大型电力变压器是电网中最为重要的电气设备之一，是不同电压等级电网之间的枢纽，它的可靠性在一定程度上决定着电网的安全性。 
国内外高电压、大容量的电力变压器普遍采用充油式变压器，此类变压器发生内部故障时绝缘油中通常含有故障气体。因此，对于充油式变压器进行故障分析和寿命预测最行之有效的方法是对变压器绝缘油中气体浓度进行检测。 
充油式电力变压器的内部主要绝缘材料有变压器绝缘油，纸和纸板等A级绝缘材料。变压器在长期运行、放电和过热的过程中，绝缘油和纸会裂解，产生H2、CO、CH4、C2H4以及C2H2等气体，并溶解到绝缘油中。这些气体在一定程度上反映了变压器的可靠性，通过对这些故障气体进行检测研究可以实现变压器故障诊断和寿命预测。 
物理化学法是将待检测的气体与某种化学试剂反应，得到可以通过人体视觉观察的化学物质。 
质谱法(Mass Spectrometry,MS)，即用电场和磁场将运动的离子按它们的质荷比分离后进行检测的方法。 
传感器法，就是使用气敏传感器检测对应的变压器绝缘油中气体。现有传感器阵列，能够同时检测CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO、H2气体。传感器阵列检测方法，有较高的精度，并且很容易实现变压器绝缘油中气体的实时在线监测。 
气相色谱法最早由James和Martin在1952年提出。变压器绝缘油中气体分子由载气(N2或纯净空气)带动通过色谱柱，不同的变压器绝缘油中气体分子与固定相分子之间发生了吸附、解吸等相互作用，使不同种类的变压器绝缘油中气体分子运动速度不同，进而实现不同气体分子种类的分离。传统的气相色谱已经在电力系统中广泛应用，成为电力部门定期维护电路变压器所使用的主要油中气体检测方法。气相色谱法与气体传感器结合的使用方法，解决了气体检测的诸多问题，是目前比较成熟的变压器绝缘油中气体的检测方法。 
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题： 
物理化学法虽然可以检测出故障气体，但是存在操作复杂、可重复性不高、精度低等严重问题。
质谱法主要的缺点是造价过于高，不能够广泛推广。 
传感器法尽管采用了BP神经网络、灰色理论等新技术，但是传感器长期使用会老化，必须定期维护或者更换，在维护的过程中会出现难校准问题，因此该方法无法保证检测系统的准确性和稳定性。 
气相色谱法的精度有所提高，但是存在着检测周期长，因此无法做到实时在线监测且色谱柱分离效果受到温度的影响很大、操作复杂等，无法满足电力部门的实际应用要求。 
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种变压器绝缘油中气体的检测系统。所述技术方案如下： 
本发明实施例提供了一种变压器绝缘油中气体的检测系统，所述变压器绝缘油中气体的检测系统包括由信号连接的光源模块、斩波器模块、光声池模块、信号处理模块、控制器模块组成；
所述斩波器模块具有斩波器，所述斩波器由电机驱动电路、电机、光栅码盘、霍尔传感器、显示屏组成；
所述电机驱动电路通过串口通信接收所述控制器模块的控制指令，根据控制指令控制所述电机转动；所述光栅码盘与电机前轴连接，所述霍尔传感器与电机后轴连接。
具体地，所述显示屏主要是显示当前实际转速和控制器模块输入的预设转速指令。
具体地，所述光源模块由光源和滤光片组成。 
具体地，所述光声池模块具有光声池，所述光声池中包括缓冲腔和谐振腔； 
所述光声池为不锈钢光声池，所述共振腔为圆柱形，所述谐振腔谐振模式为纵向谐振；
所述光声池谐振腔中部的上下两端安装有微音器；
所述微音器的采集范围为200~10kHz，灵敏度为22mV/Pa。
具体地，所述信号处理模块通过前置放大器，锁相放大器进行光声信号的放大与滤波处理，得到可以进行处理的模拟电信号。 
具体地，所述锁相放大器由信号通道、参考通道、相敏检波器、低通滤波器组成； 
所述锁相放大器的参考信号是与激光调制信号同频率的方波或者正弦波。
具体地，所述锁相放大器根据接收的串口信息，调制出与激光调制频率相同的参考信号； 
所述相敏检波器对输入信号和参考信号进行乘法运算，得到输入信号与参考信号的和频或差频分量；
所述低通滤波器滤除相敏检波器产生的和频分量。
所述信号经过相敏检波器和低通滤波器作用变为直流信号。 
具体地，所述控制模块为嵌入式ARM控制模块，嵌入式ARM控制器通过串口控制锁相放大器和斩波器模块，所述锁相放大器将处理的光声信号输入控制器。 
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是： 
光源模块采用半导体激光器与滤光片的组合结构，光声池采用共振式光声池结构，信号处理模块主要采用锁相放大技术，控制器模块用来实现系统控制与气体浓度计算，检测系统具有检测速度快、检测精度高以及人机交互性好等优点。
  
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 
图1是本发明实施例提供的检测系统的结构示意图； 
图2是本发明实施例提供的斩波器模块的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的光声池模块的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的信号处理模块的结构示意图。
  
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。 
本发明实施例提供了一种变压器绝缘油中气体的检测系统，参见图1，所述变压器绝缘油中气体的检测系统包括由信号连接的光源模块1、斩波器模块2、光声池模块3、信号处理模块4、控制器模块5组成。 
具体地，光源模块1由光源和滤光片组成。光源模块使用激光器产生激光，使用滤光片进行激光的过滤。光源在检测系统中起到提供激励的作用，是产生光声信号的能量来源。光源辐射特性决定能检测气体的种类，光源性能直接影响最终结果的灵敏度和准确性。 
具体地，斩波器模块2具有机械斩波器，根据控制器模块5的指令，进行激光照射频率的调制。参见图2，斩波器由电机驱动电路21、电机22、光栅码盘23、霍尔传感器24、显示屏25组成。斩波器20通过电机22带动光栅码盘23来调制激光，具有斩波闭合性好、斩波频率可调等优点。 
进一步地，电机驱动电路21通过串口通信接收控制器模块5的控制指令，根据控制指令控制电机22转动。使用霍尔传感器24产生转速反馈信号，通过反馈信号实现对电机转数闭环控制，进一步实现对电机转速的精确控制。电机精确转速决定着调制信号的精确度，也决定着锁相放大器的参考信号频率准确度。 
详细地，电机22由L型支架固定，光栅码盘23通过联轴器与电机22前轴固定。电机22一端部设置有机械加速装置，另一端部为电机本部。机械加速装置使轴承的转速远大于电机本部转速。 
详细地，霍尔传感器24上面圆形金属部分为磁铁，与电机22后轴相连接的。当磁铁与霍尔传感器24距离很近约为1~3mm时，霍尔传感器24将会产生低电平信号（小于0.5V）；当磁铁与霍尔传感器24距离大于4mm时，霍尔传感器24将会产生高电平信号(大于2V)，电机驱动电路通过A/D转化判断磁铁与霍尔传感器的距离，由高电平转化为低电平，再由低电平转化为高电平时记为电机后轴转动一周。霍尔传感器24在斩波器中起到检测电机转速并反馈信号的作用，用于检测电机的转速，在电机轴承某个部分加入磁铁，磁铁与霍尔传感器靠近时将会产生低电平信号，电机驱动根据低电平的数量确定电机的转速。 
详细地，斩波器显示屏25主要是显示当前实际转速以及嵌入式ARM输入的预设转速指令。通过显示屏可以知道斩波器的运行状态，是否已经按照要求完成调速。显示的信息包括当前转速，预设转速等信息。其中光栅码盘23是可以转动的，表示斩波器的运行状态。 
具体地，光声池模块3具有驻波共振式光声池，光声池中包括缓冲腔31、谐振腔32。光声池的材料采用不锈钢，共振腔设计为圆柱形，谐振腔谐振模式为纵向谐振。 
进一步地，光声池为圆柱形，两端为透过率高的石英玻璃。气体通过进气口33、出气口34在光声池中流动，缓冲腔31起到气体缓冲作用，谐振腔32是声信号形成驻波的地方。谐振腔32中部上下两端安装有微音器35，对光声信号进行采集。光声池的材料选用不锈钢材料，不锈钢材料具有较高的导热率、可塑性强，做成的光声池气密性高等优点。圆柱形光声池能与光束形成轴对称，而且易于加工，形成的光声信号质量好。 
进一步地，光声池谐振腔32中部的上下两端安装有微音器35。微音器35的作用是将声信号转化为电信号。微音器决定着光声光谱检测系统的准确度和灵敏性。驻极体电容微音器采用聚四氯乙烯材料作为振动膜片，振动膜片经过特殊处理后表面能永久性的极化电荷。微音器安装在光声池的内部，谐振腔上下两端，为了提高光声信号的质量使用两个微音器进行测量。微音器的采集范围为200~10kHz，灵敏度为22mV/Pa。 
具体地，参见图4，信号处理模块4通过前置放大器，锁相放大器进行光声信号的放大与滤波处理，得到可以进行处理的模拟电信号。微音器35采集的光声信号是十分微弱的，前置放大电路要避免增益过大，造成信号失真。前置放大电路有两个作用，一方面将微音器传出的信号进行预放大，另一方面将放大后的信号进行带通滤波。由前置放大电路处理过的信号，就可以接入锁相放大器，进行下一步的信号处理了。 
进一步地，锁相放大器电路一般由相关器电路、信号通道电路、参考通道电路和同步积分器电路等部分组成。相关器电路的主要作用是运算被测信号与标准参考信号互相关函数。相关器由乘法器和积分器两部分组成，具有动态范围大、漂移小、时间常数可调、线性好、增益稳定、频率范围宽等优点。信号通道电路由主放大器、输入变压器、多种有源滤波器等部分组成。经过主放大器、输入变压器将微弱信号放大到满足相关器工作的信号，有源滤波器具有抑制和滤除部分干扰及噪声的作用。参考通道电路由触发电路、倍频电路、相移电路、方波形成电路及驱动电路等部分组成。触发电路、倍频电路发出脉冲信号频率与激光调制频率相同的信号；相移电路调整信号相位是参考信号与激光调制信号同步。同步积分器电路也起到运算被测信号与标准参考信号互相关函数的作用，但是输出为交流信号。同步积分器作为相关器的前级，起到抗干扰、抑制白噪声、放大信号的作用。 
详细地，锁相放大器由信号通道41、参考通道42、相敏检波器43、低通滤波器44等部分组成。锁相放大器的参考信号是与激光调制信号同频率的方波或者正弦波。嵌入式ARM通过串口将激光的调制频率传输给锁相放大器，锁相放大器根据接收的串口信息，调制出与激光调制频率相同的参考信号。相敏检波器43对输入信号和参考信号进行乘法运算，得到输入信号与参考信号的和频或差频分量。低通滤波器44滤除相敏检波器产生的和频分量。信号经过相敏检波器和低通滤波器作用变为直流信号。 
具体地，控制模块5为嵌入式ARM控制模块，能够实现实时在线监测的功能。嵌入式系统通过串口控制斩波器、锁相放大器等设备。嵌入式ARM控制器通过串口控制锁相放大器和斩波器模块，锁相放大器将处理的光声信号通过AIN0引脚输入控制器。触摸屏为电容式触摸屏，通过操作人员的接触即可完成气体浓度检测操作。光声光谱检测系统正常工作时，触摸屏固定于嵌入式ARM控制板。控制器模块5主要负责控制斩波器模块与信号处理模块以及将模拟电信号形式的光声信号转换成数字信号，进行分析处理得到检测气体的信息。 
本发明是实施例提供的技术方案带来的有益效果是：光源模块采用半导体激光器与滤光片的组合结构，光声池采用共振式光声池结构，信号处理模块主要采用锁相放大技术，控制器模块用来实现系统控制与气体浓度计算，检测系统具有检测速度快、检测精度高以及人机交互性好等优点。 
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (8)

1.一种变压器绝缘油中气体的检测系统，其特征在于，
所述变压器绝缘油中气体的检测系统包括由信号连接的光源模块、斩波器模块、光声池模块、信号处理模块、控制器模块组成；
所述斩波器模块具有斩波器，所述斩波器由电机驱动电路、电机、光栅码盘、霍尔传感器、显示屏组成；
所述电机驱动电路通过串口通信接收所述控制器模块的控制指令，根据控制指令控制所述电机转动；所述光栅码盘与电机前轴连接，所述霍尔传感器与电机后轴连接。
2.根据权利要求1所述的变压器绝缘油中气体的检测系统，其特征在于，所述显示屏主要是显示当前实际转速和控制器模块输入的预设转速指令。
3.根据权利要求1所述的变压器绝缘油中气体的检测系统，其特征在于，所述光源模块由光源和滤光片组成。
4.根据权利要求1所述的变压器绝缘油中气体的检测系统，其特征在于，
所述光声池模块具有光声池，所述光声池中包括缓冲腔和谐振腔；
所述光声池为不锈钢光声池，所述共振腔为圆柱形，所述谐振腔谐振模式为纵向谐振；
所述光声池谐振腔中部的上下两端安装有微音器；
所述微音器的采集范围为200~10kHz，灵敏度为22mV/Pa。
5.根据权利要求1所述的变压器绝缘油中气体的检测系统，其特征在于，所述信号处理模块通过前置放大器，锁相放大器进行光声信号的放大与滤波处理，得到可以进行处理的模拟电信号。
6.根据权利要求1所述的变压器绝缘油中气体的检测系统，其特征在于，
所述锁相放大器由信号通道、参考通道、相敏检波器、低通滤波器组成；
所述锁相放大器的参考信号是与激光调制信号同频率的方波或者正弦波。
7.根据权利要求1所述的变压器绝缘油中气体的检测系统，其特征在于，
所述锁相放大器根据接收的串口信息，调制出与激光调制频率相同的参考信号；
所述相敏检波器对输入信号和参考信号进行乘法运算，得到输入信号与参考信号的和频或差频分量；
所述低通滤波器滤除相敏检波器产生的和频分量。
所述信号经过相敏检波器和低通滤波器作用变为直流信号。
8.根据权利要求1所述的变压器绝缘油中气体的检测系统，其特征在于，
所述控制模块为嵌入式ARM控制模块，嵌入式ARM控制器通过串口控制锁相放大器和斩波器模块，所述锁相放大器将处理的光声信号输入控制器。 
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