CN112945861A - 一种双级吸收光声光谱法绝缘油溶解气体在线监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双级吸收光声光谱法绝缘油溶解气体在线监测系统，包括脱气模块、光声光谱监测模块和数据处理模块，其中脱气模块与光声光谱监测模块通过管道连接，通过增强型光声光谱，实现流动态监测，并采用双级吸收增强型光声光谱技术，使得设备不仅具有很高灵敏度，且可靠性和稳定良好，使得本系统可以实现普通光声光谱望而却步的流动气体测量；利用MEMS电调制红外脉冲黑体光源，省却机械斩波器，调制质量更高，且黑体光源辐射电磁波更稳定，寿命达到10年以上；通过真空脱气，连续监测绝缘油进入脱气装置，可以在1小时内实现脱气平衡，而且避免了光学窗口污染，可实现连续实时监测，保证监测的效率和效果。
Description
技术领域
本发明涉及变压器在线监测技术领域，具体为一种双级吸收光声光谱法绝缘油溶解气体在线监测系统。
背景技术
变压器的潜在故障诊断对电力系统安全运行至关重要，油中溶解气体分析是行之有效的监测方法之一，目前已广泛应用于电力行业各类充油电气设备潜在故障诊断，如：油浸式电力变压器、电抗器、互感器、有载调压分接开关、断路器、充油套管的日常状态评估；
但是现有的在线监测系统无法实现流动态监测，进而导致现有的监测系统在无法对流动的气体进行测量，同时现有的系统设备灵敏度低，且可靠性和稳定弱，另外现有系统监测时，由于无法进行真空连续脱气处理，进而使脱气处理过程耗时较长，且易存在光学窗口污染的情况，进一步无法实现连续实时监测，同时监测的效率和效果也得不到保证。
发明内容
本发明提供一种双级吸收光声光谱法绝缘油溶解气体在线监测系统，可以有效解决上述背景技术中提出现有的系统设备灵敏度低，且可靠性和稳定弱、无法进行真空连续脱气处理，脱气处理过程耗时较长，存在光学窗口污染的情况，监测的效率和效果也得不到保证的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种双级吸收光声光谱法绝缘油溶解气体在线监测系统，包括脱气模块、光声光谱监测模块和数据处理模块，其中脱气模块与光声光谱监测模块通过管道连接，所述光声光谱监测模块和数据处理模块通过有线传输或无线传输择一方式进行连接；
所述脱气模块由变压器、油泵、连续负压脱气装置、循环气泵和稳压装置组成，所述光声光谱监测模块由激发光源、光声池和声信号监测器组成，所述数据处理模块由模拟信号监测单元、数字信号处理单元、气体分析单元、系统软件控制单元、人机交互单元和数据通信单元组成。
基于上述技术方案，所述变压器为待监测变压器，所述油泵通过管道将变压器的绝缘油导入到连续负压脱气装置内，所述循环气泵将连续负压脱气装置内的气体导入到光声光谱监测模块内，所述稳压装置光声光谱监测模块排出的气体进行稳压处理。
基于上述技术方案，所述激发光源为MEMS脉冲红外光源，所述光声池位于分析气室内，分析气室的进气端和出气端分别通过管道与循环气泵和稳压装置相连，所述声信号监测器位于光声气室内；
所述激发光源的强度经过调制后的单色光源照射到密封于分析气室内光声池中的样品上，光声池中的样品吸收光能，并以释放热能的方式退激发，释放的热能使样品和光声池内介质按光的调制频率产生周期性加热，从而导致光声池内介质产生周期性压力波动，通过声信号监测器对该压力波动进行监测，并通过放大的方式得到光声信号。
基于上述技术方案，所述模拟信号监测单元接收声信号监测器方法的光声信号，并对该光声信号进行监测，所述数字信号处理单元对监测后的光声信号进行处理，将光声信号转换为数字信号；
所述气体分析单元主要对监测的多种气体进行分析，所述系统软件控制单元主要控制数据处理模块内各个组成单元的运行；
所述人机交互单元利用基于人工智能的技术来将监测数据通过触摸式显示屏进行显示，并结合中文字符的来实现人机交互的功能，以实现将监测数据进行更好的显示，所述数据通信单元主要通过通信设备将监测的数据信息输送至终端，并通过终端来对该监测数据进行进一步的分析处理和存储。
基于上述技术方案，所述气体分析单元在对监测的多种气体进行分析时，主要通过三比值诊断、大卫三角形和立体图的方法来对多种气体进行分析，所述三比值诊断主要通过建立表格将值代入表格进行对比分析，所述大卫三角形主要通过建立平面三角形模型将值代入模型内对比分析，所述立体图主要通过建立三维坐标系的形式，将值等效为立体图形进行对比分析。
基于上述技术方案，所述模拟信号监测单元、数字信号处理单元、气体分析单元、系统软件控制单元、人机交互单元和数据通信单元组成数据处理模块，而数据处理模块集成于分析仪内，分析仪主要用于对绝缘油中的溶解气体及微水进行分析，通过光声光谱监测技术平台，在30分钟内得到准确的油样监测结果。
基于上述技术方案，所述分析仪在绝缘油中主要监测的气体种类、监测范围以及分辨率信息具体包括如下：
氢气(H2)、监测范围：2-50000、分辨率：2ppmNA；
乙烯(C2H4)、监测范围：1-50000、分辨率：0.1ppm；
乙烷(C2H6)、监测范围：监测范围：1-50000、分辨率：0.1ppm；
甲烷(CH4)、监测范围：1-50000、分辨率：0.1ppm；
乙炔(C2H2)、监测范围：0.1-50000、分辨率：0.1ppm；
氮气(N2)、监测范围：100-150000、分辨率：2ppm；
氧气(O2)、监测范围：100-150000、分辨率：2ppm；
一氧化碳(CO)、监测范围：1-50000、分辨率：2ppm；
二氧化碳(CO2)、监测范围：3-50000、分辨率：0.1ppm；
微水(H2O)、监测范围：0-100％、分辨率：2ppmNA；
同时分析仪还能够对微水(H2O)的含量和温度进行监测。
基于上述技术方案，所述分析仪在工作过程中无需后台计算机，连接时只需通过同一网络将分析仪与计算机相连即可，且通过同一网络连接的计算机方便通过网页方式访问主机，进行数据下载和分析。
基于上述技术方案，所述系统还包括环境监测模块，环境监测模块包括外部工作温度监测单元、油样温度监测单元、外壳防护监测单元、继电器监测单元和测量频率监测单元；
所述外部工作温度范围为：-40-55℃；油样温度范围为：-40-120℃；工作湿度为：10-95％无凝露；外壳防护等级为：IP55；继电器监测单元监测单相报警继电器，提供常开及常闭触点1A24VDC；测量频率监测单元主要多种连续测量，每小时一次至每天一次。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过增强型光声光谱，实现流动态监测，并采用双级吸收增强型光声光谱技术，使得设备不仅具有很高灵敏度，且可靠性和稳定良好，使得本系统可以实现普通光声光谱望而却步的流动气体测量；利用MEMS电调制红外脉冲黑体光源，省却机械斩波器，调制质量更高，且黑体光源辐射电磁波更稳定，寿命达到10年以上；通过真空脱气，连续监测绝缘油进入脱气装置，可以在1小时内实现脱气平衡，而且避免了光学窗口污染，可实现连续实时监测，保证监测的效率和效果；
另外，本系统可以同时可监测多台独立的变压器，分别对多个变压器油箱中的9种故障气体及微水进行分析，且能够通过电磁阀切换绝缘油输入通道，允许对于每台变压器提供完整的在线监测，避免不同油箱之间出现交叉干扰的问题；
通过分析仪来对溶解气体及微水进行分析，分析仪采用了与其它在线DGA系统一样的光声光谱监测技术台，在30分钟内便能够得到准确的油样监测结果，可用于小型变压器抽检、离线数据复核及实验室油样监测，同时结合多种分析方法来对监测数据进行不同形式的分析，使得人们能够更加彻底和全面的了解监测数据，保证数据分析处理的效果；
通过环境监测模块来对外部工作温度、油样监测温度、外壳防护等级、继电器报警和测量频率进行监测，使得监测系统在对变压器绝缘油进行监测的过程中不受外界环境因素的干扰，保证了监测数据的准确性，同时方便对通过准确的监测数据来反应变压器的正常工作状态。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是本发明的系统结构框图；
图2是本发明大卫三角形的模型示意图；
图3是本发明和立体图的模型示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：如图1-3所示，本发明提供一种技术方案，一种双级吸收光声光谱法绝缘油溶解气体在线监测系统，包括脱气模块、光声光谱监测模块和数据处理模块，其中脱气模块与光声光谱监测模块通过管道连接，光声光谱监测模块和数据处理模块通过有线传输或无线传输择一方式进行连接；
脱气模块由变压器、油泵、连续负压脱气装置、循环气泵和稳压装置组成，光声光谱监测模块由激发光源、光声池和声信号监测器组成，数据处理模块由模拟信号监测单元、数字信号处理单元、气体分析单元、系统软件控制单元、人机交互单元和数据通信单元组成。
基于上述技术方案，变压器为待监测变压器，油泵通过管道将变压器的绝缘油导入到连续负压脱气装置内，循环气泵将连续负压脱气装置内的气体导入到光声光谱监测模块内，稳压装置光声光谱监测模块排出的气体进行稳压处理。
基于上述技术方案，激发光源为MEMS脉冲红外光源，光声池位于分析气室内，分析气室的进气端和出气端分别通过管道与循环气泵和稳压装置相连，声信号监测器位于光声气室内；
激发光源的强度经过调制后的单色光源照射到密封于分析气室内光声池中的样品上，光声池中的样品吸收光能，并以释放热能的方式退激发，释放的热能使样品和光声池内介质按光的调制频率产生周期性加热，从而导致光声池内介质产生周期性压力波动，通过声信号监测器对该压力波动进行监测，并通过放大的方式得到光声信号。
基于上述技术方案，模拟信号监测单元接收声信号监测器方法的光声信号，并对该光声信号进行监测，数字信号处理单元对监测后的光声信号进行处理，将光声信号转换为数字信号；
气体分析单元主要对监测的多种气体进行分析，系统软件控制单元主要控制数据处理模块内各个组成单元的运行；
人机交互单元利用基于人工智能的技术来将监测数据通过触摸式显示屏进行显示，并结合中文字符的来实现人机交互的功能，以实现将监测数据进行更好的显示，数据通信单元主要通过通信设备将监测的数据信息输送至终端，并通过终端来对该监测数据进行进一步的分析处理和存储。
基于上述技术方案，气体分析单元在对监测的多种气体进行分析时，主要通过三比值诊断、大卫三角形和立体图的方法来对多种气体进行分析，三比值诊断主要通过建立表格将值代入表格进行对比分析，大卫三角形主要通过建立平面三角形模型将值代入模型内对比分析，立体图主要通过建立三维坐标系的形式，将值等效为立体图形进行对比分析。
基于上述技术方案，模拟信号监测单元、数字信号处理单元、气体分析单元、系统软件控制单元、人机交互单元和数据通信单元组成数据处理模块，而数据处理模块集成于分析仪内，分析仪主要用于对绝缘油中的溶解气体及微水进行分析，通过光声光谱监测技术平台，在30分钟内得到准确的油样监测结果。
基于上述技术方案，分析仪在绝缘油中主要监测的气体种类、监测范围以及分辨率信息具体包括如下：
氢气(H2)、监测范围：2-50000、分辨率：2ppmNA；
乙烯(C2H4)、监测范围：1-50000、分辨率：0.1ppm；
乙烷(C2H6)、监测范围：监测范围：1-50000、分辨率：0.1ppm；
甲烷(CH4)、监测范围：1-50000、分辨率：0.1ppm；
乙炔(C2H2)、监测范围：0.1-50000、分辨率：0.1ppm；
氮气(N2)、监测范围：100-150000、分辨率：2ppm；
氧气(O2)、监测范围：100-150000、分辨率：2ppm；
一氧化碳(CO)、监测范围：1-50000、分辨率：2ppm；
二氧化碳(CO2)、监测范围：3-50000、分辨率：0.1ppm；
微水(H2O)、监测范围：0-100％、分辨率：2ppmNA；
同时分析仪还能够对微水(H2O)的含量和温度进行监测。
基于上述技术方案，分析仪在工作过程中无需后台计算机，连接时只需通过同一网络将分析仪与计算机相连即可，且通过同一网络连接的计算机方便通过网页方式访问主机，进行数据下载和分析。
基于上述技术方案，系统还包括环境监测模块，环境监测模块包括外部工作温度监测单元、油样温度监测单元、外壳防护监测单元、继电器监测单元和测量频率监测单元；
外部工作温度范围为：-40-55℃；油样温度范围为：-40-120℃；工作湿度为：10-95％无凝露；外壳防护等级为：IP55；继电器监测单元监测单相报警继电器，提供常开及常闭触点1A24VDC；测量频率监测单元主要多种连续测量，每小时一次至每天一次。
本发明的工作原理为：在线监测系统在监测时，通过一束强度经调制的单色光源照射到密封于光声池中的样品上，样品吸收光能，并以释放热能的方式退激发，释放的热能使样品和周围介质按光的调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期性压力波动，这种压力波动可用新型的灵敏度极高的光声光谱探测器检测，并通过放大得到光声信号，由于每种红外活性的化合物都有其特有的红外吸收光谱，改变单色光波长则可检测到随波长变化的光声信号，从而实现对其进行定量分析。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (9)
1.一种双级吸收光声光谱法绝缘油溶解气体在线监测系统，其特征在于：包括脱气模块、光声光谱监测模块和数据处理模块，其中脱气模块与光声光谱监测模块通过管道连接，所述光声光谱监测模块和数据处理模块通过有线传输或无线传输择一方式进行连接；
所述脱气模块由变压器、油泵、连续负压脱气装置、循环气泵和稳压装置组成，所述光声光谱监测模块由激发光源、光声池和声信号监测器组成，所述数据处理模块由模拟信号监测单元、数字信号处理单元、气体分析单元、系统软件控制单元、人机交互单元和数据通信单元组成。
2.根据权利要求1所述的一种双级吸收光声光谱法绝缘油溶解气体在线监测系统，其特征在于：所述变压器为待监测变压器，所述油泵通过管道将变压器的绝缘油导入到连续负压脱气装置内，所述循环气泵将连续负压脱气装置内的气体导入到光声光谱监测模块内，所述稳压装置光声光谱监测模块排出的气体进行稳压处理。
3.根据权利要求1所述的一种双级吸收光声光谱法绝缘油溶解气体在线监测系统，其特征在于：所述激发光源为MEMS脉冲红外光源，所述光声池位于分析气室内，分析气室的进气端和出气端分别通过管道与循环气泵和稳压装置相连，所述声信号监测器位于光声气室内；
所述激发光源的强度经过调制后的单色光源照射到密封于分析气室内光声池中的样品上，光声池中的样品吸收光能，并以释放热能的方式退激发，释放的热能使样品和光声池内介质按光的调制频率产生周期性加热，从而导致光声池内介质产生周期性压力波动，通过声信号监测器对该压力波动进行监测，并通过放大的方式得到光声信号。
4.根据权利要求1所述的一种双级吸收光声光谱法绝缘油溶解气体在线监测系统，其特征在于：所述模拟信号监测单元接收声信号监测器方法的光声信号，并对该光声信号进行监测，所述数字信号处理单元对监测后的光声信号进行处理，将光声信号转换为数字信号；
所述气体分析单元主要对监测的多种气体进行分析，所述系统软件控制单元主要控制数据处理模块内各个组成单元的运行；
所述人机交互单元利用基于人工智能的技术来将监测数据通过触摸式显示屏进行显示，并结合中文字符的来实现人机交互的功能，以实现将监测数据进行更好的显示，所述数据通信单元主要通过通信设备将监测的数据信息输送至终端，并通过终端来对该监测数据进行进一步的分析处理和存储。
5.根据权利要求4所述的一种双级吸收光声光谱法绝缘油溶解气体在线监测系统，其特征在于：所述气体分析单元在对监测的多种气体进行分析时，主要通过三比值诊断、大卫三角形和立体图的方法来对多种气体进行分析，所述三比值诊断主要通过建立表格将值代入表格进行对比分析，所述大卫三角形主要通过建立平面三角形模型将值代入模型内对比分析，所述立体图主要通过建立三维坐标系的形式，将值等效为立体图形进行对比分析。
6.根据权利要求1所述的一种双级吸收光声光谱法绝缘油溶解气体在线监测系统，其特征在于：所述模拟信号监测单元、数字信号处理单元、气体分析单元、系统软件控制单元、人机交互单元和数据通信单元组成数据处理模块，而数据处理模块集成于分析仪内，分析仪主要用于对绝缘油中的溶解气体及微水进行分析，通过光声光谱监测技术平台，在30分钟内得到准确的油样监测结果。
7.根据权利要求6所述的一种双级吸收光声光谱法绝缘油溶解气体在线监测系统，其特征在于：所述分析仪在绝缘油中主要监测的气体种类、监测范围以及分辨率信息具体包括如下：
氢气(H2)、监测范围：2-50000、分辨率：2ppmNA；
乙烯(C2H4)、监测范围：1-50000、分辨率：0.1ppm；
乙烷(C2H6)、监测范围：监测范围：1-50000、分辨率：0.1ppm；
甲烷(CH4)、监测范围：1-50000、分辨率：0.1ppm；
乙炔(C2H2)、监测范围：0.1-50000、分辨率：0.1ppm；
氮气(N2)、监测范围：100-150000、分辨率：2ppm；
氧气(O2)、监测范围：100-150000、分辨率：2ppm；
一氧化碳(CO)、监测范围：1-50000、分辨率：2ppm；
二氧化碳(CO2)、监测范围：3-50000、分辨率：0.1ppm；
微水(H2O)、监测范围：0-100％、分辨率：2ppmNA；
同时，分析仪还能够对微水(H2O)的含量和温度进行监测。
8.根据权利要求6所述的一种双级吸收光声光谱法绝缘油溶解气体在线监测系统，其特征在于：所述分析仪在工作过程中无需后台计算机，连接时只需通过同一网络将分析仪与计算机相连即可，且通过同一网络连接的计算机方便通过网页方式访问主机，进行数据下载和分析。
9.根据权利要求1所述的一种双级吸收光声光谱法绝缘油溶解气体在线监测系统，其特征在于：所述系统还包括环境监测模块，环境监测模块包括外部工作温度监测单元、油样温度监测单元、外壳防护监测单元、继电器监测单元和测量频率监测单元；
所述外部工作温度范围为：-40-55℃；油样温度范围为：-40-120℃；工作湿度为：10-95％无凝露；外壳防护等级为：IP55；继电器监测单元监测单相报警继电器，提供常开及常闭触点1A24VDC；测量频率监测单元主要多种连续测量，每小时一次至每天一次。
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