CN113324914A - 基于超声空化的变压器油中含气量检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种基于超声空化的变压器油中含气量检测装置及方法，检测装置中，超声发生器、超声换能器和超声反射板在样品池中形成超声驻波场，照射超声驻波场中的变压器油形成声光衍射，中心光电探测阵列设在样品池远离激光器的一侧且与入射光保持同心，中心光电探测阵列检测声光衍射的光强分布，信号处理系统连接中心光电探测阵列和超声换能器以接收光强分布以及超声换能的功率数据，信号处理系统基于光强分布判定变压器油是否生成声空化气泡，且根据空化气泡生成的功率数据和光强分布生成变压器油中含气量信息。

Description

基于超声空化的变压器油中含气量检测装置及方法

技术领域

本发明属于变压器测试技术领域，特别是一种基于超声空化的变压器油中含气量检测装置及方法。

背景技术

变压器是电力系统的核心变电设备，运行中的变压器由于受到电气应力、机械应力、热应力、环境应力和绝缘材料老化等的作用，会分解出气体并部分溶解于油中。

变压器油中含气量是指以分子状态溶解于油中的气体所占油体积的百分含量，油中含气量在一定程度上能够反映变压器运行状态，监测变压器油中含气量及其变化趋势对尽早发现运行中变压器内部的潜伏性故障具有重要意义。

为了对新投运和运行中变压器油进行质量监测，精度要求对于新投运的变压器，油中含气量不得超过1％，对于运行中电压等级为330～500kV的变压器，不得超过3％，对于运行中750～1000kV电压等级的变压器，不得超过2％。

变压器油中含气量检测目前一般采用气相色谱法和真空脱气法。气相色谱法对于检测变压器内部故障及缺陷较为准确和直接，并且无需设备停电就可以对变压器油运行状况进行检测分析。但气相色谱法包括样品振荡和气相色谱仪检测两个环节，流程冗杂且检测时间长，设备价格昂贵。真空脱气法需要对测试腔体的真空度进行检测，其准确度依赖于抽真空程度，并且同样具有检测时间长的缺点。为此，有必要寻求一种低成本、易操作、检测周期短的油中含气量的检测装置及方法。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于超声空化的变压器油中含气量检测装置及方法。其具有低成本、易操作及检测周期短和精度高的特点。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，基于超声空化的变压器油中含气量检测装置包括，

样品池，其容纳变压器油，所述样品池的侧壁由透光材料制成；

超声发生器，其配置成生成并输出用于产生超声波的电信号，

超声换能器，其设在所述样品池底部，超声换能器连接所述超声发生器以基于所述电信号在样品池中产生预定的超声振动，

超声反射板，其置于所述样品池顶部以反射所述变压器油中的超声波，所述超声发生器、超声换能器和超声反射板在所述样品池中形成超声驻波场，

激光器，其朝向所述样品池以提供用于声光衍射的光源，

激光准直系统，其设在所述激光器和样品池之间以准直来自激光器的入射光，且照射所述超声驻波场中的变压器油形成声光衍射，

中心光电探测阵列，其设在所述样品池远离所述激光器的一侧且与所述入射光保持同心，中心光电探测阵列检测所述声光衍射的光强分布，

信号处理系统，其连接所述中心光电探测阵列和超声换能器以接收所述光强分布以及超声换能的功率数据，信号处理系统基于光强分布判定变压器油是否生成声空化气泡，且根据空化气泡生成的功率数据和光强分布生成所述变压器油中含气量信息。

所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置中，激光准直系统包括，

物镜，其接收并聚焦来自激光器的入射光，

针孔滤波器，其通过来自物镜的入射光，

准直镜，其接收来自针孔滤波器的入射光且将其转换为平行光束，

光阑，所述平行光束经由所述光阑照射所述样品池。

所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置中，所述物镜和准直镜为凸透镜，调节凸透镜位置以将入射光转换成5-20mm直径的平行光束。

所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置中，所述针孔滤波器的针孔直径为100μm，物镜直径为20mm，焦距为40mm，所述准直镜直径为40mm，焦距为80mm。

所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置中，所述激光器波长为632nm，光斑直径为5mm，功率为5mW。

所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置中，所述样品池为矩形样品池，尺寸依次为长22mm，宽22mm，高50mm，所述样品池采用石英玻璃材质制成。

所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置中，所述超声发生器的频率和功率可调节，功率调节范围0～10W，频率调节范围100kHz～1MHz。

所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置中，所述超声换能器辐照面积相同于超声反射板面积，反射波与入射波叠加在样品池中产生超声驻波场。

所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置中，所述中心光电探测阵列包括线性面阵CCD，其像元尺寸为5μm。

根据所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置的检测方法包括以下步骤，

超声发生器生成并输出用于产生超声波的电信号，超声发生器和超声换能器在样品池中产生频率逐渐增大的超声振动，超声发生器、超声换能器和超声反射板在所述样品池中形成超声驻波场，

激光器发射的入射光经由激光准直系统形成平行光束，且照射所述超声驻波场中的变压器油形成声光衍射，中心光电探测阵列检测所述声光衍射的光强分布，

基于光强分布判定变压器油是否生成声空化气泡，且根据空化气泡生成的功率数据和光强分布生成所述变压器油中含气量信息。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明具有成本低、易于操作及检测周期短等特点，能够实现对变压器油中含气量的实时监测且精度高。该发明将有助于减少电力系统监测变压器油中含气量的时间和成本。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是一种基于超声空化的变压器油中含气量检测装置的结构示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1所示，基于超声空化的变压器油中含气量检测装置包括，

样品池3，其容纳变压器油，所述样品池3的侧壁由透光材料制成；

超声发生器4，其配置成生成并输出用于产生超声波的电信号，

超声换能器5，其设在所述样品池3底部，超声换能器5连接所述超声发生器4以基于所述电信号在样品池3中产生预定的超声振动，

超声反射板6，其置于所述样品池3顶部以反射所述变压器油中的超声波，所述超声发生器4、超声换能器5和超声反射板6在所述样品池3中形成超声驻波场，

激光器1，其朝向所述样品池3以提供用于声光衍射的光源，

激光准直系统2，其设在所述激光器1和样品池3之间以准直来自激光器1的入射光，且照射所述超声驻波场中的变压器油形成声光衍射，

中心光电探测阵列7，其设在所述样品池3远离所述激光器1的一侧且与所述入射光保持同心，中心光电探测阵列7检测所述声光衍射的光强分布，

信号处理系统9，其连接所述中心光电探测阵列7和超声换能器5以接收所述光强分布以及超声换能的功率数据，信号处理系统9基于光强分布判定变压器油是否生成声空化气泡，且根据空化气泡生成的功率数据和光强分布生成所述变压器油中含气量信息。

所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置的优选实施例中，激光准直系统2包括，

物镜21，其接收并聚焦来自激光器1的入射光，

针孔滤波器22，其通过来自物镜21的入射光，

准直镜24，其接收来自针孔滤波器22的入射光且将其转换为平行光束，

光阑，所述平行光束经由所述光阑照射所述样品池3。

所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置的优选实施例中，所述物镜21和准直镜24为凸透镜，调节凸透镜位置以将入射光转换成5-20mm直径的平行光束。

所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置的优选实施例中，所述针孔滤波器22的针孔直径为100μm，物镜21直径为20mm，焦距为40mm，所述准直镜24直径为40mm，焦距为80mm。

所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置的优选实施例中，所述激光器1波长为632nm，光斑直径为5mm，功率为5mW。

所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置的优选实施例中，所述样品池3为矩形样品池3，尺寸依次为长22mm，宽22mm，高50mm，所述样品池3采用石英玻璃材质制成。

所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置的优选实施例中，所述超声发生器4的频率和功率可调节，功率调节范围0～10W，频率调节范围100kHz～1MHz。

所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置的优选实施例中，所述超声换能器5辐照面积相同于超声反射板6面积，反射波与入射波叠加在样品池3中产生超声驻波场。

所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置的优选实施例中，所述中心光电探测阵列7包括线性面阵CCD，其像元尺寸为5μm。

在一个实施例中，所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置包括包括激光器1、激光准直系统2、样品池3、超声发生器4、超声换能器5、超声反射板6、中心光电探测阵列7、信号处理系统9。所述样品池3含有待测变压器油样品，样品池内充满变压器油；所述超声发生器4经超声换能器5连接至样品池3的底部，超声发生器4输出电信号，超声换能器5将电信号转换为振动信号，进而在样品池3中产生超声振动；所述超声反射板6置于样品池顶部，用于反射穿过液体的超声波，以在样品池3中形成稳定的超声驻波场；所述激光器1提供声光衍射所需激光光源；所述激光准直系统2具体包括物镜21、针孔22、准直镜23、光阑24，所述激光准直系统2置于激光器和样品池之间；所述中心光电探测阵列7置于与激光器1入射光源相对的一侧，并且中心光电探测器7要与激光器1的入射光中心保持一致，以接收经过样品池3之后的声光衍射信号；声光衍射的光强空间谱信息经电缆8、送至信号处理系统9，其根据衍射光强空间谱来判定是否有声空化气泡生成，并根据空化气泡生成的阈值功率和声光衍射空间光强谱反演得到样品池油中含气量信息。

在一个优选实施例中，为了使变压器油对入射激光的吸收尽可能小，所述激光器1选用的波长为632nm，光斑直径为5mm，功率为5mW；

在一个优选实施例中，所述激光准直系统2包括物镜、针孔、准直镜、光阑，其中物镜、准直镜均为紫外熔融石英双凸透镜，通过调节透镜的距离，可将激光器产生的光转换成5-20mm直径的平行光束；

在一个优选实施例中，所述针孔滤波器22的针孔直径为100μm；

在一个优选实施例中，所述物镜21直径为20mm，焦距为40mm，所述准直镜23直径为40mm，焦距为80mm；

在一个优选实施例中，为了尽可能的减少检测用油量，所述样品池3为长方体外形，尺寸为长22mm、宽22mm和高50mm；

在一个优选实施例中，为了保证优良的光学传输特性，所述样品池3四周采用石英玻璃材质；

在一个优选实施例中，所述超声发生器4的频率和功率均需可调节，功率调节范围0～10W，频率调节范围100kHz～1MHz；

在一个优选实施例中，所述超声换能器5辐照面积为400mm2，超声换能器用于将超声发生器4的电信号转换为振动信号，在样品池3中产生超声振动；

在一个优选实施例中，所述超声反射板面积为400mm2，反射波与入射波叠加，进而在样品池3中产生稳定的声驻波场；

在一个优选实施例中，所述中心光电探测阵列7采用高精度线性面阵CCD，其像元尺寸为5μm，探测阵列用以收集声光衍射光强信号并将其转换为电信号输出。

本发明工作时，有无声空化气泡产生时的声光衍射空间光强谱具有明显的差异，利用超声发生器4和超声换能器5在样品池3中产生频率逐渐增大的超声振动，同时利用中心光电探测阵列7测量声光衍射的空间光强分布。变压器油中含气量的多少与超声空化气泡产生时的超声功率阈值存在直接对应关系，变压器油在发生超声空化之前和之后的空间光强谱具有显著地区别和特征。信号处理系统9通过分析声光衍射的空间光强谱信息，判定变压器油是否发生了超声空化现象，通过阈值功率和衍射光强的空间谱即可反演得到变压器油中含气量的信息。

所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置的检测方法包括以下步骤，

超声发生器4生成并输出用于产生超声波的电信号，超声发生器4和超声换能器5在样品池3中产生频率逐渐增大的超声振动，超声发生器4、超声换能器5和超声反射板6在所述样品池3中形成超声驻波场，

激光器1发射的入射光经由激光准直系统2形成平行光束，且照射所述超声驻波场中的变压器油形成声光衍射，中心光电探测阵列7检测所述声光衍射的光强分布，

基于光强分布判定变压器油是否生成声空化气泡，且根据空化气泡生成的功率数据和光强分布生成所述变压器油中含气量信息。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种基于超声空化的变压器油中含气量检测装置，其特征在于，其包括，

样品池，其容纳变压器油，所述样品池的侧壁由透光材料制成；

超声发生器，其配置成生成并输出用于产生超声波的电信号，

超声换能器，其设在所述样品池底部，超声换能器连接所述超声发生器以基于所述电信号在样品池中产生预定的超声振动，

超声反射板，其置于所述样品池顶部以反射所述变压器油中的超声波，所述超声发生器、超声换能器和超声反射板在所述样品池中形成超声驻波场，

激光器，其朝向所述样品池以提供用于声光衍射的光源，

激光准直系统，其设在所述激光器和样品池之间以准直来自激光器的入射光，且照射所述超声驻波场中的变压器油形成声光衍射，

中心光电探测阵列，其设在所述样品池远离所述激光器的一侧且与所述入射光保持同心，中心光电探测阵列检测所述声光衍射的光强分布，

信号处理系统，其连接所述中心光电探测阵列和超声换能器以接收所述光强分布以及超声换能的功率数据，信号处理系统基于光强分布判定变压器油是否生成声空化气泡，且根据空化气泡生成的功率数据和光强分布生成所述变压器油中含气量信息。

2.根据权利要求1所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置，其中，优选的，激光准直系统包括，

物镜，其接收并聚焦来自激光器的入射光，

针孔滤波器，其通过来自物镜的入射光，

准直镜，其接收来自针孔滤波器的入射光且将其转换为平行光束，

光阑，所述平行光束经由所述光阑照射所述样品池。

3.根据权利要求2所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置，其中，所述物镜和准直镜为凸透镜，调节凸透镜位置以将入射光转换成5-20mm直径的平行光束。

4.根据权利要求2所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置，其中，所述针孔滤波器的针孔直径为100μm，物镜直径为20mm，焦距为40mm，所述准直镜直径为40mm，焦距为80mm。

5.根据权利要求1所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置，其中，所述激光器波长为632nm，光斑直径为5mm，功率为5mW。

6.根据权利要求1所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置，其中，所述样品池为矩形样品池，尺寸依次为长22mm，宽22mm，高50mm，所述样品池采用石英玻璃材质制成。

7.根据权利要求1所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置，其中，所述超声发生器的频率和功率可调节，功率调节范围0～10W，频率调节范围100kHz～1MHz。

8.根据权利要求1所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置，其中，所述超声换能器辐照面积相同于超声反射板面积，反射波与入射波叠加在样品池中产生超声驻波场。

9.根据权利要求1所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置，其中，所述中心光电探测阵列包括线性面阵CCD，其像元尺寸为5μm。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的基于超声空化的变压器油中含气量检测装置的检测方法，其包括以下步骤，

超声发生器生成并输出用于产生超声波的电信号，超声发生器和超声换能器在样品池中产生频率逐渐增大的超声振动，超声发生器、超声换能器和超声反射板在所述样品池中形成超声驻波场，

激光器发射的入射光经由激光准直系统形成平行光束，且照射所述超声驻波场中的变压器油形成声光衍射，中心光电探测阵列检测所述声光衍射的光强分布，

基于光强分布判定变压器油是否生成声空化气泡，且根据空化气泡生成的功率数据和光强分布生成所述变压器油中含气量信息。

Images