CN113567393A - 一种激光光谱油中溶解气体在线监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电网设备维护领域，具体是一种激光光谱油中溶解气体在线监测系统，包括油气分离装置、怀特池、信号处理与控制单元、上位机、物联网模块和远程服务器，油气分离装置的气体输出管路与怀特池连通，怀特池的光束入射光窗侧部设置激光器。本发明能够对运行中的电力设备的运行状况进行连续的在线监测，随时获得能反映运行状况变化的信息；通过对在线监测得到的数据进行分析处理后，对设备的运行状况做出诊断，并根据诊断结果安排必要的检修；能够及时掌握变压器的运行状态，发现其潜伏性故障，最大程度地提高变压器等电力设备的使用率。
Description
技术领域
本发明涉及电网设备维护领域，具体是一种激光光谱油中溶解气体在线监测系统。
背景技术
随着国民经济的发展，用电需求迅猛增长，电网装机容量和规模日益增大，无论是发达国家还是发展中国家，如何安全、优质、经济的供电都是电力系统一直面临的严峻考验。由于设备制造技术和工艺的限制以及其运行和维护水平的缺陷，设备故障已经成为了诱发电网故障的主要因素。中国国家电网的调查显示供电系统事故的48.15％是由设备故障引起的。其中电力变压器是导致电力系统事故多发的设备之一，高压、超高压的大型变压器作为各枢纽电站的关键设备，其故障通常会影响电网运行的稳定性。因此电力变压器的安全运行对保证供电可靠性、减少电站试验及维修成本等方面都有重大意义。
几十年来形成的预防性维修体系，对提高电网运行的可靠性起了非常重要的作用。但不能及时发现设备内部的绝缘隐患，停电检修后的设备在运行中时有事故发生；定期停电进行预防性试验不能真实反映设备内部的绝缘状态，使加强追踪监测尚可继续使用的设备提前退出运行或本应及时退出运行的设备继续运行而导致事故；并且预防性维修的检修费用高，停电试验还要造成巨大的经济损失。随着电网向高度自动化方向发展和国计民生对供电可靠性的要求越来越高，迫切需要对现行的设备维修体系进行变革，以在线监测及故障诊断技术为基础的状态维修体系逐渐取代预防性维修体系或用来追踪监视故障的发展趋势已成为必然。
从预防性维修制形成以来，电力运行部门通过对运行中的变压器定期分析其溶解于油中的气体组分、含量及产气速率，总结出了能够及早发现变压器内部存在潜伏性故障、判断其是否会危及安全运行的方法即油色谱分析法。众所周知，局部放电的在线监测方法因受现场电磁场干扰的困扰，放电的检测、放电源的确定等目前都尚未解决；油色谱分析法是将变压器油取回到实验中用色谱仪进行分析，不仅不受现场复杂电磁场的干扰，而且可以发现油浸设备中一些用tgδ和局部放电法所不能发现的局部性过热等缺陷。因此，运行部门普遍认为用色谱法分析变压器故障是一种重要的有实际意义的方法，并得到了广泛的使用。虽然油色谱分析法比局部放电法等判断故障的方法可靠性高，但常规的油色谱分析法存在一系列不足之处；不仅脱气中可能存在较大的误差，而且检测曲线的人工修正也会加大误差；从取油样到实验室分析，作业程序复杂，花费的时间和费用较高，在技术经济上不能适应电力系统发展的需要；检测周期长，不能及时发现潜伏性故障和有效的跟踪发展趋势，需要更换载气；因受其设备费用和技术力量的限制，不可能每个电站都配备常规油色谱分析仪，运行人员无法随时掌握和监视本站变压器的运行状况，从而会加大事故率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是无法随时掌握和监视本站变压器的运行状况，为了解决该问题，本发明提供一种激光光谱油中溶解气体在线监测系统，其能够对运行中的电力设备的运行状况进行连续的在线监测，随时获得能反映运行状况变化的信息；通过对在线监测得到的数据进行分析处理后，对设备的运行状况做出诊断，并根据诊断结果安排必要的检修。
本发明的内容为一种激光光谱油中溶解气体在线监测系统，包括油气分离装置、怀特池、信号处理与控制单元、上位机、物联网模块和远程服务器，油气分离装置的气体输出管路与怀特池连通，怀特池的光束入射光窗侧部设置激光器，怀特池将其内气体中的光吸收信号转化为电信号输入到信号处理与控制单元，信号处理与控制单元将电信号转换为气体浓度信号，并将气体浓度信号输出至物联网模块，物联网模块将接收到的气体浓度信号上传到远程服务器。
本发明的有益效果是，本发明能够对运行中的电力设备的运行状况进行连续的在线监测，随时获得能反映运行状况变化的信息；通过对在线监测得到的数据进行分析处理后，对设备的运行状况做出诊断，并根据诊断结果安排必要的检修；能够及时掌握变压器的运行状态，发现其潜伏性故障，最大程度地提高变压器等电力设备的使用率。本发明还能够降低电网中大规模停电的风险，为智能电网中的无人值班，少人职守的智能化电站的建立提供支持和保障。
附图说明
附图1为本发明的框图；
附图2为本发明中油气分离装置的框图；
附图3为本发明中油雾过滤装置的结构示意图；
附图4为本发明中怀特池的结构示意图。
具体实施方式
一种激光光谱油中溶解气体在线监测系统，包括油气分离装置、怀特池、信号处理与控制单元、上位机、物联网模块和远程服务器，油气分离装置的气体输出管路与怀特池连通，怀特池的光束入射光窗17侧部设置激光器，怀特池将其内气体中的光吸收信号转化为电信号输入到信号处理与控制单元，信号处理与控制单元将电信号转换为气体浓度信号，并将气体浓度信号输出至物联网模块，物联网模块将接收到的气体浓度信号上传到远程服务器。
本发明采用可调谐半导体激光吸收光谱法(TDLAS)。可调谐半导体激光吸收光谱法是利用激光器的窄线宽特性和可调谐特性，扫描被测气体的特征吸收谱线，从而实现痕量气体的定性和定量测量。TDLAS使用线宽远小于气体吸收谱线宽度的激光器，并利用激光器的可调谐性对气体的单条特征谱线进行扫描测量，利用其高光谱分辨率特性，可以排除其他气体谱线对待测气体谱线的交叉干扰。工作波长位于中红外的可调谐激光器，可以获得气体分子的基频振动谱线，吸收信号强，加上长光程设计和谐波检测技术可以达到ppb量级以上精度，但是中红外的激光器一般价格都十分昂贵，而且需要液氮制冷；近红外可调谐激光器由于其价格便宜，可以在室温下工作，且体积小巧，已成为近几年发展的热门，而此波段的气体振动谱线位于“泛频”、“和频”带，其吸收峰强度一般较基频带低2到3个数量级，然而，配合怀特池和调制扫描技术，TDLAS测量仍然可以达到ppm量级以上。TDLAS检测系统所具备的优势有以下几点：
(1)与在线色谱相比，TDLAS不消耗被测样品，不需要消耗性载气和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。
(2)与FTIR傅立叶红外相比，与所有测量透过量改变的光学方法相比，TDLAS可以提高气体池光程，从而极大地提高了检测灵敏度。灵敏度的提高产生了许多积极的影响，可以放宽对油气分离装置设计上的要求
(3)在常温条件下其灵敏度漂移可保证在200年内小于1％。
(4)气池结构容易快速清理，可有效避免光学测量因光学表面污染而引入的误差。
TDLAS是设备运行的关键流程，脱出的混合气无需处理直接转入怀特池进行精密测量，再将气体排放到空气中。TDLAS不受环境温湿度、震动、噪声、交叉干扰等因素的影响，大幅提高了性价比，无机械运动结构，大大延长了设备的工作寿命。
所述的激光器为三个。以一个激光器最大限度地覆盖多种气体又尽可能保证有良好的单峰性为前提，CO、CO2的吸收谱线最为接近，相隔不到0.2nm，用一个DFB型激光器即可实现同时扫描；CH4、C2H4、C2H6相隔不到1nm，可用一个DFB型激光器扫描；C2H2采用单独的激光器来扫描，因为市面上的可调谐激光器只能调谐1-2nm，不能覆盖这么宽的光谱范围。这样总共需要激光器的数量为三个。
还包括上位机，信号处理与控制单元将气体浓度信号输出至上位机。
如附图1所示，变压器经过油气分离装置将油气分离，油中溶解气体进入怀特池，怀特池将混合气中的光吸收信号转化为电信号输入到信处理单元，信号处理单元将输出对应气体的浓度给上位机，物联网模块也同时接收到气体浓度信息上传到远程服务器，上位机和远程服务器上运行有故障诊断与分析系统，可以根据上传的气体浓度诊断变压器运行情况。物联网模块能将气体浓度信息和设备工作信息上传到远程服务器，远程服务器上运行有故障诊断与分析系统，可以根据上传的气体浓度诊断变压器运行情况。物联网平台可以远程监测设备运行情况，调整检测周期等。
如附图2所示，图中各个阀周围的数字1、2和3均为阀的三个通道，阀可以在各个通道选择关闭一个，开启任意两个。所述的油气分离装置包括进气管、排气管、进油管、出油管、油雾过滤装置和光学气室，进气管通过第一管道和第二管道分别与油雾过滤装置连通，第一管道上设置进气阀，第二管道上设置排油阀，排气管与光学气室连通，排气管上分别设置排气阀和气泵，进油管分别与出油管和第三管道连通，进油管上设置进油阀，出油管上设置出油阀，第三管道与油雾过滤装置连通，第三管道上设置油泵。
所述的油气分离装置还包括氢气传感器，氢气传感器与光学气室之间连通第四管道，第四管道上分别设置压力传感器和电磁阀，氢气传感器与排油阀之间连通第五管道，第五管道与电磁阀之间连通第六管道。氢气由于其特殊的分子结构不能被TDLAS检测系统所测量到，所以采用一个氢气传感器对氢气浓度进行测量，由于CO和C2H4气体会对氢气传感器进行干扰，所以由激光检测2种气体后，需要对氢气浓度进行补偿。
当进油阀打开时，油泵可以将变压器油由变压器中抽出，以及带动变压器油流动。油雾过滤装置通过设置金属烧结板刺破油雾中的油泡，通过设置滤芯过滤大颗粒的油雾，通过设置静电过滤装置过滤微小的油雾，通过设置加热装置和电磁搅拌装置，对其内的变压器油进行加热和搅拌，以加速变压器油雾化，从而可以通过金属烧结板、滤芯和静电过滤装置将变压器油中脱出的气体中的油雾过滤。光学气室可以对气体进行检测。气泵用于对整套装置抽负压和鼓包，以及促进气体流动。这种结构的工作过程为：
a、启动气泵，将整个装置抽负压。
b、进油阀打开，启动油泵，向油雾过滤装置内注油。
c、启动气泵，启动油雾过滤装置，将其内的变压器油与气体分离，使气液达到平衡。
d、光学气室对油雾过滤装置分离出的气体进行检测。
e、排油阀打开，油泵反转，将油雾过滤装置分离出的油排入变压器。
上述结构在不使用吹扫气的前提下将变压器油中的气体分离，无需使用载气，不影响变压器油中的含气量，油气分离后的变压器油可以直接排回变压器内，避免因使用吹扫气导致变压器油污染的情况发生，解决了油气分离不完全造成影响后续气体检测的问题，其过滤效率高，而且，由于使用了负压，还缩短了脱气时间。
还包括氢气传感器，氢气传感器与光学气室之间连通第四管道，第四管道上设置压力传感器。氢气传感器能够检测气体中的氢气含量，压力传感器能够检测管路中的气压，方便对管内气压进行监控和调整。
所述的第四管道上设置电磁阀，氢气传感器与排油阀之间连通第五管道，第五管道与电磁阀之间连通第六管道。这种结构可以通过电磁阀的阀门切换，使得气体可以流经氢气传感器，也可以不流经氢气传感器，以便于气体的流通以及对氢气的检测。
所述的第二管道上设置调速阀。调速阀能够调节过滤后的变压器油的流速。
所述的进油管上设置逆止阀。逆止阀能够防止变压器油逆流。
所述的出油管上设置逆止阀。逆止阀能够防止变压器油逆流。
所述的进油管上设置过滤器。过滤器能够对变压器油进行初步过滤，将大颗粒的油污去除。
所述的进气管上设置空气过滤器。空气过滤器能够将空气中的水分和杂质进行过滤。
所述的进气阀与排气阀连通。这种结构能够通过切换阀门，使得气泵能够将外界空气抽入装置内，便于进行吹扫。
油气分离方法，使用油气分离装置，油气分离装置的初始状态为：进油阀断开，排油阀断开，电磁阀与第六管道连通，电磁阀通过第四管道与光学气室连通，排气阀分别与进气阀和气泵连通，排气阀与排气管断开，进气阀与油雾过滤装置连通，进气阀与第一管道断开，气泵和油泵停止；
所述的方法包括以下步骤：
①抽负压，排气阀与进气阀断开，使排气阀分别与排气管和气泵连通，运行气泵，当压力传感器测定的压力值达到设定值时，当压力传感器测定的压力值达到设定值时，恢复初始状态；
②排油，打开排油阀，使排油阀分别与第二管道和油雾过滤装置连通，进气消除负压，运行油泵，打开排油阀，油泵反转，油位达到油雾过滤装置内的底部位置时，恢复初始状态；
③冲洗注油，排气阀与进气阀断开，使排气阀分别与排气管和气泵连通，运行气泵，当压力传感器测定的压力值达到设定值时，运行油泵，打开进油阀，油泵正转，将变压器内的油抽至油雾过滤装置内，油位达到油雾过滤装置内的上部位置时，恢复初始状态；
④重复步骤②；
⑤气路外吹扫，排气阀与进气阀断开，使排气阀分别与排气管和气泵连通，进气阀与第一管道连通，运行气泵30秒后，电磁阀与第六管道连通，使电磁阀通过第四管道与光学气室连通，继续吹扫30秒；
⑥气路内吹扫，电磁阀与第六管道断开，使电磁阀分别通过第四管道与氢气传感器和光学气室连通，气泵运行20秒；
⑦气路外吹扫，排气阀与进气阀断开，使排气阀分别与排气管和气泵连通，进气阀与第一管道连通，运行气泵20秒后，电磁阀与第六管道连通，使电磁阀通过第四管道与光学气室连通，继续吹扫20秒；
⑧抽负压，排气阀与进气阀断开，使排气阀分别与排气管和气泵连通，运行气泵，当压力传感器测定的压力值达到设定值时，当压力传感器测定的压力值达到-92kpa时，恢复初始状态，30秒之后重复①，然后进行空气采集，并保证压力传感器测定的压力值为-90kpa，后继续抽负压至-97kpa；
⑨测量注油，运行油泵，打开进油阀，油泵正转，将变压器内的油抽至油雾过滤装置内，油位达到油雾过滤装置内的上部位置时，关闭进油阀和油泵，待压力平衡后读取压力值；
⑩测量脱气状态，打开气泵鼓泡，使油气充分接触，加速油中溶解气体析出；
所述的油雾过滤装置包括容器1，容器1的底部开设进油口2，容器1的顶部开设出气口3，容器1内安装金属烧结板4，金属烧结板4位于进油口2和出气口3之间，金属烧结板4将容器1的内部空间分隔为上下两部分，容器1内设置加热装置5，加热装置5位于容器1内的下部，容器1的上部设置气泵6，气泵6通过管路与出气口3连通。金属烧结板4能够有效的将油泡刺破，防止油穿过除雾装置进入气体检测单元，从而满足精密测量的要求。加热装置5可以为电热棒。加热装置5可以加热容器1内的油雾，从而加速油气分离。气泵6能够将分离出的气体抽出，加速气体流动。气泵6还可以反向向容器1内吹气，以便将金属烧结板4上附着的油泥吹落，以便于进行维护。
所述的容器1内的上部分别设置滤芯7和静电过滤装置8，滤芯7和静电过滤装置8的周圈外壁封闭容器1的周圈内壁，滤芯7和静电过滤装置8均位于金属烧结板4的上方，滤芯7位于静电过滤装置8和金属烧结板4之间。滤芯7可以为微孔滤纸滤芯，其能够过滤掉大颗粒的油雾。静电过滤装置8可以分为电离段和油雾吸附段，其能够过滤掉微小的油雾。
所述的容器1内分别设置第一液位传感器9、第二液位传感器10和第三液位传感器11，第一液位传感器9位于金属烧结板4的下方，第二液位传感器10位于金属烧结板4与静电过滤装置8之间，第三液位传感器11位于容器1内的下部。第一液位传感器9能够测得容器1内的液位，避免容器1内的油量过多或过少。第二液位传感器10测得容器1内的液位是否超过金属烧结板4的高度位置，以避免变压器油进入气路。第三液位传感器11能够测得容器1内的下部是否留有变压器油，以便于确认对金属烧结板4进行清洁前，容器1内的变压器油无残留。
所述的容器1内设置磁力搅拌器12，磁力搅拌器12位于容器1内的下部。磁力搅拌器12能够加速油气分离。
所述的怀特池包括池体13，池体13内的一侧竖直安装第一反射镜14，池体13内的另一侧分别竖直安装第二反射镜15和第三反射镜16，第二反射镜15位于第三反射镜16正上方，第二反射镜15和第三反射镜16的曲率中心均位于第一反射镜14上，第一反射镜14的曲率中心位于第二反射镜15和第三反射镜16之间，第一反射镜14、第二反射镜15和第三反射镜16为曲率半径相同的凹面反射镜，第一反射镜14的下方设置光束入射光窗17，第一反射镜14的上方设置探测器18，池体1的上部分别设置排气口19和进气口20，进气口20内设置冷阱21，冷阱21下部设置收集槽22。
这种结构由A第二反射镜15、A'第三反射镜16和B第一反射镜14构成，使得A上的点被B成像在A'上，A'上的点被在A上，类似地B上任何一点发出的光经过A和A'的反射后会成像在B上另外一点。光线从光束入射光窗17入射，经过A的反射，在B上形成光斑，由于B的曲率中心落在A与A'之间的中间位置，因此，光斑经B反射后，落在A'上，光线经过A'反射后，由探测器18接收。这种结构经过3个反射镜光束反射40次，光程达到10米，减小了怀特池的尺寸，提高了测量精度，怀特池尺寸减小了便于布置。可精确调出8次反射的光路,还实现了从4次到20次反射的光路调节,使得在基本光程为0.3m的基础上光程长达到6m以上,实现了ppm量级气体检测的目标，这种结构利用三个凹面镜组成共轭焦点系统来实现光路的多次折返,以达到检测所需的长光程,同时也保证了探测器接收到足够的能量用于气体浓度的检测。冷阱21提供一个非常低温的表面，在此表面上，水分子或是油分子能够凝聚，从而解决被测气含水或是油等污染物影响测量的问题。被测气体从进气口20进入怀特池，首先通过冷阱21将水分和液体凝结在冷阱21表面，当冷阱21表面液体较多时会自动流入收集槽22内，每次测量完成后从排气口19反吹干燥的空气将收集槽22内的液体挥发排出怀特池。现有怀特池密封性不好，无法满足特定测量环境需要抽负压的要求，为此，所述的池体1的连接处周圈设置胶条23。这种结构保证池体1能承受-99Kpa压力，提高测量精度。
Claims (10)
1.一种激光光谱油中溶解气体在线监测系统，其特征在于：包括油气分离装置、怀特池、信号处理与控制单元、上位机、物联网模块和远程服务器，油气分离装置的气体输出管路与怀特池连通，怀特池的光束入射光窗(17)侧部设置激光器，怀特池将其内气体中的光吸收信号转化为电信号输入到信号处理与控制单元，信号处理与控制单元将电信号转换为气体浓度信号，并将气体浓度信号输出至物联网模块，物联网模块将接收到的气体浓度信号上传到远程服务器。
2.如权利要求1所述的一种激光光谱油中溶解气体在线监测系统，其特征在于：所述的激光器为三个。
3.如权利要求1所述的一种激光光谱油中溶解气体在线监测系统，其特征在于：还包括上位机，信号处理与控制单元将气体浓度信号输出至上位机。
4.如权利要求1所述的一种激光光谱油中溶解气体在线监测系统，其特征在于：所述的油气分离装置包括进气管、排气管、进油管、出油管、油雾过滤装置和光学气室，进气管通过第一管道和第二管道分别与油雾过滤装置连通，第一管道上设置进气阀，第二管道上设置排油阀，排气管与光学气室连通，排气管上分别设置排气阀和气泵，进油管分别与出油管和第三管道连通，进油管上设置进油阀，出油管上设置出油阀，第三管道与油雾过滤装置连通，第三管道上设置油泵。
5.如权利要求4所述的一种激光光谱油中溶解气体在线监测系统，其特征在于：所述的油气分离装置还包括氢气传感器，氢气传感器与光学气室之间连通第四管道，第四管道上分别设置压力传感器和电磁阀，氢气传感器与排油阀之间连通第五管道，第五管道与电磁阀之间连通第六管道。
6.如权利要求4所述的一种激光光谱油中溶解气体在线监测系统，其特征在于：所述的油雾过滤装置包括容器(1)，容器(1)的底部开设进油口(2)，容器(1)的顶部开设出气口(3)，容器(1)内安装金属烧结板(4)，金属烧结板(4)位于进油口(2)和出气口(3)之间，金属烧结板(4)将容器(1)的内部空间分隔为上下两部分，容器(1)内设置加热装置(5)，加热装置(5)位于容器(1)内的下部，容器(1)的上部设置气泵(6)，气泵(6)通过管路与出气口(3)连通。
7.如权利要求6所述的一种激光光谱油中溶解气体在线监测系统，其特征在于：所述的所述的容器(1)内的上部分别设置滤芯(7)和静电过滤装置(8)，滤芯(7)和静电过滤装置(8)的周圈外壁封闭容器(1)的周圈内壁，滤芯(7)和静电过滤装置(8)均位于金属烧结板(4)的上方，滤芯(7)位于静电过滤装置(8)和金属烧结板(4)之间。
8.如权利要求6所述的一种激光光谱油中溶解气体在线监测系统，其特征在于：所述的所述的容器(1)内分别设置第一液位传感器(9)、第二液位传感器(10)和第三液位传感器(11)，第一液位传感器(9)位于金属烧结板(4)的下方，第二液位传感器(10)位于金属烧结板(4)与静电过滤装置(8)之间，第三液位传感器(11)位于容器(1)内的下部。
9.如权利要求6所述的一种激光光谱油中溶解气体在线监测系统，其特征在于：所述的容器(1)内设置磁力搅拌器(12)，磁力搅拌器(12)位于容器(1)内的下部。
10.如权利要求1所述的一种激光光谱油中溶解气体在线监测系统，其特征在于：所述的怀特池包括池体(13)，池体(13)内的一侧竖直安装第一反射镜(14)，池体(13)内的另一侧分别竖直安装第二反射镜(15)和第三反射镜(16)，第二反射镜(15)位于第三反射镜(16)正上方，第二反射镜(15)和第三反射镜(16)的曲率中心均位于第一反射镜(14)上，第一反射镜(14)的曲率中心位于第二反射镜(15)和第三反射镜(16)之间，第一反射镜(14)、第二反射镜(15)和第三反射镜(16)为曲率半径相同的凹面反射镜，第一反射镜(14)的下方设置光束入射光窗(17)，第一反射镜(14)的上方设置探测器(18)，池体(1)的上部分别设置排气口(19)和进气口(20)，进气口(20)内设置冷阱(21)，冷阱(21)下部设置收集槽(22)。
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