CN115406839A - 变压器油中溶解气体在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变压器监测领域，具体是涉及变压器油中溶解气体在线监测装置，包括户外智能柜、设置于户外智能柜内的脱气模块、主控模块、上位机模块以及光声光谱模块，所述光声光谱模块包括气路模块和光声信号激发与检测模块，气路模块包括有依序相连的进气口、过滤器、第一三通气阀、进气阀、光声池、出气阀、气泵、定量管、第二三通气阀、氢气传感器以及出气口，所述光声信号激发与检测模块包括有红外热辐射光源、斩波器、滤光模块、传声器、激光光源以及信号处理单元。本发明装置能按预设的周期连续在线检测出变压器油中溶解的H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6等特征气体和微水的含量和增长率。

Description

变压器油中溶解气体在线监测装置

技术领域

本发明涉及变压器监测领域，具体是涉及变压器油中溶解气体在线监测装置。

背景技术

技术是基于光声效应来检测吸收物体积分数的一种光谱技术，该技术与传统的气相色谱检测方法相比具有不需要载气、灵敏度高、稳定性好以及多种气体均可检测等突出的优点，已越来越多的开发应用到变压器油中溶解气体在线监测上，实时准确检测CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、H2等气体，对确保电力、核能、石油化工等行业设备运行安全或产品质量具有重要意义。 spectrometry) 光声光谱(Photo-acoustic

目前国内缺乏针对这些微量多组分气体在线或离线检测的光声光谱在线监测装置，而进口光声光谱在线监测装置价格高昂，性能、精度均有待提升，且运行和维护成本极高。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术问题，提供一种变压器油中溶解气体在线监测装置。

为解决现有技术问题，本发明采用的技术方案为：

变压器油中溶解气体在线监测装置，包括户外智能柜、设置于户外智能柜内的脱气模块、主控模块以及光声光谱模块，所述光声光谱模块包括气路模块和光声信号激发与检测模块；

所述气路模块包括有依序相连的进气口、过滤器、第一三通气阀、进气阀、光声池、出气阀、气泵、定量管、第二三通气阀、氢气传感器以及出气口；

其中，所述光声池为圆柱型非共振式光声池，其内部的圆柱空间形成光声腔；

所述光声信号激发与检测模块包括有红外热辐射光源、斩波器、滤光模块、传声器、激光光源以及信号处理单元；

所述红外热辐射光源经斩波器强度调制后通过滤光模块沿轴向入射光声腔；

所述激光光源被信号处理单元调制后由光声池侧壁斜入射，并于光声腔的内壁上进行多次反射；

所述信号处理单元通过传声器以接收光声腔内产生的光声信号并对信号进行分析处理和输出；

所述光声信号激发与检测模块以及光声池均设置于恒温条件下。

进一步的，所述氢气传感器为半导体传感器。

进一步的，所述激光光源为DFB激光器；

所述DFB激光器通过波长为1.53um的光源对乙炔（C₂H₂）进行检测；

所述DFB激光器通过波长为1.65um的光源对甲烷（CH₄）进行检测。

进一步的，所述滤光模块包括有能够轮转切换的一号滤光片、二号滤光片、三号滤光片以及四号滤光片；

所述一号滤光片的中心波长以及带宽分别为3.37um和0.05um，用于检测乙烷（C₂H₆）；

所述二号滤光片的中心波长以及带宽分别为10.69um和0.74um，用于检测乙烯（C₂H₄）；

所述三号滤光片的中心波长以及带宽分别为4.27um和0.15um，用于检测二氧化碳（CO₂）；

所述四号滤光片的中心波长以及带宽分别为4.69um和0.17um，用于检测一氧化碳（CO）。

进一步的，所述传声器为驻极麦克风，所述光声信号激发与检测模块还集成有前置放大器和锁相放大模块，驻极麦克风、前置放大器、锁相放大模块与信号处理单元依次电连接。

进一步的，所述锁相放大模块为采用FPGA作为信号处理核心的双通道同步的数字锁相放大器。

进一步的，所述脱气模块采用真空脱气法对溶于油中的气体进行分离。

本发明还提供一种控模块基于检测出的溶解气体进行分析预警，具体包括如下步骤：

步骤1：收集同等条件下变压器油单故障数据集，数据集包括故障类型Y，故障类型下变压器油中出现的溶解气体X，以及溶解气体不同时间的浓度H的时间序列数据集，并分别标记各组数据首次确定故障的时间；

步骤2：构建故障类型Y，以及各故障类型下变压器油中出现的溶解气体X的映射关系；

步骤3：对于任一组Y和X的映射（yi；xi1，……，ximi），其中，i是组数，yi表示第i组故障类型，mi表示第i组故障类型所包含的溶解气体的个数，xi1表示第i组故障类型所包含的第一种溶解气体，ximi表示第i组故障类型所包含的第mi种溶解气体，分别计算各溶解气体首次确定故障时的浓度变化率，并基于浓度变化率大小进行排序，形成新的次序映射（yi；xi1’，……，ximi’），其中，xi1’表示第i组故障类型所包含的浓度变化率最大的溶解气体，xi_mi’表示第i组故障类型所包含的浓度变化率最小的溶解气体，浓度变化率越大，说明该故障类型与之关联性越大；

步骤4：基于主控模块收集到的溶解气体，通过映射关系找出所对应的映射组，映射组可以有一个或多个，并计算故障发生概率；

①当收集到的各种溶解气体包含在某一映射组（yi；xi₁，……，xi_mi）中所包含的溶解气体范围内时，将收集到的各种溶解气体按照该映射组中所包含的溶解气体的顺序重新排序，记为虚拟溶解气体组（xi₁’ ，……，xi_mi’），其中，如果某一溶解气体并不包含在映射组所包含的溶解气体范围内，直接将其浓度值记为0，则发生该映射组所对应的故障类型的概率计算公式为：

其中，P(yi)表示主控模块收集到的数据在故障类型为yi时的故障发生概率，min｛，｝表示取最小化函数，代表大括号内两个数值取其中的小值，xi_j表示第i组故障类型所包含的第j种溶解气体，j=1，2，……，mi，d(xij)表示第i组故障类型所包含的第j种溶解气体在首次确定故障时的浓度变化率，h(xi_j’)表示主控模块收集到的溶解气体xi_j’实际浓度，h(xi_j(t0))表示第i组故障类型所包含的第j种溶解气体在首次确定故障时的浓度；

②当收集到的各种溶解气体不能被任一映射组中溶解气体所完全包含时，

(1)首先计算收集到的溶解气体在各种故障类型对应的映射中的匹配度：

其中，F(j)表示收集到的溶解气体在第i组故障类型中的匹配度，n_u表示收集到的溶解气体与第i组故障类型中溶解气体相一致的溶解气体的个数，n(yi)表示第i组故障类型中溶解气体的总个数；

(2)对匹配度大于预设匹配度阈值的各组故障类型，分别按照①的方法计算故障发生概率；

步骤5：将故障发生率大于预设故障发生率阈值时，进行预警，并输出故障发生率。

优选的，步骤2中映射关系包括：

A、当同一故障类型各组数据所包含的溶解气体完全一致，则直接基于该故障类型和对应的溶解气体构建映射关系；

B、当同一故障类型各组数据所包含的溶解气体不完全一致，则映射关系为该故障类型和该故障类型下，各组数据所出现的所有溶解气体。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本发明基于光声光谱检测技术在线监测变压器，装置能按预设的周期连续在线检测出变压器油中溶解的H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6等特征气体和微水的含量和增长率；并通过故障诊断专家系统判断是否存在潜伏性故障及故障类型，可按设定的告警值进行报警，能通过IEC 61850通信协议或4G通信把每次检测结果及时上传到在线监测服务器，便于及时了解到变压器运行状态，为开展变压器状态检修提供有力的支持。

附图说明

图1是光声气体检测模块结构框图；

图2是滤光片+红外热辐射光源与DFB激光器组合入射图；

图3是数字锁相放大器结构图；

图4是双通道数字锁相放大器电路原理框图；

图5是不同光源强度时1ppm C2H2、1ppmCH4、1ppmC2H6、1ppmC2H4、1ppmCO和500ppmCO2六种气体的吸收光谱；

图6是混合气体吸收光谱；

图7是乙炔、甲烷分子在近红外波段的吸收谱线；其中(a)是乙炔分子在近红外波段的吸收谱线；(b)是甲烷分子在近红外波段的吸收谱线；

图8是乙烯、乙烷、一氧化碳、二氧化碳分子在中红外波段的吸收谱线；

图9是CH4、C2H2在H2O、CO2干扰下的谱线图；

图10是光声光谱模块工作主流程图；

图11是气体的光谱检测流程图；

图中标号为：101-进气口；102-过滤器；103-第一三通气阀；104-进气阀；105-光声池；106-出气阀；107-气泵；108-定量管；109-第二三通气阀；110-氢气传感器；111-出气口；201-红外热辐射光源；202-斩波器；203-滤光模块；204-传声器；205-激光光源；206-信号处理单元；207-氟化钡窗片。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本发明变压器油中溶解气体在线监测装置，包括户外智能柜、设置于户外智能柜内的脱气模块、主控模块、上位机模块以及光声光谱模块，各模块功能如下：

脱气模块：主要功能是从变压器本体取油，将油中特征气体脱出，将混合特征气体送入光声光谱模块；目前脱气主要有真空脱气法和动态顶空脱气法，因动态顶空脱气法存在将载气带入变压器本体的隐患，且真空脱气法综合性能最高，因此本方案采取真空脱气法，脱气模块在真空状态下脱出溶解在油中的气体，脱出的气体经过浓缩累加收集后送进光声光谱模块进行分析。

光声光谱模块：对油脱气模块脱出的混合特征气体中七种特征气体（H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆）的浓度进行检测，并把七种特征气体浓度结果数据通过RS485通讯输出给主控模块。

主控模块：用于对脱气模块发出取油、脱气指令；对光声光谱模块发出检测指令；对上位机模块发出特征气体浓度信号；对温度控制系统发出指令，维持各个功能模块温度恒定。

上位机模块：用于供运维人员在云端后台通过网页浏览方式查看数据，历史趋势、隐患分析和故障预测，以及对本在线监测装置发出操作指令。同时能够将主控模块发来的特征气体浓度信息进行直观显示，还能够供运维人员进行本地操作，上位机电脑采用网络通讯访问主控模块，采用B/S 方式web网页进行访问查看。

参照图1所示，所述光声光谱模块包括气路模块和光声信号激发与检测模块，气体光声光谱技术是一种间接吸收光谱测量方法，根据气体光声效应，通过光声池将吸收的光能转换为声压力波信号，再利用微音器对声波信号进行检测，进而测定气体的浓度。

参照图1所示，所述气路模块包括有依序相连的进气口101、过滤器102、第一三通气阀103、进气阀104、光声池105、出气阀106、气泵107、定量管108、第二三通气阀109、氢气传感器110以及出气口111；在检测之前首先对整个气路进行清洗。在这一阶段中，气泵107工作，第一三通气阀103和第二三通气阀109的中间端常开，A端接通，B端关闭，此时气路处于外循环模式。气泵107运送空气从进气口101进入，经过过滤器102、第一三通气阀103A端，第一三通气阀103中间端后经进气阀104、光声池105、出气阀106后清洗定量管108，再经第二三通气阀109中间端和A端、氢气传感器110后由出气口111排出，清洗过程持续约300s。这一步的目的是将光声光谱模块的气路初始化，为测量作准备。清洗完成后进入气体检测阶段，在这一阶段中，第一三通气阀103和第二三通气阀109中间端常开，A端关闭，B端接通，此时气路进入内循环阶段，气泵107工作，运送定量管108中的油溶解气经第二三通气阀109的中间端和B端、第一三通气阀103的B端和中间端后进入光声池105，并且分布于整个气路中。

参照图1所示，所述光声信号激发与检测模块包括有红外热辐射光源201、斩波器202、滤光模块203、传声器204、激光光源205以及信号处理单元206，激光光源205采用DFB激光器，因为红外热辐射光源201的光谱覆盖1μm-15μm波长范围，在此光谱范围内6种待测气体都存在较强的吸收谱线，所以本发明选择红外热辐射光源201作为中红外区的激励光源，在近红外区 DFB激光器作为探测近红外区甲烷CH₄与乙炔C₂H₂的激励光源；DFB激光器光源依次被调制成不同的波段然后入射光声池105，被池内特征气体C₂H₂或CH₄吸收，产生调制频率二倍频的光声信号，声波信号被传声器204所探测接收，经信号处理单元206采集采集二倍频光声信号，即二次谐波信号，结合波长调制-二次谐波检测技术（详见下文），依次实现对C₂H₂和CH₄的高精度测量。

所述滤光模块包括有能够轮转切换的一号滤光片、二号滤光片、三号滤光片以及四号滤光片，滤光片的作用是将红外热辐射光源的宽谱光过滤成对应于单一气体吸收带的窄带光，每种气体对应一个滤光片。红外热辐射光源经斩波器强度调制后被特定滤光片滤光，而后通过氟化钡窗片207进入光声池，被池内特征气体吸收，产生与调制信号相同频率的声波信号，声波信号被传声器所探测接收，经过信号处理单元分析处理后得到光声信号的详细信息；

在本方案中光声池采用圆柱型非共振式光声池，其内部的圆柱空间形成光声腔，由于光声光谱单元采用红外热辐射光源作为激励光源，红外光源发出的光较发散，光束直径较大，光线不可避免的会照射到光声池池壁上，若使用共振式光声池池壁吸收会引起较大的噪声干扰，因此光声光谱单元采用非共振式光声池。

另外，温度的变化对光声光谱系统的检测精度有很大的影响，一方面，温度变化会引起DFB激光器输出波长漂移，对检测结果产生影响。另一方面，温度变化对于光声效应的产生也有较大影响，因此，本方案中激光系统及光声池系统均置于恒温环境中，恒温系统受主控模块调控。

本方案中，采用滤光片+红外热辐射光源与DFB激光器相结合方式实现气体检测。其中，C₂H₂、CH₄气体检测采用DFB激光器方式，CO、CO₂、C₂H₄、C₂H₆气体检测采用滤光片+红外热辐射光源方式；本方案中红外热辐射光源发出的光从光声腔的轴向入射，而激光光源被选择从侧壁斜入射，形成侧壁多次反射提高吸收程，根据朗伯比尔定律，提高吸收程能够提高光声信号的强度，组合光源入射方案如图2所示。

关于氢气传感器的选择：

而对于氢气H₂由于无法应用光谱光源检测，本案优选半导体传感器进行检测，原因如下：

由于氢气是一种典型的对称双原子分子，其振动偶极矩为零，因此不存在红外吸收谱。光声光谱技术依托于气体分子红外吸收光谱，因此光声光谱技术很难实现对氢气的定量监测。

常用的氢气传感器主要包括电化学传感器和半导体传感器，电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。典型的电化学传感器由传感电极和反电极组成，并由一个薄电解层隔开。气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是疏水屏障层，最终到达电极表面，由于该过程中会产生电流，电化学传感器又常被称为电流气体传感器或微型燃料电池。电化学式气体传感器是依据气体的电化学氧化和还原的原理制备的，具有线性好和灵敏度高的优点，但存在交叉干扰大和寿命短（约1-2年）的问题，后期维护成本高，不适合用于在线监测。

因此本方案中选用半导体传感器测量氢气，半导体式气体传感器是依据金属氧化物半导体材料，氢气浓度越高，半导体材料的电导率越大，具有使用寿命长（超过10年）的显著优势。一般的氢气半导体传感器是以氧化物为气敏材料，比如最常见的SnO2为敏感材料。其工作原理是，当吸附氢气后，氢气释放出电子，与化学吸附层中的氧结合，造成载流子浓度的变化，而在半导体材料中的载流子浓度直接决定着半导体的导电能力，因此可以通过这一机理反演氢气的浓度。半导体传感器具有响应速度快，寿命长的优势。

关于传声器的选择：

光声光谱技术通过检测因光声效应产生的压力信号来反演气体浓度。当油中溶解气的浓度过低时，根据比尔-朗伯定律，气体分子吸收的光能也很弱，产生的光声信号强度也很弱，必须使用对声压敏感的高灵敏度传声器来检测。因此，微音器的选择决定光声光谱DGA监测系统的精度。首先，对传声器的选择，应考虑其具有高灵敏度，以获得尽可能大的电信号输出；同时考虑选择的传声器在所感兴趣的检测频率范围内，具有平坦的幅值响应和线性的相位响应；另外考虑传声器具有较低的噪声。在本方案中采用驻极体麦克风作为声波接收装置，其在音频波段具有平坦的频响曲线，所选Type 4189型驻极麦克风的灵敏度达到50mV/Pa，频率覆盖范围从10Hz-20kHz。

光声信号激发与检测模块还集成有前置放大器和锁相放大模块，驻极麦克风、前置放大器、锁相放大模块与信号处理单元依次电连接。

实际测量中，变压器油中故障气体产生的光声信号不仅非常弱小，而且受到背景噪声的影响。因此，能否从噪声中有效的提取出光声信号直接决定气体的检测极限。锁相放大模块集成信号通道、参考通道、相敏检测器和低通滤波器等。信号通道由低噪声前置放大器、滤光器和宽带放大器等部分组成。主要作用是将输入的正弦信号，交流放大到足以推动相敏检测器的电平，并且滤除部分噪声，提高相敏检测的动态范围；参考通道的主要作用是对参考输入进行放大或衰减，为相敏检测提供一个适合幅度的与被测信号频率相关（同步）的信号；相敏检测器又称相关解调器，是锁相放大器的核心单元。基于互相关检测原理，利用噪声信号与周期信号不存在相关性的特点，通过直接计算待检信号与参考信号在零点的相关值来抑制噪声并提取有效信号。

本发明基于互相关算法的双通道FPGA数字锁相放大模块，用于提取出微弱光声信号中的二次谐波分量，提高检测信噪比。采用FPGA数字锁相作为信号处理的核心，用于光声信号中基频和二次谐波信号的提取。数字锁相放大器主要由参考信号、信号放大器、模数转换器（ADC）、相敏检波器（PSD）和低通滤波器组成，其中PSD是锁相放大器的核心。为了准确地测得振幅，在锁相内部还设计有另一个正交的PSD。图3是数字锁相放大器的结构图。在基于FPGA的硬件设计方面光声光谱模块设计了双通道同步的数字锁相放大器，图4是设计的双通道同步数字锁相放大器电路原理框图。

双通道同步数字锁相放大器主要由双通道模拟输入信号电路、外部参考锁相环电路、FPGA电路和通信电路组成。电路的PCB设计需要保证模拟电路部分特别是弱信号部分具有较强的抗干扰能力，以及数字电路部分具有较好的信号完整性。模拟输入信号电路包括前置放大电路、陷波器、主放大器、抗混叠电路和模数转换器。前置放大电路和主放大电路的设计关键是需要选择电压噪声较小的运算放大器，并且选择的运算放大器要保证具有足够的增益带宽。同时，主放大器的放大倍数可通过FPGA设置，满足不同检测灵敏度的需要。为了滤除由共模干扰等引入的工频干扰，提高测量的动态范围，设计了可选择使用的50Hz陷波滤波器。抗混叠电路是为了满足采样定理，防止高频的噪声产生混叠效应，提高检测的信噪改善比。为了保证信号处理的同步性，各个模拟输入信号通道的电路设计参数相同。模数转换器的性能影响着锁相放大器的动态储备、高次谐波抑制能力等关键技术指标。当放大电路的放大倍数较低时，ADC产生的噪声将成为噪声的主要来源之一。在多通道同步检测中，通常需要多个ADC，但是，多通道同步采样集成的ADC具有成本和体积优势。在本设计中，选择了低噪声、高性能6通道同步采样的16位模数转换器，通道隔离度大于80 dB。外部参考电路主要由锁相环（PLL)和FPGA组成。PLL由鉴相器、低通滤波器和压控振荡器三部分组成，是整个锁相电路的核心电路之一。FPGA主要实现一个分频器的功能。设计的外部参考电路的输入频率范围为10Hz-50kHz。高性能的锁相放大器要求锁相环电路具有极低的相位噪声，因此，PLL部分需要采取电源单独供电等降噪措施。单片的FPGA芯片可替代传统锁相放大器的许多芯片和电路。有效的节省了电路板的面积、简化了电路设计的复杂程度。FPGA芯片的选择需要保证集成有足够的硬件乘法器、SRAM存储资源等。

关于滤光片中心波长和带宽的选择：

对于甲烷（CH₄）和乙炔（C₂H₂）气体，可以采用近红外DFB激光器作为光声信号激发光源，而另外四种气体需要提供中红外波段激发光源。常见的中红外激光器有量子级联激光器和带间级联激光器，其售价非常高，会显著提升本方案的成本。因此本方案采用DFB激光器与红外热辐射光源结合的双光源光声信号激发结构。

变压器故障气体的光声光谱定量分析需要测量其在特定谱线位置的能量吸收，由于使用的是宽带光源，因此要测量某种气体成分的特定谱线吸收需要配合使用带通滤光片来实现。

由于非共振光声系统的光声信号幅度正比于入射光功率和气体吸收系数，而红外热辐射光源的光功率同样与波长λ有关。因此在选择合适的滤光片时，同时需要考虑到光源强度的影响。对于红外热辐射光源来说，可以近似看作为黑体辐射，辐射光谱及强度主要取决于辐射体的温度和体积，根据普朗克黑体辐射定律，黑体辐射光强度T与电磁辐射波长的关系为：

其中，h是普朗克常数，大小为6.626×10^-34J.s，c为真空中的光速，大小为3×10⁸m.s^-1，k为玻尔兹曼常数，大小为1.38×10^-23J.K^-1。

在选择滤光片时，除了考虑上面提到的光源强度和气体吸收系数的影响之外，气体浓度的影响也非常重要。以CO₂气体和C₂H₂气体为例，如图5中(a)和 (f)所示，若选择C₂H₂气体滤光片的中心波长在7.5μm，可以发现当两者浓度相同时，C₂H₂气体的吸收系数是CO₂的三个数量级左右，因此CO₂对于C₂H₂的干扰可以忽略不计。但是如果CO₂浓度是C₂H₂的10⁴倍，此时CO₂的吸收系数会相应的扩大10⁴倍，此时CO₂会对C₂H₂产生极大的干扰。所以在选择滤光片时要根据气体检测的实际情况来分析。在对变压器绝缘油中溶解气体进行检测时，基于电容式微音器的光声光谱分析仪因油气分离得到的混合气体中除了特征气体之外还有空气中的CO₂和H₂O等，因此脱出的气体中CO₂和H₂O的浓度会比较高。在选择滤光片时，需要考虑到这两种高浓度气体带来的影响。

综合考虑气体吸收系数、光强分布和气体浓度三个参数，画出纵坐标为I*C*的光谱图，如图5所示。此时C₂H₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄和CO的浓度分别为1ppm，CO₂的浓度为接近实际情况下的500ppm。将几种特征气体的光谱和水的光谱画到一张图里，H₂O的浓度为接近实际情况的5000ppm，如图6所示。从图中可以更加直接直观的发现CO₂和H₂O的吸收谱线几乎覆盖整个红外光谱区，因此能否消除水的干扰是检验光声DGA监测系统测量精度和主要性能的一个关键判断指标。

根据图6，本着尽量减小气体之间的交叉干扰的原则，下面给出了几种滤光片的中心波长λ _cen 和带宽d的设计参数，如表1-1所示。

表1-1 滤光片中心波长和带宽的选择

抑制气体交叉干扰的补偿算法设计：

为了抑制各个气体之间存在的光谱吸收干扰问题，通过多次测量的光声信号值对多元方程组进行求解，反演出各种待测气体的准确浓度值。

由上节可知，测量的中红外区域气体存在明显的吸收光谱重叠现象，在多组分测量中需要考虑交叉干扰的影响。实际测量中一般以空气作为背景气体，因此有必要将高浓度的CO₂和H₂O产生的干扰考虑在内。另一方面，测量气体中如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等碳氢化合物分子之间具有相似的碳氢键结构，导致测量产生严重的谱线重叠现象，然而在痕量气体检测中碳氢化合物气体浓度通常较低（低于100ppm），干扰可以忽略不计，最终可以得到多种气体浓度的计算公式：

式中，C_x代表对应各个气体的浓度；V _x代表在中红外区对应气体通过滤光片测得的电压；B _x代表各气体的背景噪声；R_x代表各气体的响应度。通过上述公式，可以推演出抑制测量环境中以水、二氧化碳为主的气体交叉干扰算法。

关于DFB激光光源波长选择：

本方案中采用的光声池是圆柱管，管的内腔作为光声腔。当其工作在非共振模式下时，管内光声信号的幅值可以由式(2-2)表示：

其中，r是圆柱管的内径，f是光声系统的工作频率，α是气体分子吸收系数，γ是热容比，P ₀是光声信号激发光的功率，τ(r)是热阻尼时间。从式中可以看出，光声信号的幅值与气体分子吸收系数α成正比。也就是说，合理的气体分子吸收谱线选择可以提高光声气体系统的检测精度。

图7中(a)和(b)分别给出乙炔、甲烷分子在近红外波段的吸收谱线，图8给出乙烯、乙烷、一氧化碳、二氧化碳分子在中红外波段的吸收谱线。

从图7和图8中可以看到，最终甲烷吸收线选择在1650.96 nm，乙炔吸收线考虑到避免二氧化碳和水气的干扰，选择在1532.83 nm。乙烷的吸收线选择在3.3 μm附近，二氧化碳吸收线选择在4.3 μm附近，一氧化碳吸收线选择在4.6 μm附近，乙烯吸收线选择在10.5μm附近。

为了减少气体交叉干扰的影响，系统在近红外区通过DFB激光器作为激励源，实现甲烷与乙炔分别在1.65μm，1.53μm处中心波长的谱线选择。通过HITRAN进行谱线的下载，最终得到谱线如图9所示。

光声光谱单元分别使用了波长为1532.83nm、1650.96nm的连续波长DFB（PL-DFB-1530、PL-DFB-1650）激光器作为测量CH₄、C₂H₂的激励源。

关于波长调制-二次谐波检测技术：

利用波长调制-二次谐波技术测量CH4和C2H2，可有效地降低光声池壁和窗口等固体吸收产生的基频光声信号，消除背景吸收的干扰，从而大幅度提高检测灵敏度。

在激光光声光谱技术中，激光器可以通过将直流分量与余弦波信号结合对激光进行波长调制。当激光器驱动电流的调制频率等于共振管的声学本征函数时，光声池工作于共振模式，检测到的光声信号的电压可表示为：

式中，α(v)为气体分子在选择波长下的吸收系数；P ₀为光声激发光的功率；R为传声器灵敏度；C为待测气体浓度；F为共振光声池池常数。F可表示为：

式中，γ为气体的热容比；V _c为光声池的体积；v为声速；Q为品质因数；L _eff为共振管的有效长度。通过上式可知，增大池常数可以提高光声池信号的强度。

此外，不同气体的吸收系数α(v)与气体分子吸收截面、气体特征谱线的强度、压强与温度等参数都有关系，展开公式如下：

式中，S(T)为气体分子在不同温度下吸收谱线的强度，σ(ν)为气体分子在激光频率为时的光学吸收截面，N为气体分子数密度。在常温常压下，线型函数g(v，v ₀)可以近似为洛伦兹线型，可表示为：

式中，v(t)为调制后输出激光的波数；ν ₀为气体吸收线中心波数；Δv _line 是吸收谱线的半高半宽；x _c =(v _c -v ₀)/Δv _line 是激光输出波数与气体吸收中心处的波数的无量纲偏差，其中v _c 是输出激光波数的直流分量；m=Δv/Δv _line 是无量纲调制系数，其中Δv是输出激光波数的余弦信号幅度；ω是激光调制频率。对g(v，v ₀)进行傅里叶级数展开：

其中，H _n (m，x _c )是谐波系数。二次谐波系数可以表示为：

式中，为了方便表示，记 M=1-x ² _c +m ²，R=(M ² +4·x ² _c )^0.5。此时，检测到的光声信号二次谐波幅值可以表示为：

工作原理：光声光谱模块工作主流程如图10所示，并结合图1内容，开始测量之后，系统将分两步进行。首先是清洗气路阶段，打开进气阀、打开出气阀、两个三通气阀自由端均连接A端，气路形成外循环模式。打开气泵，空气进入气路循环清洗气路，清洗过程持续约300s。清洗完成后关闭气泵，此时需等待定量管采气完成。等待采气完成，三通气阀切换至B端，此时气路形成内循环模式。打开气泵，样气被抽送至充满整个内循环气路，持续时间约120s。此时打开激光器、红外热辐射光源，对光声池内气体进行测量，读取测量结果，并且进行下一个测量循环。

接着进行七种特征气体的测量，七种特征气体的光谱检测流程如图11所示，首先测量氢气，FPGA控制模数转换器读取氢气传感器的输出值，测量时间约20s；然后打开1532nm DFB激光器，FPGA将波长调制信号发送给激光器驱动电路，结合波长调制-二次谐波检测技术，实现对乙炔（C₂H₂）气体的高精度测量，测量结束后关闭1532nm DFB激光器，测量时间约30s；之后打开1650nm DFB激光器，FPGA将波长调制信号发送给激光器驱动电路，结合波长调制-二次谐波检测技术，实现对甲烷（CH₄）气体的高精度测量，测量结束后关闭1650nm DFB激光器，测量时间约30s；之后打开红外热辐射光源并打开斩波器，预热时间约20s；之后主控模块控制滤光模块将滤光片切换到一号滤光片位置，利用强制调制技术对乙烷（C₂H₆）进行测量，测量时间约20s；之后滤光模块将滤光片切换到二号滤光片位置，利用强制调制技术对乙烯（C₂H₄）进行测量，测量时间约20s；之后滤光模块将滤光片切换到三号滤光片位置，利用强制调制技术对二氧化碳（CO₂）进行测量，测量时间约20s；之后滤光模块将滤光片切换到四号滤光片位置，利用强制调制技术对一氧化碳（CO）进行测量，测量时间约20s；最后，FPGA对采集的光声信号进行处理并将结果发送给主控模块。

实施例2

本发明还提供一种控模块基于检测出的溶解气体进行分析预警，具体包括如下步骤：

步骤1：收集同等条件下变压器油单故障数据集，数据集包括故障类型Y，故障类型下变压器油中出现的溶解气体X，以及溶解气体不同时间的浓度H的时间序列数据集，并分别标记各组数据首次确定故障的时间；

检测气体包括七种特征气体（H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆）；

步骤2：构建故障类型Y，以及各故障类型下变压器油中出现的溶解气体X的映射关系；

步骤3：对于任一组Y和X的映射（yi；xi1，……，ximi），其中，i是组数，yi表示第i组故障类型，mi表示第i组故障类型所包含的溶解气体的个数，xi1表示第i组故障类型所包含的第一种溶解气体，ximi表示第i组故障类型所包含的第mi种溶解气体，分别计算各溶解气体首次确定故障时的浓度变化率，并基于浓度变化率大小进行排序，形成新的次序映射（yi；xi1’，……，ximi’），其中，xi1’表示第i组故障类型所包含的浓度变化率最大的溶解气体，ximi’表示第i组故障类型所包含的浓度变化率最小的溶解气体，浓度变化率越大，说明该故障类型与之关联性越大；

步骤4：基于主控模块收集到的溶解气体，通过映射关系找出所对应的映射组，映射组可以有一个或多个，并计算故障发生概率；

当收集到的各种溶解气体包含在某一映射组（yi；xi1，……，ximi）中所包含的溶解气体范围内时，将收集到的各种溶解气体按照该映射组中所包含的溶解气体的顺序重新排序，记为虚拟溶解气体组（xi1’，……，ximi’），其中，如果某一溶解气体并不包含在映射组所包含的溶解气体范围内，直接将其浓度值记为0，则发生该映射组所对应的故障类型的概率计算公式为：

其中，P(yi)表示主控模块收集到的数据在故障类型为yi时的故障发生概率，min｛，｝表示取最小化函数，代表大括号内两个数值取其中的小值，xi_j表示第i组故障类型所包含的第j种溶解气体，j=1，2，……，mi，d(xij)表示第i组故障类型所包含的第j种溶解气体在首次确定故障时的浓度变化率，h(xij’)表示主控模块收集到的溶解气体xij’实际浓度，h(xij(t0))表示第i组故障类型所包含的第j种溶解气体在首次确定故障时的浓度；

③当收集到的各种溶解气体不能被任一映射组中溶解气体所完全包含时，

(3) 首先计算收集到的溶解气体在各种故障类型对应的映射中的匹配度：

其中，F(j)表示收集到的溶解气体在第i组故障类型中的匹配度，n_u表示收集到的溶解气体与第i组故障类型中溶解气体相一致的溶解气体的个数，n(yi)表示第i组故障类型中溶解气体的总个数；

(4)对匹配度大于预设匹配度阈值的各组故障类型，预设匹配度阈值通常取50%-70%，分别按照①的方法计算故障发生概率；

步骤5：将故障发生率大于预设故障发生率阈值时，预设故障发生率阈值通常取50%-60%，进行预警，并输出故障发生率。

优选的，步骤2中映射关系包括：

A、当同一故障类型各组数据所包含的溶解气体完全一致，则直接基于该故障类型和对应的溶解气体构建映射关系；

B、当同一故障类型各组数据所包含的溶解气体不完全一致，则映射关系为该故障类型和该故障类型下，各组数据所出现的所有溶解气体。

以上实施例仅表达了本发明的一种或几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.变压器油中溶解气体在线监测装置，包括户外智能柜、设置于户外智能柜内的脱气模块和主控模块，其特征在于，还包括有设置于户外智能柜中的光声光谱模块，所述光声光谱模块包括气路模块和光声信号激发与检测模块；

所述气路模块包括有依序相连的进气口（101）、过滤器（102）、第一三通气阀（103）、进气阀（104）、光声池（105）、出气阀（106）、气泵（107）、定量管（108）、第二三通气阀（109）、氢气传感器（110）以及出气口（111）；

其中，所述光声池（105）为圆柱型非共振式光声池，其内部的圆柱空间形成光声腔；

所述光声信号激发与检测模块包括有红外热辐射光源（201）、斩波器（202）、滤光模块（203）、传声器（204）、激光光源（205）以及信号处理单元（206）；

所述红外热辐射光源（201）通过滤光模块（203）沿轴向入射光声腔，所述激光光源（205）由光声池（105）侧壁斜入射，并于光声腔的内壁上进行多次反射提高吸收程；

所述信号处理单元（206）通过传声器（204）以接收光声腔内产生的光声信号并对信号进行分析处理和输出；

所述光声信号激发与检测模块以及光声池（105）均设置于恒温条件下。

2.根据权利要求1所述的变压器油中溶解气体在线监测装置，其特征在于，所述氢气传感器（110）为半导体传感器。

3.根据权利要求1所述的变压器油中溶解气体在线监测装置，其特征在于，所述激光光源（205）为DFB激光器；

所述DFB激光器通过波长为1.53um的光源对乙炔（C₂H₂）进行检测；

所述DFB激光器通过波长为1.65um的光源对甲烷（CH₄）进行检测。

4.根据权利要求1所述的变压器油中溶解气体在线监测装置，其特征在于，所述滤光模块（203）包括有能够轮转切换的一号滤光片、二号滤光片、三号滤光片以及四号滤光片；

所述一号滤光片的中心波长以及带宽分别为3.37um和0.05um，用于检测乙烷（C₂H₆）；

所述二号滤光片的中心波长以及带宽分别为10.69um和0.74um，用于检测乙烯（C₂H₄）；

所述三号滤光片的中心波长以及带宽分别为4.27um和0.15um，用于检测二氧化碳（CO₂）；

所述四号滤光片的中心波长以及带宽分别为4.69um和0.17um，用于检测一氧化碳（CO）。

5.根据权利要求1所述的变压器油中溶解气体在线监测装置，其特征在于，所述传声器（204）为驻极麦克风，所述光声信号激发与检测模块还集成有前置放大器和锁相放大模块，驻极麦克风、前置放大器、锁相放大模块与信号处理单元（206）依次电连接。

6.根据权利要求5所述的变压器油中溶解气体在线监测装置，其特征在于，所述锁相放大模块为采用FPGA作为信号处理核心的双通道同步的数字锁相放大器。

7.根据权利要求1所述的变压器油中溶解气体在线监测装置，其特征在于，所述脱气模块采用真空脱气法对溶于油中的气体进行分离。

8.根据权利要求1所述的变压器油中溶解气体在线监测装置，其特征在于，主控模块基于检测出的溶解气体进行分析预警，具体包括如下步骤：

步骤1：收集同等条件下变压器油单故障数据集，数据集包括故障类型Y，故障类型下变压器油中出现的溶解气体X，以及溶解气体不同时间的浓度H的时间序列数据集，并分别标记各组数据首次确定故障的时间；

步骤2：构建故障类型Y，以及各故障类型下变压器油中出现的溶解气体X的映射关系；

步骤3：对于任一组Y和X的映射（yi；xi1，……，ximi），其中，i是组数，yi表示第i组故障类型，mi表示第i组故障类型所包含的溶解气体的个数，xi1表示第i组故障类型所包含的第一种溶解气体，ximi表示第i组故障类型所包含的第mi种溶解气体，分别计算各溶解气体首次确定故障时的浓度变化率；

步骤4：基于主控模块收集到的溶解气体，通过映射关系找出所对应的映射组，映射组可以有一个或多个，并计算故障发生概率；

当收集到的各种溶解气体包含在某一映射组（yi；xi1，……，ximi）中所包含的溶解气体范围内时，将收集到的各种溶解气体按照该映射组中所包含的溶解气体的顺序重新排序，记为虚拟溶解气体组（xi1’，……，ximi’），其中，如果某一溶解气体并不包含在映射组所包含的溶解气体范围内，直接将其浓度值记为0，则发生该映射组所对应的故障类型的概率计算公式为：

其中，P(yi)表示主控模块收集到的数据在故障类型为yi时的故障发生概率，min｛，｝表示取最小化函数，代表大括号内两个数值取其中的小值，xi_j表示第i组故障类型所包含的第j种溶解气体，j=1，2，……，mi，d(xi_j)表示第i组故障类型所包含的第j种溶解气体在首次确定故障时的浓度变化率，h(xi_j’)表示主控模块收集到的溶解气体xi_j’实际浓度，h(xi_j(t0))表示第i组故障类型所包含的第j种溶解气体在首次确定故障时的浓度；

当收集到的各种溶解气体不能被任一映射组中溶解气体所完全包含时，

首先计算收集到的溶解气体在各种故障类型对应的映射中的匹配度：

其中，F(j)表示收集到的溶解气体在第i组故障类型中的匹配度，n_u表示收集到的溶解气体与第i组故障类型中溶解气体相一致的溶解气体的个数，n(yi)表示第i组故障类型中溶解气体的总个数；

对匹配度大于预设匹配度阈值的各组故障类型，分别按照①的方法计算故障发生概率；

步骤5：将故障发生率大于预设故障发生率阈值时，进行预警，并输出故障发生率。

9.根据权利要求8所述的变压器油中溶解气体在线监测装置，其特征在于，

步骤2中映射关系包括：

A、当同一故障类型各组数据所包含的溶解气体完全一致，则直接基于该故障类型和对应的溶解气体构建映射关系；

B、当同一故障类型各组数据所包含的溶解气体不完全一致，则映射关系为该故障类型和该故障类型下，各组数据所出现的所有溶解气体。

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