CN115979965B - 一种载波耦合的变压器油气光声光谱检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于变压器故障气体检测技术领域，提供一种载波耦合的变压器油气光声光谱检测系统及方法，所述方法包括：设置脉冲激光发生器的脉冲激光频率照射至光声池内，然后采集压力波数据。如果压力波强度大于或等于强度阈值，则直接将压力波强度换算成气体浓度；否则，设置压力波发生器发出设置频率和强度的载波，连续调节载波相位并监测采集到的压力波强度，记录最大值和最小值，最后计算气体真实压力波强度。本发明以同频载波形式将载波耦合至光声池内，为检测低浓度故障气体提供了一种有效的解决方案，载波耦合的形式可以形成压力波的放大效果，使得测量的结果更为准确。

Description

一种载波耦合的变压器油气光声光谱检测系统及方法

技术领域

本发明属于变压器故障气体检测技术领域，尤其涉及一种载波耦合的变压器油气光声光谱检测系统及方法。

背景技术

目前广泛采用的油浸式变压器，当内部发生热故障、放电性故障或者油、纸老化时，会产生多种气体，主要有氢、烃类气体(甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯等)，一氧化碳、二氧化碳等。随着故障的发展，分解出的这些气体形成的气泡在油里经过对流、扩散，不断溶解于油中。由于故障气体的组成和含量与故障的类型和故障的严重性有密切关系，不同类型的气体及其浓度可以反映不同类型的故障，所以分析溶解于变压器油中的气体就能及早发现变压器内部存在的潜伏性故障，并随时掌握故障的发展情况。准确地了解充油电气设备的运行状态对所有电力部门来说均至关重要，油中溶解气体分析(DGA)是业内公认预防充油电气设备早期故障最为有效的方法之一，有助于变压器维护并避免突发性故障的发生。

检测变压器油中溶解气体含量比较成熟的是气相色谱法，它在变压器中应用很普遍，但其试验环节多、操作手续繁琐、检测周期长，不能及时快速的反映变压器的故障。针对此现象，又衍生出了光声光谱检测方案。

光声光谱的变压器绝缘油故障气体检测系统一般包括光声池、油气分离装置、脉冲激光发生器、压力波传感器，以及用于处理压力波强度的数据处理单元。油气分离装置内置有进油泵、脱气罐、气泵，进油泵从变压器中抽取变压油，通过脱气罐分离出其中的故障气体，故障气体通过气泵注入至光声池中，待稳定后，启动脉冲激光发生器发射一定频率的脉冲激光照射光声池内气体，气体吸收脉冲光辐射后温度上升，温升将导致光声池内气体压力升高，会产生与脉冲光频率相同的压力波动，而压力波强度和气体浓度相关，因此数据处理单元通过检测压力波的强度变化就可以反向得到光声池内的气体浓度。

虽然辐射产生的压力波的频率与脉冲激光一致，理论上压力波传感器可以检测到任意幅度变化的压力波，然而受限于压力波传感器的数据采集能力，压力波传感器只有一个最佳传感区间，在最佳传感区间外输出的压力波数据存在明显误差，也有可能直接无法输出数据。所以目前一般，针对低浓度的故障气体，结果仅显示正常，不显示具体浓度，不利于变压器运行健康监测和预测。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种载波耦合的变压器油气光声光谱检测系统及方法，旨在解决现有光声光谱检测在特殊情况下检测不准确的技术问题。

一方面，所述载波耦合的变压器油气光声光谱检测系统包括光声池以及与光声池连接的油气分离装置、脉冲激光发生器，所述光声池设有压力波传感器，所述压力波传感器连接有数据处理单元，其特征在于，所述检测系统还包括控制器、压力波发生器和载波耦合器，所述控制器、压力波发生器、载波耦合器和光声池顺次连接，所述脉冲激光发生器和数据处理单元还连接至所述控制器；

所述控制器用于设置脉冲激光发生器的脉冲激光频率，以及设置压力波发生器发出设置频率和强度的载波，并将载波参数发送至数据处理单元；

所述压力波发生器用于在控制器的控制下生成载波；

所述载波耦合器用于将载波耦合至光声池；

所述数据处理单元用于根据压力波传感器的输出数据以及载波参数计算出故障气体真实压力波强度，最后换算成故障气体浓度。

另一方面，所述载波耦合的变压器油气光声光谱检测方法，包括下述步骤：

步骤S1、油气分离装置通过取油管从变压器中在线抽取绝缘油，并进行油气分离；

步骤S2、将分离后的气体注入至光声池中并稳定；

步骤S3、控制器设置脉冲激光发生器的脉冲激光频率；

步骤S4、脉冲激光发生器按照设置的频率发出脉冲激光照射至光声池内；

步骤S5、数据处理单元通过压力波传感器采集光声池内压力波数据；

步骤S6、如果压力波强度大于或等于强度阈值，则直接将压力波强度换算成气体浓度；

步骤S7、如果压力波强度小于强度阈值，则设置压力波发生器发出设置频率和强度的载波，并将载波参数发送至数据处理单元，其中载波频率与脉冲激光频率一致；

步骤S8、连续调节载波相位并监测采集到的压力波强度，记录最大值和最小值，最后计算气体真实压力波强度；

步骤S9、将气体真实压力波强度换算成故障气体浓度。

本发明的有益效果是：本发明以同频载波形式将载波耦合至光声池内，为检测低浓度故障气体提供了一种有效的解决方案，载波耦合的形式可以形成压力波的放大效果，可以通过检测耦合后的压力波的强度来反向计算气体真实压力波强度，由于耦合后的压力波强度在传感器的最佳传感区间内，使得测量的结果更为准确，可以避免因气体浓度较低传感器检测误差较大的技术问题。

附图说明

图1是本发明第实施例提供的载波耦合的变压器油气光声光谱检测系统的原理图；

图2是本发明第实施例提供的载波耦合的变压器油气光声光谱检测方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

图1示出了本发明实施例提供的载波耦合的变压器油气光声光谱检测系统的结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

如图1所示，本实施例提供的载波耦合的变压器油气光声光谱检测系统包括光声池以及与光声池连接的油气分离装置、脉冲激光发生器，所述光声池设有压力波传感器，所述压力波传感器连接有数据处理单元，其特征在于，所述检测系统还包括控制器、压力波发生器和载波耦合器，所述控制器、压力波发生器、载波耦合器和光声池顺次连接，所述脉冲激光发生器和数据处理单元还连接至所述控制器；

所述控制器用于设置脉冲激光发生器的脉冲激光频率，以及设置压力波发生器发出设置频率和强度的载波，并将载波参数发送至数据处理单元；

所述压力波发生器用于在控制器的控制下生成载波；

所述载波耦合器用于将载波耦合至光声池；

所述数据处理单元用于根据压力波传感器的输出数据以及载波参数计算出故障气体真实压力波强度，最后换算成故障气体浓度。

本系统的发明点在于控制器、压力波发生器、载波耦合器以及数据处理单元的计算方式。正常工作下，油气分离装置的进油泵从变压器中抽取变压油，通过脱气罐分离出其中的故障气体，故障气体通过气泵注入至光声池中，待稳定后，启动脉冲激光发生器发射一定频率的脉冲激光照射光声池内气体，气体吸收脉冲光辐射后温度上升，会产生与脉冲光频率相同的压力波动，而压力波强度和气体浓度相关，最终数据处理单元通过检测压力波的强度变化就可以反向得到光声池内的气体浓度。一般情况下，如果故障提起浓度较低，常规操作是直接输出油气正常的提示，但是不能定量显示出其中的故障气体含量，还是存在风险，也不能均提示正常的变压器之间的健康程度做以区分。因此，本结构中，光声池增加耦合入口，压力波发生器在控制器的控制下生成载波，载波耦合至光声池内进行叠加，形成压力波放大效果，最后根据压力波传感器的输出数据以及载波参数计算出故障气体真实压力波强度，最后换算成故障气体浓度。

基于上述结构，本实施例还提供了一种载波耦合的变压器油气光声光谱检测方法，如图2所示，包括下述步骤：

步骤S1、油气分离装置通过取油管从变压器中在线抽取绝缘油，并进行油气分离。

油气分离装置的结构前述已有说明，这里不赘述。

步骤S2、将分离后的气体注入至光声池中并稳定。

分离后的故障气体送入至光声池中并静待一段时间使得气体稳定分布。

步骤S3、控制器设置脉冲激光发生器的脉冲激光频率。

脉冲激光发生器的脉冲激光频率由控制器设置，一般有默认值，无需特意设定。

步骤S4、脉冲激光发生器按照设置的频率发出脉冲激光照射至光声池内。

步骤S5、数据处理单元通过压力波传感器采集光声池内压力波数据。

脉冲激光照射光声池，脉冲激光为单束光，稳定性好，照射到密封于光声池中的气体上，气体吸收光能，并以释放热能的方式退激。释放的热能使气体按脉冲激光的入射频率产生周期性压力波动，压力波动用压力波传感器检测，数据处理单元通过一系列计算处理即可得到激发的压力波强度。

步骤S6、如果压力波强度大于或等于强度阈值，则直接将压力波强度换算成气体浓度。

在正常情况下，压力波传感器有最佳传感器范围。需要说明的是，最佳传感范围不是传感器的检测下限。本步骤设置的强度阈值要大于传感器的检测下限。当压力波强度大于或等于强度阈值时，此时传感器的检测数据可认为是准确度很高，可直接将检测到的接压力波强度换算成气体浓度。

步骤S7、如果压力波强度小于强度阈值，则设置压力波发生器发出设置频率和强度的载波，并将载波参数发送至数据处理单元，其中载波频率与脉冲激光频率一致。

反之，如果压力波强度小于强度阈值，可认为此时的压力波强度相对不准确，需要耦合载波。

具体操作时，设置压力波发生器输出载波的频率的强度，频率与脉冲激光频率一致，强度不做特殊要求，在传感器的最佳传感范围内即可。比如设置的载波强度不小于强度阈值的5倍。

步骤S8、连续调节载波相位并监测采集到的压力波强度，记录最大值和最小值，最后计算气体真实压力波强度。

虽然载波频率与压力波一致，但是相位是不一致的，载波和压力波叠加后，有可能产生叠加效果，也有可能产生抵消效果。本步骤通过连续调整载波相位，通过监测在不同相位下的压力波强度，来计算气体真实压力波强度。

实际相位调整中，当载波与压力波同相位时，此时叠加的压力波强度有最大值，当载波与压力波同相位反相位时，压力波强度有最小值，记录的压力波强度最大值为Rmax，最小值为Rmin。

假设气体真实压力波强度为R0，载波强度为R1，则有：

Rmax＝R0+R1

Rmin＝R1-R0

将两式相减，即可得到气体真实压力波强度R＝(Rmax-Rmin)/2。

进一步作为一种优选方式，在计算得到R后，将相位调回至压力波强度最小值的相位上，将载波强度调整至R，如果此时数据处理单元采集到的压力波强度接近0(只要小于一个设定值即可认为是接近0)，说明载波与压力波相位相反，强度一直，正好完全抵消。则可判定气体真实压力波强度的计算结果R是正确的，否则输出告警，提示数据可能存在问题。

步骤S9、将气体真实压力波强度换算成故障气体浓度。

综上，本发明以同频载波形式将载波耦合至光声池内，为检测低浓度故障气体提供了一种有效的解决方案，载波耦合的形式可以形成压力波的放大效果，使得测量的结果更为准确。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种载波耦合的变压器油气光声光谱检测系统,包括光声池以及与光声池连接的油气分离装置、脉冲激光发生器，所述光声池设有压力波传感器，所述压力波传感器连接有数据处理单元，其特征在于，所述检测系统还包括控制器、压力波发生器和载波耦合器，所述控制器、压力波发生器、载波耦合器和光声池顺次连接，所述脉冲激光发生器和数据处理单元还连接至所述控制器；

所述控制器用于设置脉冲激光发生器的脉冲激光频率，以及设置压力波发生器发出设置频率和强度的载波，并将载波参数发送至数据处理单元；

所述压力波发生器用于在控制器的控制下生成载波；

所述载波耦合器用于将载波耦合至光声池；

所述数据处理单元用于根据压力波传感器的输出数据以及载波参数计算出故障气体真实压力波强度，最后换算成故障气体浓度。

2.一种载波耦合的变压器油气光声光谱检测方法，其特征在于，所述检测方法包括下述步骤：

步骤S1、油气分离装置通过取油管从变压器中在线抽取绝缘油，并进行油气分离；

步骤S2、将分离后的气体注入至光声池中并稳定；

步骤S3、控制器设置脉冲激光发生器的脉冲激光频率；

步骤S4、脉冲激光发生器按照设置的频率发出脉冲激光照射至光声池内；

步骤S5、数据处理单元通过压力波传感器采集光声池内压力波数据；

步骤S6、如果压力波强度大于或等于强度阈值，则直接将压力波强度换算成气体浓度；

步骤S7、如果压力波强度小于强度阈值，则设置压力波发生器发出设置频率和强度的载波，并将载波参数发送至数据处理单元，其中载波频率与脉冲激光频率一致；

步骤S8、连续调节载波相位并监测采集到的压力波强度，记录最大值和最小值，最后计算气体真实压力波强度；

步骤S9、将气体真实压力波强度换算成故障气体浓度。

3.如权利要求2所述载波耦合的变压器油气光声光谱检测方法，其特征在于，步骤S8中，记录的压力波强度最大值为Rmax，最小值为Rmin，气体真实压力波强度R＝(Rmax-Rmin)/2。

4.如权利要求3所述载波耦合的变压器油气光声光谱检测方法，其特征在于，步骤S8中还包括：在压力波强度最小值的相位上，将载波强度调整至R，如果此时数据处理单元采集到的压力波强度接近0，则判定气体真实压力波强度的计算结果正确，否则输出告警。

5.如权利要求3所述载波耦合的变压器油气光声光谱检测方法，其特征在于，设置的载波强度不小于强度阈值的5倍。