变压器油光声光谱分析法的应用和分析

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摘 要

光声光谱气体分析技术灵敏度高、无需消耗载气、监测气体种类多、长期稳定性好等优点，克服了传统变压器油中溶解气体在线监测技术的缺点，是变压器油中溶解气体监测方案的最佳选择。光声光谱气体分析系统采用动态顶空平衡法进行油气分离，采用光声光谱技术进行气体检测。

【关键词】光声光谱法 变压器油 在线监测 气体检测

1 引言

油中溶解气体分析法是诊断变压器潜伏性故障比较有效的方法之一，传统的变压器色谱试验是对变压器绝缘油中的气体含量进行定期检验，220KV及以上变压器每三个月一次。这种传统试验模式最大的缺点是不能对变压器绝缘油进行实时监测，而变压器的故障存在突发性，由于试验周期的约束，造成变压器油中故障特征气体含量超标而不能及时发现，从而导致变压器发生严重的故障，造成不必要的经济损失和不良的社会影响。

近年来，由于状态检修的需要，油中气体在线监测仪的应用规模不断扩大。目前，变压器油中溶解气体在线监测装置中所用的气体检测方法主要有气相色谱法、气敏传感器法、傅里叶红外光谱法等。但这些方法均存在一些不足。

英国Kelman公司将光声光谱（PAS）技术应用予溶解气体分析，在此基础上研制成功了Transfix? 型在线式油中溶解气体分析仪。克服了环境变化，仪器恒温，信号干扰，机械振动等各种难题，成功地实现在线检测变压器油中的8种故障气体及微水。

2 系统原理

2.1 油气分离

Transfix?的油气分离脱气模块采用的是“动态顶空平衡”进行脱气。在脱气的过程中，采样瓶内的磁力搅拌子不停的旋转，搅动油样脱气；析出的气体经过检测装置后返回采样瓶的油样中。在这个过程中，光声光谱模块间隔测量气样的浓度，当前后测量的值一致时，认为脱气完毕。

2.2 气体检测

Transfix?是利用光声光谱技术实现变压器油中故障气体的检测。光声光谱是基于光声效应的一种光谱技术。光声效应是由分子吸收电磁辐射（如红外线等）而造成。气体吸收一定量电磁辐射后其温度也相应升高，但随即以释放热能的方式退激，释放出的热量则使气体及周围介质产生压力波动。若将气体密封于容器内，气体温度升高则产生成比例的压力波。检测压力波的强度可以测量密闭容器内气体的浓度。

一个简单的灯丝光源可提供包括红外谱带在内的宽带辐射光，采用抛物面反射镜聚焦后进入光声光谱测量模块。光线经过以恒定速率转动的调制盘将光源调制为闪烁的交变性号。由一组滤光片实现分光，每一个滤光片允许透过一个窄带光谱，其中心频率分别与预选的各气体特征吸收频率相对应。

如果在预选各气体的特征频率时可以排除各气体的交叉干扰，则通过对安装滤光片的圆盘进行步进控制，就可以依次测量不同的气体。经过调制后的各气体特征频率处的光线以调制频率反复激发样品池中的气体分子，被激发的气体分子会通过辐射或非辐射两种方式回到基态。对于非辐射过程，能量最终转化为分子的平动能，引起气体局部加热，从而在气池中产生压力波。使用微音器可以检测这种压力变化。声光技术就是利用光吸收和声激发之间的对应关系，通过对声音信号的探测从而了解吸收过程。由于光吸收激发的声波的频率由调制频率决定，而其强度则只与可吸收该窄带光谱的特征气体的体积分数有关，因此，建立气体体积分数与声波强度的定量关系，就可以准确计量气池中各气体的体积分数。

由于光声光谱测量的是样品吸收光能的大小，因而反射，散射光等对测量干扰很小；尤其在对弱吸收样品以及低体积分数样品的测量中，尽管吸收很弱，但不需要与入射光强进行比较，因而仍然可以获得很高的灵敏度。

通过观查变压器故障气体的分子红外吸收光谱发现，其中存在不同化合物分子特征谱线交叠重合的现象。通过进一步研究，可寻找到合适的独立特征频谱区域以满足检测各种气体化合物的要求，从而也从根本上消除了检测过程中不同气体间发生干扰的问题。

3 系统优点

光声光谱法变压器油色谱监测系统采用了动态顶空平衡法进行脱气以及光声光谱法进行气样检测，因此和传统的变压器油中气体检测仪器相比有显著的优点。

（1）由光声光谱测量部件特性而知，较传统的气相色谱分析仪器而言，光声光谱分析仪所需的校验工作将大为减少。且光声光谱检测技术无需气相色谱分析仪器中所需的消耗品，如载气等。

（2）采用光声光谱技术的仪器内光声室容积较小（一般仅2-3mL），意味着仅需少量样品即可进行测试，且便于迅速清理光声室以满足快速、连续测量的要求。通常光声室的清理时间仅为1-2分钟，而多数实验室气相色谱仪器则需要几十分钟的清理时间。

（3）由于系统采用光声光谱技术测量气体含量，因此没有传统的色谱柱以及色谱柱老化、污染、饱和等缺点。并且系统没有固态半导体传感器，不受CO或其他气体污染。

（4）系统能够提供历史数据，能够在主机中纵向比较变压器的历史数据，给出变压器油中气体以及微水的走势图。

4 结论

主变色谱在线监测系统实施后，在远方控制室监控上位机上能对主变油色谱数据进行采集监测。色谱数据采集频率可以由维护人员设定，一般为每日两次。系统数据库定期跟踪各项数据指标的变化趋势，形成历史数据库，方便后台分析整理。同时，系统在经过安全隔离后可接入部门局域网，使网络中的任意计算机终端都可通过权限设定监控和查阅主变色谱数据，实现了远程控制。根据不同的用户权限，能完全控制上位机或只对上位机上的数据进行浏览，方便了系统的维护，大大节约了维护成本。

参考文献

[1]GB/T 7252--2001 变压器油中溶解气体分析和判断导则[M].北京：中国标准出版社，2001.

[2]陈化钢.电气设备预防性试验方法[M].北京：水利电力出版社，1994.

[3]国家电网公司. Q＼GDW168-2008输变电设备状态检修试验规程[M].北京：中国电力出版社，2003.

作者简介

孙海龙（1975-），男，大专学历。现为富春江水力发电厂工程师，从事高电压试验、变配电检修工作，近期重点研究在线监测技术在发供电系统中的应用。

作者单位

富春江水力发电厂 浙江省桐庐县 311504