光聲光譜法在變壓器油中氣體分析的發(fā)展應(yīng)用

劉 森，王 媛

(1.國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100095；2.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100045)

變壓器是電網(wǎng)系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，它的運行狀態(tài)對系統(tǒng)安全具有重要影響。隨著對變壓器運行維護(hù)要求的不斷提高，變壓器故障在線診斷技術(shù)的研究工作得到了越來越多的關(guān)注。油浸電力變壓器在正常運行中和發(fā)生故障后，在熱、電的作用下，其絕緣油及有機(jī)絕緣材料會分解出H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，CO和CO2等氣體，這些氣體可用于判斷故障類型及故障部位。對特定油中溶解氣體進(jìn)行定性定量分析，可以直觀、高效地預(yù)判出電力變壓器的潛伏故障。目前應(yīng)用最為廣泛的氣相色譜法試驗環(huán)節(jié)多、操作手續(xù)繁瑣、檢測周期長的特點，限制了其在現(xiàn)場檢測工作中的應(yīng)用。將光聲光譜技術(shù)應(yīng)用于在線監(jiān)測，可以實時監(jiān)測變壓器油中溶解氣體和微水，較于傳統(tǒng)氣相色譜技術(shù)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、檢測周期短、操作容易等優(yōu)點。本文介紹了光聲光譜技術(shù)的原理和發(fā)展?fàn)顩r，對其在變壓器油中溶解氣體在線分析中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并對其在實際工程中的運用和發(fā)展進(jìn)行了討論。

1 光聲光譜法檢測油中溶解氣體的原理

1.1 光聲光譜技術(shù)

光聲光譜(Photo-acoustic spectrometry) 技術(shù)是基于光聲效應(yīng)來檢測吸收物體積分?jǐn)?shù)的一種光譜技術(shù)。該技術(shù)的優(yōu)勢為：①可實現(xiàn)非接觸性檢測，對氣體無消耗；②無需分離氣體，不同氣體的成分和含量可直接通過光譜分析確定；③各器件的性能穩(wěn)定，可實現(xiàn)在長期使用中免維護(hù)；④能夠?qū)怏w吸收光能的大小進(jìn)行直接測量，且比傅里葉紅外光譜技術(shù)靈敏度更高；⑤測量的精度高，范圍廣，同時檢測速度快,具有重復(fù)性和再現(xiàn)性。一般情況下，多數(shù)氣體分子的無輻射躍遷主要處于紅外波段，因而光聲光譜技術(shù)對氣體的定性定量分析，是通過對氣體對相應(yīng)于特征吸收峰的特定波長紅外光的吸收量的測量來實現(xiàn)的。

1.2 光聲光譜應(yīng)用于油中溶解氣體檢測

在特定波長紅外光的照射下，氣體分子由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，由于處于激發(fā)態(tài)的分子與處于基態(tài)的分子相互碰撞，經(jīng)過無輻射弛豫過程，氣體吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿娱g的動能，進(jìn)而增強(qiáng)分子間的碰撞，造成氣體溫度的升高。在氣體體積一定的條件下，氣體壓力隨著溫度的升高而增大。如果對光源的頻率進(jìn)行調(diào)制，分子動能便會隨調(diào)制頻率發(fā)生同樣的周期性變化，從而引發(fā)氣體溫度和壓強(qiáng)也隨之周期性變化。在此過程中會產(chǎn)生周期性變化的壓力波，可以利用微音器對其進(jìn)行感應(yīng)，并以電信號的模式輸出。

氣體無輻射弛豫傳能過程所需時間決定于氣體各組成部分的化學(xué)和物理性質(zhì)。氣體分子由激發(fā)態(tài)的振動動能經(jīng)無輻射弛豫轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿优鲎驳钠絼觿幽艿臅r間，遠(yuǎn)小于光的調(diào)制周期，所以一般不考慮傳能過程所用的時間。此時，光的調(diào)制相位即為光聲信號的相位，光聲信號強(qiáng)度同氣體的體積分?jǐn)?shù)及光的強(qiáng)度成正比。當(dāng)光的強(qiáng)度一定，氣體的體積分?jǐn)?shù)可由分析光聲信號的強(qiáng)度得出。在故障氣體的分子紅外吸收光譜中(圖1)，有不同化合物分子特征譜線交疊重合的現(xiàn)象，因此應(yīng)選擇相對獨立的特征頻譜區(qū)域，從而避免檢測過程中不同氣體間發(fā)生干擾，以滿足檢測要求。

圖1 故障氣體分子紅外吸收光譜圖

1.3 在線監(jiān)測單元工作原理

圖2演示了光聲光譜技術(shù)應(yīng)用于在線監(jiān)測裝置中的原理。通過拋物面反射鏡將光源聚焦，形成入射光。入射光的頻率通過轉(zhuǎn)動速率恒定的調(diào)制盤后，其頻率得到調(diào)制，然后由一組濾光片進(jìn)行分光，只有某一特定波長可以通過，濾光片的允許通過波長，同光聲室內(nèi)某特定氣體的吸收波長相對應(yīng)。波長經(jīng)過調(diào)制后的紅外線，在聲光室內(nèi)對某特定氣體分子，以調(diào)制頻率進(jìn)行反復(fù)激發(fā)。氣體分子被激發(fā)后，以輻射或非輻射的方式回到基態(tài)。就非輻射馳豫過程而言，分子動能體系能量轉(zhuǎn)化結(jié)果為分子動能，從而導(dǎo)致局部氣體溫度升高，在密閉光聲室內(nèi)引發(fā)周期性機(jī)械壓力波，隨后由微音器對其進(jìn)行檢測。在此原理過程中，調(diào)制頻率確定了光吸收激發(fā)的聲波的頻率，可吸收該窄帶光譜的特征氣體的體積分?jǐn)?shù)體現(xiàn)于聲波的強(qiáng)度，因此，通過明確氣體體積與聲波強(qiáng)度的定量關(guān)系，就可以得出氣池中各氣體準(zhǔn)確的體積分?jǐn)?shù)。

在上述過程中，通過更換不同濾光片，就可以明確光聲室內(nèi)氣體的種類以及相應(yīng)的體積份數(shù)。

圖2 光聲光譜在線監(jiān)測裝置原理簡圖

2 光聲光譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

結(jié)合前文所述，將光聲光譜法應(yīng)用于變壓器油中溶解氣體線監(jiān)測之前，需要明確兩個關(guān)鍵問題。首先，針對不同的氣體分子，明確其相應(yīng)的吸收光譜，從而通過調(diào)制紅外光源的波長，對特定氣體分子進(jìn)行激發(fā)。其次，明確氣體濃度和氣體吸收能量后，由于退激而產(chǎn)生的壓力波強(qiáng)度之間的比例關(guān)系。

通過選取適當(dāng)?shù)牟ㄩL，并結(jié)合檢測壓力波的強(qiáng)度，不僅可驗證某種氣體是否存在，還可以確定其濃度。成功解決上述兩個問題的基于光聲技術(shù)的產(chǎn)品，便具備了可投入實際運用的條件。

2.1 光聲光譜法的實用檢測情況

2000年以來，致力于光聲光譜技術(shù)研發(fā)的設(shè)備制造商陸續(xù)開發(fā)出一系列基于光聲光譜技術(shù)原理的油中氣體及微水在線監(jiān)測裝置[8]。為了驗證光聲光譜檢測裝置的可靠性，我們選用國外某公司的Transport-X型便攜式油中溶解氣體分析儀與常用氣相色譜分析儀進(jìn)行比較。在確定被檢測的變壓器之后，以每月為一個采樣周期，每次用同樣方法在同一位置取兩瓶油樣。利用Transport-X型便攜式油中溶解氣體分析儀，對其中一瓶樣品進(jìn)行現(xiàn)場檢測；另一瓶在1小時內(nèi)送到實驗室，利用氣相色譜分析儀進(jìn)行分析監(jiān)測。經(jīng)過連續(xù)的三次試驗后，利用光聲光譜法和氣相色譜法的對比情況為表1中數(shù)據(jù)所示。

從實驗數(shù)據(jù)可見，基于光聲光譜技術(shù)的便攜式變壓器油中溶解氣體分析儀與實驗室測試結(jié)果十分接近，同時兩種不同檢測方法也得到統(tǒng)一的油中溶解氣體變化趨勢。實驗結(jié)果表明通過基于光聲光譜技術(shù)的檢測手段，可以得出油中溶解各類氣體的異常情況。

2.2 光聲光譜法在線監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)用與發(fā)展

TRANSFIX系統(tǒng)是目前應(yīng)用較為廣泛、成熟的基于光聲光譜技術(shù)的在線油中溶解氣體分析監(jiān)測設(shè)備。運用該設(shè)備可以在故障早期監(jiān)測變壓器狀況，安全地將變壓器輸出最大化，計算變壓器老化程度，同時根據(jù)分析結(jié)果區(qū)分故障類型。因其具有技術(shù)先進(jìn)、無需耗材及極少維護(hù)等優(yōu)點，該技術(shù)產(chǎn)品得到了業(yè)界廣泛的認(rèn)可，但其相對較高的初期投資價格，成為了其得到更為廣泛應(yīng)用的限制因素。

圖3 “一拖三”在線監(jiān)測單元系統(tǒng)安裝示意圖

MULTITRANS系統(tǒng)，即變壓器“一拖三”在線監(jiān)測系統(tǒng)，是新一代的在線溶解氣體分析設(shè)備。僅需一臺MULTITRANS就可以完成一組三相獨立郵箱的大型變壓器組的監(jiān)控工作，而對于小型或次重要的變壓器，一臺MULTITRANS可同時完成三臺變壓器的監(jiān)測。圖3為該系統(tǒng)的安裝示意圖。

MULTITRANS與TRANSFIX兩套系統(tǒng)具有相同的性能指標(biāo)。在產(chǎn)品特性方面，MULTITRANS同樣采用了內(nèi)置改良型的動態(tài)頂空氣脫氣方法，用于配合光聲光譜故障氣體分析，從而確保監(jiān)測的準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)不需要停電，即可完成系統(tǒng)的安裝工作。

MULTITRANS在運行中，對所有的油箱進(jìn)行依次采樣，采樣率可根據(jù)用戶需求進(jìn)行設(shè)定為每天到每小時。同時用戶還可對報警門限值進(jìn)行設(shè)定，具有較高報警狀態(tài)的電路在調(diào)度中會有優(yōu)先權(quán)。設(shè)備自帶的全嵌入式處理器，可以儲存超過兩年的數(shù)據(jù)，用于設(shè)備的運行狀態(tài)分析。通過先進(jìn)的PERCETION軟件包，可以實現(xiàn)多功能的圖形趨勢及結(jié)果的診斷分析。

表2 TRANSFIX和MULTITRANS設(shè)備報價單

對于某安裝有兩臺具有三相獨立油箱的大型變壓器組，需要配置6臺TRANSFIX設(shè)備來滿足在線監(jiān)測工作的需要，如果采用MULTITRANS設(shè)備，只需2臺即可滿足要求。表2為某公司針對上述兩種設(shè)備的報價單。從該報價單可看出，單臺MULTITRANS設(shè)備雖然較單臺TRANSFIX價格較高，但是由于只需2臺，因此在總價格上，可較配置6臺TRANSFIX設(shè)備的方案節(jié)省近50%的投資費用。兩種設(shè)備的后期維護(hù)成本均較低，二者間費用差異可忽略。

通過兩者的比較可以看出，在同樣滿足在線監(jiān)測技術(shù)要求的條件下，MULTITRANS“一拖三”在線監(jiān)測系統(tǒng)提供了相對低價格的投資方案，可以推斷該系統(tǒng)具有較好的市場前景。

3 結(jié)論

基于光聲光譜法的氣體在線監(jiān)測裝置在檢測精度、靈敏度、穩(wěn)定性方面，都具有很好的表現(xiàn)，為綜合分析、診斷設(shè)備的狀態(tài)提供了可靠依據(jù)，從而達(dá)到有效減少惡性事故發(fā)生的目的，減少了不必要的經(jīng)濟(jì)損失，同時可將傳統(tǒng)的定期停電檢修維護(hù)逐步轉(zhuǎn)為狀態(tài)維護(hù)，從而大大提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運行水平。隨著光聲光譜技術(shù)的不斷更新和發(fā)展，基于該技術(shù)的變壓器在線監(jiān)測產(chǎn)品的性能和造價都將得到進(jìn)一步的優(yōu)化，在實際中得到更廣泛的應(yīng)用。

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