光聲光譜技術在電廠變壓器在線監測中的應用

曾毅+李志軍+嚴新榮+馮英嶺+宗起振+吳淼

摘 要：發電廠作為智能電網的起點，其安全運行的重要性不言而喻，而發電廠中變壓器作為發電輸電的關鍵設備，需要長期高負荷運行，一旦發生故障會對電廠的經濟效益和社會生產造成巨大影響。光聲光譜技術作為一種新的變壓器油中溶解氣體在線監測技術，相較于傳統的氣相色譜法有著諸多優勢：測量精度高、檢測時間短、長期穩定性好、無需載氣結構簡單、多種氣體同時在線監測、顯著減少維護成本等。由此可見，光聲光譜法更加適用于變壓器油中氣體在線監測，能夠對變壓器狀況做到實時監測，對典型故障作出預警，增加變壓器的安全性和可靠性。實際應用結果表明，具有及其廣闊的推廣應用前景。

關鍵詞：光聲光譜；在線監測；溶解氣體分析；DFB；有源光聲池

中圖分類號：TP31 文獻標志碼：A

Photoacoustic Spectroscopy Applyed to Transformer On-line Monitoring in Power Plant

ZENG Yi1，LI Zhi-jun2，YAN Xin-rong3，FENG Ying-ling2，ZONG Qi-zheng2，YU Miao4

（1.Anhui Huadian Luan Power Plant Co.，LTD，Luan，Anhui 237126，China；

2.Guodian Nanjing Automation Share Co.Ltd，Nanjing，Jiangsu 211153，China；

3.China Huadian Group Environmental Science and Technology Department，Beijing 100073，China；

4.Wuxi Entry Exit Inspection and Quarantine Bureau，Wuxi，Jiangsu 214000，China）

Abstract：Power plant as the starting point of the smart grid，the safe operation is the importance of self-evident，the transformer in power plants as the key part of power transmission equipment，had been worked in high load for a long time，In the event of failure，it will make huge impact economic to power plant and social production.Photoacoustic spectroscopy as a new kind of dissolved gas in transformer oil online monitoring technology，compared with the traditional gas chromatography has many advantages： high accuracy，short test time，good stability with long-term，no need carrier of simple structure，kinds of gas monitored on-line at the same time，reduced the maintenance costs significantly，etc.Photoacoustic spectroscopy，therefore，is more suitable for gas in transformer oil on-line monitoring，will achieve real-time monitoring of transformer condition and the typical fault warning.The practical results show that，it has the broad application prospect.

Key words：photoacoustic spectroscopy；on-line monitoring；dissolved gas analysis ；DFB；active photoacoustic cell

1 引 言

發電廠作為智能電網的起點，其安全運行的重要性不言而喻，而發電廠中變壓器作為發電輸電的關鍵設備，需要長期高負荷運行，一旦發生故障會對電廠的經濟效益和社會生產造成巨大影響。變壓器運行可靠才能保障智能電網的運行安全，所以我們需要對變壓器運行和健康狀態進行實時監測，預估故障的發展趨勢并及時作出處理，保證變壓器安全運行。

目前大部分變壓器是以絕緣油作為絕緣介質的，即油浸式變壓器。油浸式變壓器長時間運行會導致內部絕緣部件老化甚至發生缺陷，在熱、電、機械、化學等因素作用下會產生局部放電和有害氣體，嚴重威脅變壓器運行的穩定性和安全性[1]。對變壓器油中溶解氣體的監測和分析能夠有效判斷變壓器的運轉和健康狀態，是保障變壓器正常運轉和延長壽命的重要手段。傳統方法是對變壓器油中溶解氣體做離線分析，效率低費時費力且不能及時發現隱患故障；目前廣泛應用的油中溶解氣體在線監測方式是氣相色譜法，也存在定期更換載氣，測量精度有待提高等缺點。氣體光聲光譜（Photo Acoustic Spectroscopy，PAS）檢測技術是基于光聲效應原理的一種微量氣體檢測技術，具有不消耗載氣、檢測時間短、長期穩定性好、多種氣體同時檢測和結構簡單等優點[2]，是油中溶解氣體在線監測較為理想方法，是目前國際研究的熱點方向，本文所采用的光聲光譜技術可以很好的解決上述問題。endprint

2 光聲光譜氣體檢測技術原理

光聲光譜技術是基于光聲效應的一種吸收光譜檢測技術。被測樣本氣體吸收經過調制的特定波長的光后被激發[4-9]（如圖1所示），處于激發態的氣體

分子與基態分子發生碰撞，吸收的部分光能通過無輻射弛豫過程轉變為平動動能（V-T傳能過程），使氣體溫度呈現出與調制頻率相同的周期性變化，進而導致壓強的周期性變化，產生聲音信號；當操作條件一致時，被測組分的質量（或濃度）與檢測器給出的響應信號成正比[3]。

氣體光聲信號的產生過程為：氣體密閉于光聲腔中，激勵光源受到諧振頻率ω的調制，加熱過程將周期地變化。根據氣體熱力學定律，周期性的溫度變化將產生同周期的壓力信號。這種躍遷-弛豫過程處于非飽和狀態，光聲腔為圓柱形結構，光強度的調制頻率等于光聲腔的某一階諧振頻率ωj，則光聲信號和各組分氣體濃度之間的關系可以表示為

S（λ）=CcellP（λ）Ntot∑nk=1ckσk（λ）（1）

式（1）中，S（λ）為光聲信號，Ccell為光聲池常數， P（λ）為光強度，Ntot為氣體分子密度，ck為第 k 組分氣體的濃度， σk（λ）為第 k 組分氣體的吸收截面[3]。根據光聲信號強度和氣體體積分數及光強度成正比的原理，調制的光源光強度一定時，氣體的體積分數可以根據光聲信號的強度來得到。

光聲光譜氣體檢測系統主要包括可調制DFB激光光源、光聲池、微音器、光電探測器和控制處理系統。調制光脈沖信號注入含有待測樣本氣體的光聲池中，氣體分子吸收光能后被激發躍遷至激發態，然后經過V-T過程將能量轉化為動能，在光聲池中形成壓力波，安裝在共振管上的微音器將之轉化為電信號送至控制處理系統，控制處理系統將微音器信號和光電探測器信號進行綜合分析計算，最終得到氣體濃度。如圖2所示為光聲光譜氣體檢測系統結構示意圖。

3 PAS油中氣體在線監測系統結構

基于PAS的油中氣體在線監測系統主要由柜體、油氣分離單元、光聲光譜檢測單元、智能監測單元等組成，如圖3所示。

3.1 柜體

發電廠變壓器一般處于室外，油中氣體在線監測系統從變壓器中取油，需要就近安裝在變壓器附近，監測系統所處環境較之實驗室要更惡劣。為內部各單元特別是光聲光譜檢測單元提供良好溫濕度和低噪音工作條件，提高檢測結果的準確性，基于PAS的油中氣體在線監測系統的柜體為不銹鋼，雙層保溫結構，并配有溫濕度控制裝置，控制柜內溫度范圍在5 ℃-30 ℃，相對濕度不大于75%。有較為嚴格的密封要求，柜門與柜體接觸的線加裝密封條，滿足IP55防護等級。

3.2 油氣分離單元

油氣分離單元的原理是持續式等量進回油原理，具體工作流程為：采用獨特的持續式等量進回油原理，變壓器油從進油口持續流經油氣平衡氣室，智能PID流量自適應泵將進油口油流量實時等量輸出至出油口，在油流輸送過程中，油中溶解氣體迅速析出至油氣平衡氣室，直至油氣平衡狀態；相比于常規的依靠固定量體積油樣的脫氣方式，其參與脫氣的油樣不限量，一直保持新樣品油流經脫氣室，此方式下保證液相中氣體濃度始終保持不變，從而保證達到氣液平衡時氣相中氣體濃度在同等條件下的最大值；與常規真空脫氣或頂空式脫氣方式相比，結構簡單，而且脫氣率高。脫出的氣體送入光聲光譜單元供檢測。油氣分離單元如圖4所示。

3.3 光聲光譜檢測單元

光聲光譜檢測單元由主要由光模塊、鎖相控制塊、光開關、光聲池，微水含量傳感器、燃料電池六個部分組成，構成圖如圖5所示。

光聲光譜檢測單元的工作流程為：樣本氣體注入光聲池后，鎖相板通過通訊總線向光源模塊下達工作指令，光源模塊激光器工作；鎖相板控制光開關，將待檢測氣體對應的激發光源切換至光聲池；在光聲池中，特定氣體在吸收調制的激光后，將產生和調制光源同頻的壓力變化信號，壓力信號經微音器變換后變成電信號；鎖相板采集微音器返回的電信號，經變換后計算出壓力；最后折算出光聲池中對應氣體的濃度。

油中溶解氣體主要由H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6和微水等，其中微水由微水傳感器測得，H2通過燃料電池測定，其它組分通過相應的光聲光譜模塊測定。

3.4 智能監測單元

智能監測單元的作用主要是控制其他各單元工作流程、數據存儲分析、故障診斷分析、界面顯示和通信管理等。

通過智能監測單元，可以設置PAS油中氣體在線監測系統的時間、開始工作時間、采樣間隔和通信參數等，可以通過web形式實時查看采集的氣體濃度數據和歷史數據和波形，并根據IEC60599標準利用三比值法、大衛三角形法和立方體法得到初步的變壓器健康診斷結果[10]。

智能監測單元內部集成了IEC61850通信功能，可直接與后臺實現數據交互。對于發電廠而言，也可采用基于IEC60870-5-103/104通信規約將相關數據上傳至電廠的生產管理系統。

4 PAS油中氣體在線監測系統在電廠中的應用特點

4.1 采用近紅外DFB激光光源

目前光聲光譜技術用來檢測氣體濃度，最常見的是選用中紅外的光源做激發光源，主要是氣體分子對中紅外光吸收強，后續處理比較容易。但工程應用中，對于多組分的變壓器油中溶解氣體在線監測來說，每種氣體選用一種中紅外光源是不現實的，其高昂的價格限制了產品的大規模推廣應用。

因此，我們用通訊波段近紅外DFB激光器作為激發光源，光源的譜線寬控制在0.03nm的范圍內。根據HITRAN數據庫檢索數據，確定每種氣體的譜線段；再用長光程吸收池標定每種氣體相對較強的吸收峰，波長精確到0.01nm，剔除組分氣體交叉吸收的波長，確定每種氣體最優的吸收波長。

由于氣體分子吸收峰十分窄，因此在應用中必須對保證激光源的波長同氣體特征吸收峰一致，波長誤差控制在0.01nm范圍內。endprint

窄帶光源和寬帶光源在PAS中的應用如圖6所示，寬帶光源會覆蓋多個氣體組分的吸收波長，檢測結果也就包含了多個氣體組分。窄帶光源一次脈沖只覆蓋一個氣體吸收波長，排除了其它氣體的干擾，可以得到該氣體準確的檢測結果。

4.2 有源氣室諧振光聲池[3]

由于采用了近紅外光源，氣體的吸收峰并不是其最強的部分，導致調制過程中產生的光聲信號十分微弱，測量困難且定量測量誤差變大。要提高測量精度，方法一是提高激光源功率，這會大幅提高光源的價格，不利于大規模的工程應用；

方法二是提高光源的利用率；方法三是對光聲信號進行物理放大，這也是最為普遍的方法。

傳統光聲光譜檢測系統是利用斬波器對光源調制后在注入光聲池，此法會損失光源功率[11]。而采用了有源氣室諧振光聲池設計，即將紅外光源直接與光聲池耦合，可大幅提高光源的利用率，在不提高光源功率前提下增加可用光功率。 對光聲信號處理上，先確定微音器的最優工作頻段，再確定光源的調制頻率，通過光聲池模擬仿真設計，確定氣量和Q值最優組合方案。

5 結 語

光聲光譜作為一種新的變壓器油中溶解氣體在線監測檢測技術，相較于傳統的氣相色譜法有著諸多優勢：檢測時間短、測量精度高、穩定性好、無需更換載氣、結構簡單、同時對多種氣體在線監測、顯著減少維護成本等。隨著光聲光譜法技術的發展和推廣，通過對電廠變壓器油中氣體實時在線監測，并對典型故障作出預警，滿足變壓器狀態檢修的需求，增加了變壓器運行的安全性和可靠性，因此光聲光譜技術對變壓器智能運維的具有重要的參考價值。

參考文獻

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