光声光谱法在变压器油溶解气体检测中的应用

高树国 ,秦九渠 ,刘 伟 ,杜黎明

(1.河北省电力研究院,石家庄 050021;2.许昌供电公司,河南 许昌 461000)

绝缘油溶解气体检测是有效诊断油浸式变压器故障的手段之一。当变压器内部发生过热、放电等故障时,将导致故障附近的绝缘油分解,分解产生的气体会不断地溶解于油中,不同性质的故障所产生的特征气体不同,即使同一性质的故障,由于故障的程度不同,产生的气体含量也不相等,因此,对油中溶解气体的色谱进行分析,可以及早发现变压器内部潜伏性故障的性质、程度和部位,以便及时处理故障,避免事故的发生。目前,检测变压器油中溶解气体的常用方法是气相色谱法,但此方法试验环节多、操作手续繁琐、检测周期长,不适用于现场检测。光声光谱法是检测变压器油中溶解气体和微水的一种新技术,可完成现场或在线检测,与传统气相色谱技术相比具有操作容易、稳定性强、检测周期短等优点。以下介绍英国凯尔曼公司研制的基于光声光谱法的便携式变压器油中溶解气体分析仪的原理、应用情况,及其优缺点。

1 光声光谱法检测变压器油溶解气体原理

1.1 光声效应

光声光谱技术是基于光声效应的一种光谱检测技术。光声效应是指当气体吸收特定波长的调制光(调制频率在声波范围内)光子,处于激发态,此时样品气体通过分子间碰撞以热的方式释放吸收的能量,使气体受热(具有周期性),受热气体膨胀产生热声波(频率与调制光源频率相同)。

1.2 光声光谱法检测气体浓度的原理

气体分子吸收特定波长的入射光后由基态跃迁至激发态,一部分处于激发态的分子与处于基态的分子相碰撞,这样气体吸收的光能通过无辐射弛豫过程转变为碰撞分子之间的平移动能,气体温度随之升高。在气体体积一定的条件下,温度升高,气体压力会增大。如果对光源的频率进行调制,气体温度便会呈现出与调制频率相同的周期性变化,压强也随之周期性变化,利用微音器可以感应这一变化,并将其转变为电信号。

气体无辐射弛豫传能过程所需时间,取决于气体各组成部分的物理、化学特性。一般处于激发态气体分子的振动动能经无辐射弛豫转变为碰撞分子之间平动动能的时间较为短暂,远低于光的调制周期,因此可近似认为传能过程瞬间完成。此时,光声信号的相位与光的调制相位相同,而光声信号的强度与气体的体积分数及光的强度成正比。在光的强度一定时,根据光声信号强度可以定量分析出气体的体积分数。

1.3 基于光声光谱法气体分析仪的工作原理

将光声光谱法应用于检测变压器油溶解气体,需要解决2个关键问题:确定每种气体特定的分子吸收光谱,从而可对红外光源进行波长调制,使其能够激发某一特定气体分子;确定气体吸收能量后退激产生的压力波强度与气体浓度间的比例关系。通过选取适当的波长,并结合检测压力波的强度,不仅可验证某种气体是否存在,还可以确定其浓度。英国凯尔曼公司的T ransport-X 型便携式油中溶解气体分析仪正是在成功解决上述2个问题的基础上基于光声效应研发的产品,其工作原理为:仪器内装有作为光源的灯丝,它能提供包括红外谱带在内的宽带辐射,采用抛物面反射镜聚焦后进入光声光谱测量模块,模块中的调制盘以恒定速率转动产生频闪效应,以实现对光源频率的调制。

在入射至光声室之前,红外辐射需透过一系列滤光片。不同的滤光片仅允许透射与某种分子光谱波长一致的光,以便激发某种化合物分子。当气态样品注入光声室后,气体样品经透射过各滤光片的入射光照射后,被激发而产生压力波,由微音器检测相应数值并记录,该值代表样品中所含特征气体的浓度值。

通过注射器将采到的油样注入仪器顶空分析器的样品瓶后,仪器开始对油样进行电磁搅动使其中的溶解气体不断蒸发,同时使顶空内的气体在气路内循环。当气液相浓度达到平衡状态,仪器内的光声光谱测量模块根据上述原理对顶空内的气样进行分析,并将最终得到的各气体浓度结果显示出来。

2 检测实例

为了诊断某变压器的故障,以每月一次的周期,对该变压器油中的气体含量进行跟踪检测。每次采用同样采样方法在同一位置取2瓶油样,一瓶利用ransport-X 型便携式油中溶解气体分析仪,在现场通过光声光谱进行检测,另一瓶则在1 h内送到实验室使用惠普5890气相色谱分析仪,通过气相色谱分析进行检测。表1为利用光声光谱法和气相色谱法连续3次的检测数据对比。

从对比结果可以看出,2种方法的测量结果比较接近,而且检测出的油中溶解气体的发展趋势一致,而且采用三比值法的诊断结果相同,说明采用T ransport X 型便携式油中溶解气体分析仪对油中溶解气体含量进行异常诊断是可行的。

表1 光声光谱法和气相色谱法检测出的油中气体含量比较 μL/L

3 光声光谱法的优缺点分析

3.1 优点

a.测量更加方便快捷,油中气体含量是分析设备故障的关键信息,当设备出现突发故障时,技术人员往往希望在现场马上得到结果。气相色谱分析仪必须将油样取回实验室进行测试,中间环节较多,油中气体容易溢散,测试过程本身也很长(一个油样需要近2 h),不能尽快得到实验结果;而便携式光声光谱仪可以带至现场进行测试,节省了送检所浪费的时间,而且测试一个油样只需0.5 h。

b.为非接触性测量,不耗费气体。气相色谱仪在测量过程中需要载气、耗气,加大了试验误差。

c.重复性好。传统气相色谱仪器对人员操作水平等要求很高,测试结果分散性较大,不同仪器或同一仪器不同试验人员对同一个油样的测试结果,一般均会略有差别。而该仪器测试过程没有人工干预,消除了人员操作的差异,对测试人员要求低,测试结果重复性好。

d.仪器长期使用,各器件的性能稳定,无须校准和标定。

e.可以对某些混合物或化合物做定性、定量分析。

3.2 缺点

a.作为一种检测油中溶解气体的新方法,光声光谱法还不尽成熟;而气相色谱法是国家标准采用的唯一分析油中溶解气体的测试方法,是一种成熟的检测手段,有大量可以依据的案例和标准。

b.光声光谱法仪器的灵敏度不及气相色谱法仪器,所以在需要精确测量时,应选择气相色谱法。

4 结论及建议

基于光声光谱法的气体分析仪器具有较高的准确度,可以准确的检测出油中含气量的发展趋势,而且其携带方便、操作简单,可以广泛应用于变压器的状态巡检。但由于目前光声光谱法尚没有通用标准,因此在气相色谱法和光声光谱法的检测数据发生矛盾或者需要精确测量时,应当以气相色谱法为准。另外,根据国家标准要求的油色谱最低检测浓度及2种仪器的最低检测浓度对比来看,便携式光声光谱仪可以用在变压器的运行状态检测和故障诊断,但在出厂或交接试验时,应采取气相色谱法。

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