变压器油溶解气的激光光声光谱分析

王然　姜少军　于清旭

【摘要】变压器油中溶解气分析能够预防变压器故障的发生。激光光声光谱检测技术具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点，用于变压器油中溶解气分析的前景广阔。本文利用激光光声光谱检测系统，分别对C2H2、CO2及C2H2/CO2混合气体进行了检测，单一气体的检测极限灵敏度分别达到了12 ppb和36 ppm。通过自制高压脉冲发生器模拟变压器放电故障，并利用顶空油气分离装置，对变压器放电故障的特征气体C2H2的产气量进行了测量。

【关键词】变压器；油中溶解气体分析；激光光声光谱技术；高压脉冲放电；顶空油气分离

引言

变压器是电力系统的核心设备，变压器故障会造成严重的电网事故。所以对变压器运转状态和健康状态进行实时在线检测，有助于提高电力系统的安全性和稳定性。变压器油溶解气分析是国际上公认的能够有效监测和判断油浸式电力变压器早期故障的方法，通过对变压器绝缘油中溶解的故障气体的种类和含量进行初步分析，可以帮助判断变压器内部是否存在潜伏性故障，对各组分气体的产气量及其变化趋势作进一步分析，还可以区分过热性故障和放电性故障。光声光谱油中溶解气分析法既综合了气相色谱法、传感器阵列法、傅立叶红外光谱法方法的优点，又克服了他们存在的诸多不足。同时，基于近红外可调谐光纤激光器的光声光谱技术具有灵敏度高、可调谐性和灵活性好等优势，能够很好的应用于油中溶解气分析。

1.变压器故障气体的激光光声光谱检测

1.1 激光光声光谱检测系统

激光光声光谱检测系统的系统主要包括近红外可调谐掺铒光纤激光器、掺铒光纤放大器、光声池、锁相放大器、配气系统、数据采集和处理部分。工作流程为：锁相放大器产生正弦波调制信号，加载在计算机發送的扫描电压上，共同作用于激光器上实现激励光源的波长调制和连续波长的扫描。光声池内的气体样品由于激光辐射而产生调制的光声信号，利用微音器探测光声池中的声音信号，并将声信号转换为电信号，锁相放大器提取该电信号中的二次谐波信号并传送给计算机，由计算机完成数据采集和处理的工作。

1.2 光声信号与特征气体浓度关系的标定

本文针对变压器典型故障气体C2H2和CO2进行光声光谱检测。为实现高灵敏度检测，需选择吸收强度大、干扰小的吸收谱线，并且谱线要位于激光器和掺铒光纤放大器的额定输出范围和额定增益范围内。选取的C2H2吸收谱线波长为1531.59nm，吸收强度为1.17×10-20cm-1/（moleculecm-2），CO2吸收谱线波长1572.34 nm，吸收强度为1.74×10-23cm-1/（moleculecm-2）。检测前经过信号与气体浓度的标定，再进行不同浓度的C2H2和CO2进行光声光谱检测。通过计算通过计算，C2H2和CO2的检测极限灵敏度分别为12ppb和36ppm。

1.3 C2H2和CO2同时检测结果

利用配气系统通过控制流速将C2H2和CO2标准气以相同流速同时通入光声池中，C2H2和CO2通入浓度分别为4.9505ppm和29059.405ppm。测量结果如图1所示。

实验测得C2H2和CO2的光声信号值分别为43.2388 mV/W和226.135 mV/W，与利用标定结果计算出的理论信号值相比，C2H2和CO2实测值与理论值的相对误差分别为2.64%和1.87%。造成此误差主要是因为配气系统的精度（约为2%）有限。

2.变压器油溶解气分析平台

2.1 高压脉冲发生器

基于马克思发生器原理实现高压脉冲放电。课题组设计了高压脉冲发生器电路器装置。该装置有两个关键技术点，一个是打火间隙开关的设计，另一个高压电阻的选择。打火间隙开关g1的间距应略小于电容电压击穿放电的间距，后级间距逐渐增大。当g1击穿后，后级打火间隙开关会自行击穿，从而起动整套装置。打火间隙开关的放电部位应具有很好的平滑性，没有尖端和毛刺，以保证电容两端电压充满，整体同步放电。由于各电容电压上升速率不同，为了避免第一个电容迅速充满电使第一间隙打火，而其他的电容却没有充满电的情况发生，电源到发生器之间应该有一个足够大的保护电阻r，通常保护电阻r阻值为RL阻值的10倍。上述设计的高压脉冲发生器最大放电电压可达100kV，最高频率为15Hz，可以模拟变压器放电故障。

2.2 顶空油气分离装置

采用顶空油气分离方法进行油气分离。顶空油气分离单元包括脱气瓶、磁力搅拌器、温度传感器以及循环控制系统。其中，脱气瓶为油气分离的主体，采用304不锈钢材质加工而成，内部体积为430mL左右，顶盖留有温度传感器安装接口以及气体循环通路，瓶身一侧留有绝缘油循环通路。

工作过程中，油样在蠕动泵的控制下，循环进脱气瓶中进行脱气。脱气过程依靠放置在脱气瓶内的磁力搅拌子的搅拌进行加速，该搅拌器搅拌容量为0～2000ml，搅拌速度0～1250RPM可调，同时具有温控功能，温控范围0～300℃；脱出的气体在气泵的控制下，循环进光声池进行定量检测，选用的气泵为微型气泵，最大流量为2L/min，额定电压为12V。实验结果表明，在采油量为50ml的情况下，并使用磁力搅拌器加以搅拌，脱气平衡时间为1小时。

2.3 实验结果及分析

变压器放电主要产生C2H2气体，使用高压脉冲发生器模拟变压器发生50kV和60kV的脉冲放电，检测不同电压、不同放电量与油中溶解C2H2浓度的关系。每次脉冲放电后静置3小时，使C2H2气体充分溶解在绝缘油中。随后利用顶空油气分离装置进行油气分离，采油量为50ml。经过1小时达到脱气平衡后使用气泵将脱出的气体循环进光声池中，进行油中溶解C2H2含量测量。实验结果如图4所示。从图4中可以看出乙炔产气量与脉冲放电次数成线性关系。通过计算50kV和60kV的C2H2单次脉冲产气量分别为0.0196ml和0.02916ml。由此可知，C2H2产气量随放电电压的升高而增大。

3.结论

本文利用多组分气体光声光谱检测系统对变压器故障特征气体C2H2和CO2进行同时检测，检测极限灵敏度分别达到了12ppb和36ppm。设计了用于模拟变压器放电的高压脉冲发生器，并集成顶空油气分离装置、循环和控制系统搭建变压器故障气体检测平台。通过模拟变压器放电产生C2H2等特征气体，对不同放电电压下的C2H2产气量进行定量测量。实验结果表明C2H2产气量随放电电压的升高而增大。

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作者簡介：

王然，女，大连理工大学物理与光电工程学院硕士研究生。

姜少军，大连信融投资管理公司工程师。

于清旭，大连理工大学物理与光电工程学院教授，导师。