变压器绝缘油气相色谱在线监测技术的研究

闫智鹏，高耀文，王 璇

（1.国网山西省电力公司，山西 太原 030001；2.山西省煤矿机械制造有限责任公司，山西 太原 030001；3.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

变压器是电网系统的核心设备之一，它的运行状态对系统安全具有重要影响。随着对变压器运行维护要求的不断提高，变压器故障在线诊断技术的研究工作得到了越来越多的关注。

1 光声光谱在线监测技术原理

变压器是电力系统中的重要设备之一，其安全运行状态直接关系到系统的安全稳定。油浸式电力变压器在正常运行中和发生故障后，在热、电的作用下，其绝缘油及有机绝缘材料会分解出H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO 和 CO2等气体，这些气体可用于判断故障类型及故障部位[1]。对特定油中溶解气体进行定性、定量分析，可以直观、高效地预判出电力变压器的潜伏故障。

1.1 理论原理

光声光谱技术是基于光声效应来检测吸收物体积分数的一种光谱技术。该技术的优势有以下几个方面。

a）可实现非接触性检测，对气体无消耗。

b）无需分离气体，不同气体的成分和含量可直接通过光谱分析确定。

c）各器件的性能稳定，可实现在长期使用中免维护。

d）能够对气体吸收光能的大小进行直接测量，且比傅里叶红外光谱技术灵敏度更高。

e）测量的精度高、范围广，同时检测速度快，具有重复性和再现性。

一般情况下，多数气体分子的无辐射跃迁主要处于红外波段，因而光声光谱技术对气体的定性、定量分析是通过气体对相应于特征吸收峰的特定波长红外光吸收量的测量来实现的。

在特定波长红外光的照射下，气体分子由基态跃迁至激发态，由于处于激发态的分子与处于基态的分子相互碰撞，经过无辐射弛豫过程，气体吸收的光能转变为分子间的动能，进而增强分子间的碰撞，造成气体温度的升高。在气体体积一定的条件下，气体压力随着温度的升高而增大。如果对光源的频率进行调制，分子动能便会随调制频率发生同样的周期性变化，从而引发气体温度和压强也随之周期性变化。在此过程中会产生周期性变化的压力波，可以利用微音器对其进行感应，并以电信号的模式输出。气体无辐射弛豫传能过程所需时间决定于气体各组成部分的化学和物理性质。气体分子由激发态的振动动能经无辐射弛豫转变为分子碰撞的平动动能的时间远小于光的调制周期，所以一般不考虑传能过程所用的时间。此时，光的调制相位即为光声信号的相位，光声信号强度同气体的体积分数及光的强度成正比。当光的强度一定，气体的体积分数可由分析光声信号的强度得出[2]。在故障气体的分子红外吸收光谱中，有不同化合物分子特征谱线交叠重合的现象，因此应选择相对独立的特征频谱区域，从而避免检测过程中不同气体间发生干扰，以满足检测要求。

1.2 工作原理

如图1所示，为光声光谱技术应用于在线监测装置中的原理，通过抛物面反射镜将光源聚焦形成入射光。入射光的频率通过转动速率恒定的调制盘后，其频率得到调制，然后通过一组滤光片，设定某一特定波长，实现分光功能，并同光声室内某特定气体的吸收波长相对应。波长经过调制后的红外线，在声光室内对某特定气体分子以调制频率进行反复激发。气体分子被激发后，以辐射或非辐射的方式回到基态。就非辐射驰豫过程而言，分子动能体系能量转化结果为分子动能，从而导致局部气体温度升高，在密闭光声室内引发周期性机械压力波，随后由微音器对其进行检测。在此原理过程中，调制频率确定了光吸收激发的声波频率，可吸收该窄带光谱的特征气体的体积分数体现于声波的强度，因此，通过明确气体体积与声波强度的定量关系，就可以得出气池中各气体准确的体积分数。在上述过程中，通过更换不同滤光片，就可以明确光声室内气体的种类以及相应的体积分数。

1.3 实际应用的技术特点

光声光谱法实现变压器油中溶解气体在线监测的技术关键在于研制光声光谱检测单元、研制油气分离单元和现场监测系统的稳定性问题。

光声光谱检测单元的技术关键包括：高灵敏度、低噪声声波传感技术、红外热辐射光源研究、光声池设计、光声信号相关检测技术、多种气体分析物理数学模型及快速在线计算方法、微量乙炔和氢气的检测。

图1 光声光谱在线监测装置原理简图

现场监测中，每一种气体分子均有其吸收峰值，不同的气体的吸收峰值不同，造成在某些区域有重叠吸收峰值，导致用该波段的光分析气体时会发生气体间的交叉影响。选取吸收峰值应尽量避免有重叠的吸收峰值，尽量与水也分开，避免造成交叉影响。

2 光声光谱在线监测在变压器中的应用

2.1 基于光声光谱法的变压器在线检测系统的结构设计

根据光声光谱法的检测原理，基于光声光谱法的变压器在线监测系统主要由油气分离模块、光声模块、信号处理模块、油路及气路系统、单片机控制模块、计算机通信及故障诊断模块等构成。

某文献给出了4种设计方案，这4种系统具有共同的运作流程，即首先从变压器中提取少量油样，流入到油气分离室内，经过油气分离处理后将分离出来的气体导入到光声腔内；同时，在气体循环泵的循环抽动下，使得故障气体在光声腔与油气分离室间循环流动；用微音器监测故障气体里的各种气体成分的含量，微音器监测到的信号首先经过差分放大处理后再输入到锁相放大器里进行锁相放大，从噪声中提取出微弱的有用信号，然后将信号经过数据采集卡输入到计算机中去，进一步对故障的类型进行诊断。4种系统的区分就在于光声模块的不同，如图2所示为现常用的基于光声光谱法的变压器在线监测系统的结构设计图。

2.2 油气分离装置

图2 基于光声光谱法的变压器在线监测系统的结构设计图

某文献给出了1种油气分离装置的结构示意图，如图3所示。该油气分离装置的基本工作过程为首先抽真空，关闭注油阀，关闭回油阀和回油泵，开启气体止回阀1和2，同时关闭电磁阀1，开启电磁阀2，启动真空泵，开始抽取气体排出到外界空气中去，形成一个负压的环境。第二，注油，关闭回油泵和回油止回阀以及气体止回阀，开启注油阀，向油气分离室中注油，同时经过流量控制器进行计量，当注入的油量达到一定量时，关闭注油电磁阀，作为油位高度的后备保护，工作人员还在油气分离室1/3高度处设置有油位液面传感器，当油位高度达到时，将触发传感器，强制关闭注油电磁阀，停止注油。第三，振荡脱气，启动超声振荡器，气体止回阀1和2，开启电磁阀1，关闭电磁阀2，启动真空泵（用作气体循环泵），同时将脱出的气体输入到被检测光声腔内。第四，回油，当脱气检测完毕时，关闭气体止回阀1和2，关闭真空泵，关闭超声换能器，开启回油阀，开启回油泵，将已经脱气完毕的油注回到变压器中去。回油完毕后，就相当于一次脱气过程完毕。质量控制阀可以控制气体的流量速度，为了更好地满足光声腔对该气体的检测效果，一般将气流速度限制为20 mL/min。

2.3 光声池的设计

光声光谱监测系统中，光声池作为光声信号的信号源，是系统中最为关键的部分，其特性很大程度上决定了系统的分辨力、信噪比和检测极限等关键性能。不同形式的光声池具有不同的特点[3]。

a）非谐振气体光声池。如果入射光均匀地分布于整个光声腔中，调制频率ω低于腔体的最低阶的简正频率时，光声池就工作在非谐振状态，这时池内的光声信号几乎是同相的。非谐振式气体光声池结构简单，体积较小，调制频率低，在仪器小型化时具有自己的优势，但信噪比较低，且不能对流动状态的试样进行检测。

图3 油气分离装置结构示意图

b）谐振气体光声池。当入射光的调制频率ω正好等于光声腔的某一谐振频率时，光声池工作在此谐振模式。谐振式光声池的原理是声波在腔体中传输，通过调制光源照射频率使其与声波在腔室中传播的本征频率重合形成共振，这样可以将光声信号进行共振放大。

在谐振光声池中，对声波进行放大可以采用两种方式。一种是基于赫姆霍兹（Helmholtz）共振原理，使用共振腔放大光声效应激发出的声波；基于Helmholtz共振原理设计的光声池称为Helmholtz光声池，它一般由一根细长圆柱形管道连接2个不同体积的空腔组成。Helmholtz光声池工作时，光束透过下端空腔端面的窗口片入射到空腔中，以激发起光声效应，而微音器则安装于上端空腔，以检测气体的压力变化。Helmholtz光声池的主要优点是，只要简单地改变管道的面积和长度，共振频率便有相当大的变化，适当地设计管道的大小，即可获得总气体体积较小而品质因数Q值相当高的共振条件。由于管道中气体振子的摆动幅度很小，Helmholtz光声池对光声信号的放大能力有限。

另一种放大声波的方式是通过合理设计光声池，使光声效应产生的声波在光声池中形成驻波，利用驻波放大作用使光声信号得到共振增强，在此称这类光声池为空腔式光声池。空腔式共振光声池具有以下几方面优点。

a）光声池的共振频率一般在1 kHz以上，因此，随着光声池共振频率的升高，系统的低频噪声将显著降低。

b）声场在光声池中呈简正模式分布，因而可以将气体的进出口设置在声波波节处，以减弱气体流动对声场的干扰，这就解决了非共振光声池不能检测流动气体的问题。

c）利用光强分布I（r，ω）和简正模式Pj（r）之间的耦合关系，可以增强光声信号并抑制噪声信号，从而提高系统的信噪比。

2.4 锁相放大器

锁相放大器的基本结构如图4所示，包括信号通道、参考通道、相敏检测器 PSD（Phase-sensitive Detection） 和低通滤波器 LPF（Low-pass Filter） 等。

信号通道由低噪声前置放大器、各种特性的无源或有源滤波器、宽带放大器等部分组成，它的作用是对调制正弦信号输入进行交流放大，形成信号x（t），将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作的电压的有效值，并且滤除部分干扰和噪声，以提高PSD的动态范围。参考通道是锁相放大器区别于一般放大器的一个重要组成部分，它的主要作用是对参考输入信号进行放大或衰减，形成信号r（t），为PSD器提取被测信号的频率特征提供一个适合幅度的与被测信号频率相关（同步）的信号。参考输入信号一般是等幅正弦信号或方波开关信号，它可以是从外部输入的某种周期信号，也可以是系统内原来用于调制的载波信号或用于斩波的信号。PSD又称相关解调器，它是锁相放大器的核心单元。PSD是基于相关检测原理，利用噪声信号与周期信号不存在相关性的特点，通过直接计算待检信号与参考信号在零点的相关值的方法来抑制噪声并提取有效信号。在原理上，PSD相当于一个乘法器和积分器的组合。LPF的主要作用是改善锁相放大器的信噪比，其时间常数越大，锁相放大器的通频带宽越窄，抑制噪声的能力越强。

图4 锁相放大器结构示意图

3 结束语

光声光谱法是通过检测气体分子对激光光子能量的吸收来定量分析气体浓度的，它属于测量吸收的气体分析方法，如将光声光谱法应用于变压器油中气体含量在线监测，检测灵敏度高，需要的气样极少，从而大大地减少油气分离时间，缩短了测量周期，测量精度更高，无需任何载气，方便设备的维护；同时，无需定期标定，无需预热，检测时间快，稳定性好，使用寿命长。从这些特点看出，光声光谱法更适合应用于变压器油中溶解气体含量在线监测系统。因此，对于基于光声光谱法的变压器油中气体含量在线监测系统的研究，对变压器绝缘故障诊断技术可以提供更可靠的诊断数据。

［1］ 中华人民共和国国家标准化指导性技术文件.GB/T 7252-2001 变压器油中溶解气体分析和判断导则［S］.北京：中国标准出版社，2001：3-4.

［2］ 刘先勇，周方洁，胡劲松，等.光声光谱在油中气体分析中的应用前景［J］.变压器，2004，41（7）：30-33.

［3］ 李宪栋，肖明，刘定友，等.光声光谱变压器油中溶解气体在线监测系统在小浪底水电厂的应用［J］.变压器，2008，45（3）：45-48.