变压器油中溶解气体光声光谱在线检测装置的研制及应用

孙利强，曹永飞

（内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

随着内蒙古电力（集团）有限责任公司状态检修的不断推进，要求各供电局必须不断提高在线监测水平，从而为状态检修提供可靠的数据。状态检修要求供电局需逐步降低离线测量的频率，提高在线检测装置的配备率、投入率、准确率。

变压器油中溶解气体组分含量在线检测的常规仪器是在线气相色谱仪，但各供电局在线气相色谱仪配备率低，已配备的仪器与实验室气相色谱仪比对，准确率不到50%。

光声光谱技术是基于光声效应的一种光谱检测技术，具有检测快、操作简单、抗干扰能力强、可靠性高、不需要耗材、维护少等特点，正在逐步替代气相色谱仪[1-3]。但目前成熟可靠的光声光谱检测设备均为国外公司的通用产品，在应用中普遍存在以下问题[4-6]。

（1）检测种类、数量受滤光片数量限制。

（2）激光片对特征光的选择性较差，造成测量精度降低。

（3）仅能获得某一波长范围内的数据，反演精度低。

针对以上问题，研制了变压器油中溶解气体光声光谱在线检测装置，实现了及时、准确地测量变压器油中气体组分含量。

1光声光谱技术

光声光谱技术是气体分子吸收特定波长的电磁辐射（如红外光）所产生的光声效应，检测原理如图1所示。普通光源经调制器调制后变成特定波长的红外光，将待测混合气体通入特制的光声池中，红外光通过光声池的窗口照射其内的气体时，如果待测气体中存在对红外光敏感的成分，则会吸收红外光的能量，发生无辐射弛豫现象，产生热量，引起气体膨胀[7-8]。由于光声池是密闭空间，气体膨胀使光声池内部压力增大，发生膨胀，如果按照一定频率周期性地使用红外光对气体进行照射，光声池就会周期性地产生膨胀、收缩，通过微音器探测与红外光频率相同的压力波动[9-10]。由于不同气体对不同波长光的响应程度不同，通过选取适当的波长并检测压力波的强度，不仅可验证某种气体是否存在，还可以确定其浓度[11-14]。

图1 气体光声光谱检测原理

2 光声光谱在线检测装置的构成

变压器油中溶解气体光声光谱在线检测装置的工作过程为：使用在线取样系统，通过变压器上的取油口将油样连续抽入装置中，油样中的气体被分离出，完成脱气后的油样回推变压器中，分离出的气体则进入光声系统进行检测（H2使用电化学传感器检测），软件系统可以对检测结果进行分析计算并实现终端显示。光声光谱在线检测装置主要由油气分离装置、光声系统、H2传感器、电子系统、软件等部分组成。

2.1 油气分离装置

根据溶解平衡原理，油气分离装置使用顶空油气分离法（见图2）。平衡状态时气液两相中气体浓度存在确定的关系，通过测量平衡状态下气室中气体的浓度反推得到油中溶解气体的初始浓度。

图2 顶空油气分离法示意图

2.1.1 体积参数优化

通过试验发现，脱气率与油样体积和气室体积的比值成正比，即脱气室总体积一定时，上部气室越小、下部油样越多，脱气率越高，因此本装置油样占脱气瓶和气路体积总和的一半。此外，脱气时间还取决于扩散系数，因此气液接触面积越大，搅拌速率越高，平衡时间越短[15-16]。在装置设计中，应充分考虑以上因素，以缩短油样脱气时间。

2.1.2 脱气温度优化

温度影响分子的运动速率和气体在液体中的溶解度，在顶空油气分离系统中，温度越高，分子热运动越剧烈，油中气体溶解度越小，在其他条件相同的情况下，脱气速率和脱气率越高[17-18]。根据变压器的油温状况及试验结果，结合光声检测系统的特点，确定整个系统的最低工作温度为-10℃。

2.2 光声系统

光声系统是光声光谱仪的核心部分，主要由光源、滤光片、斩波器、光声室和微音器组成，见图3。红外热辐射光源与不同的滤光片组合，可以产生不同波长的单色光，以激发待测气体产生光声信号。滤光片既要保证待测气体吸收足够的光强，又要避免其他气体产生交叉干扰。斩波器放置于光源和滤光片之间，一方面有利于减小滤光片尺寸，另一方面可以利用滤光片阻挡斩波器噪声传入光声室。

图3 光声系统结构

2.2.1 光源

光源的性能直接影响检测结果的灵敏度。经过筛选，以HawkEye Technologies公司生产的IR12型红外光源作为本装置的光源，辐射率约为黑体辐射的80%。为了提高光源的利用效率，自行设计并加工了椭球面反射镜，其光源利用率可以达到50%。

2.2.2 滤光片

滤光片是用来将光源的宽谱辐射转化为特定波长窄带红外光，其主要参数为中心波长、半宽度及透过率。设计原则是在对被测气体最敏感的中心波长附近，提高激发光的带宽，以增加透过光的强度，避免由于带宽过大，导致对其他气体敏感的光进入光声池中，对测量产生干扰。本装置的滤光片参数及检测精度见表1。

表1 滤光片参数及检测精度1）

2.2.3 斩波器

斩波器使光源成束，从而减小滤光片尺寸。本装置采用的滤光片通光孔直径为20 mm，根据上述参数对斩波器进行了设计，主要由斩波片和电动机组成（见图4）。

图4 斩波器的构成

2.2.4 光声池

光声池采用密度、比热及导热率较高的黄铜制作，内表面抛光且非共振，窗片采用高透过率的CaF2窗片。光声池的结构如图5所示，内部有一个直径18 mm、高50 mm的通孔，上下各有一个固定窗片的盖子，在左右两侧各有一个微音器放置口和一个电磁阀安装孔，均处于对角线位置。

图5 光声池结构

2.2.5 微音器

由于检测气体浓度低，产生的光声信号微弱，因此要求微音器有较高的灵敏度。经过试验筛选，采用G.R.A.S公司的1/2英寸的46AE自由场微音器，见图6。

图6 46AE微音器

2.3 H2传感器

由于H2是非极性分子，红外光吸收弱，基于气体红外吸收原理的光声光谱技术无法达到H2检测的要求（测量范围0~5.0×10-3，测量精度±2.0×10-6）。本装置选用英国Alphasense公司的H2-BF型H2传感器，测量范围为0~5.0×10-3，测量精度±8.0×10-7，能够满足H2检测的要求。

2.4 电子系统

装置的电子系统用以完成流程控制、电动机控制、信号采集、锁相放大、算法运行和人机界面，是仪器的重要组成部分。整个电子系统由4块电路板组成，分别承担不同的功能。

2.4.1 放大识别板

放大识别板用于模拟多路信号的放大、采集，锁相放大器的数字化实现和气体种类的识别。

2.4.2 电动机控制板

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电动机控制板对装置中转动斩光器的直流带刷电动机和转动滤光片轮的两相步进电动机进行驱动和控制。

2.4.3 人机接口板

人机接口板用以实现光谱仪的人机信息交互。

2.4.4 AD-DC电源板

AD-DC电源板将220 V交流电压进行整流、滤波、稳压处理，变换为仪器内部需要的直流电。

2.5 软件部分

装置软件部分符合C/S软件架构（客户端服务器），采用分布式系统架构运行，支持用户远程控制单台或者多台监测装置（系统结构见图7），可以实现数据获取、报警、显示、存储、报表生成、统计分析和故障预警等功能。装置软件可以为变压器运行状态实时监测提供支持，用户通过人机交互软件实现设备信息获取和指令输入。人机交互软件采用微软Visual Studio环境开发，包含服务器端和客户端两部分程序。

图7 光声光谱在线检测装置软件系统结构

2.5.1 服务器端程序

2.5.2 客户端程序

客户端程序载体为15英寸的研华工控机，布置在控制中心的屏柜内，用户通过客户端程序与设备获取信息并发出控制指令。客户端程序包含用户权限、设备控制、状态显示、高级操作和结果显示5个主要部分。在用户权限区通过登录获取不同的操作权限，在设备控制区可以远程控制设备进行相关操作；通过状态显示能够了解当前检测设备的状态，通过高级操作区的浓度警报线设置可管理变压器绝缘油中主要有害溶解气体的报警极限值，并显示当前变压器的运行状态。此外，通过历史数据操作页面能够按要求检索相关数据并绘制选中气体的历史变化趋势。

3 装置性能

装置检测灵敏度见表2，可以看出，本装置具有较高的检测灵敏度。

表2 检测灵敏度 10-6

4 应用情况

4.1 实验室检测

为了检验装置的性能，在实验室采用密闭油瓶模拟密闭的变压器进行测试，见图8。配置两种含不同浓度气体的油样A和B，分别使用光声光谱检测仪（检测3次）和实验室气相色谱仪（检测1次）对两种油样进行检测，并对结果进行分析（见表3），可知光声光谱检测仪的检测误差＜5%。

表3 光声光谱检测仪和气相色谱仪检测数据比对 10-6

图8 变压器检测示意图

4.2 目前现场应用

该装置已在220 kV薛家湾变电站2号变压器投入使用，运行稳定，见图9。经与实验室气相色谱仪比对，检测结果准确，比对数据见表4，装置测量数据已接入变电站集控室。

表4 光声光谱检测仪和气相色谱仪检测数据比对 10-6

图9 装置现场布置图

5 结束语

本文中研制的变压器油中溶解气体光声光谱在线检测装置具有精度高、检测速度快、不消耗样气、多组分检测、操作简单等特点，各项技术指标都达到国内先进水平[19]，与气相色谱检测技术相比，能够及时判断电气设备中存在的潜伏性故障，方便用户及早采取措施，提高变电站变压器油质的管理水平，确保设备和电网的安全运行。