光聲光譜法在變壓器油溶解氣體檢測中的應用

高樹國 ,秦九渠 ,劉 偉 ,杜黎明

(1.河北省電力研究院,石家莊 050021;2.許昌供電公司,河南 許昌 461000)

絕緣油溶解氣體檢測是有效診斷油浸式變壓器故障的手段之一。當變壓器內部發生過熱、放電等故障時,將導致故障附近的絕緣油分解,分解產生的氣體會不斷地溶解于油中,不同性質的故障所產生的特征氣體不同,即使同一性質的故障,由于故障的程度不同,產生的氣體含量也不相等,因此,對油中溶解氣體的色譜進行分析,可以及早發現變壓器內部潛伏性故障的性質、程度和部位,以便及時處理故障,避免事故的發生。目前,檢測變壓器油中溶解氣體的常用方法是氣相色譜法,但此方法試驗環節多、操作手續繁瑣、檢測周期長,不適用于現場檢測。光聲光譜法是檢測變壓器油中溶解氣體和微水的一種新技術,可完成現場或在線檢測,與傳統氣相色譜技術相比具有操作容易、穩定性強、檢測周期短等優點。以下介紹英國凱爾曼公司研制的基于光聲光譜法的便攜式變壓器油中溶解氣體分析儀的原理、應用情況,及其優缺點。

1 光聲光譜法檢測變壓器油溶解氣體原理

1.1 光聲效應

光聲光譜技術是基于光聲效應的一種光譜檢測技術。光聲效應是指當氣體吸收特定波長的調制光(調制頻率在聲波范圍內)光子,處于激發態,此時樣品氣體通過分子間碰撞以熱的方式釋放吸收的能量,使氣體受熱(具有周期性),受熱氣體膨脹產生熱聲波(頻率與調制光源頻率相同)。

1.2 光聲光譜法檢測氣體濃度的原理

氣體分子吸收特定波長的入射光后由基態躍遷至激發態,一部分處于激發態的分子與處于基態的分子相碰撞,這樣氣體吸收的光能通過無輻射弛豫過程轉變為碰撞分子之間的平移動能,氣體溫度隨之升高。在氣體體積一定的條件下,溫度升高,氣體壓力會增大。如果對光源的頻率進行調制,氣體溫度便會呈現出與調制頻率相同的周期性變化,壓強也隨之周期性變化,利用微音器可以感應這一變化,并將其轉變為電信號。

氣體無輻射弛豫傳能過程所需時間,取決于氣體各組成部分的物理、化學特性。一般處于激發態氣體分子的振動動能經無輻射弛豫轉變為碰撞分子之間平動動能的時間較為短暫,遠低于光的調制周期,因此可近似認為傳能過程瞬間完成。此時,光聲信號的相位與光的調制相位相同,而光聲信號的強度與氣體的體積分數及光的強度成正比。在光的強度一定時,根據光聲信號強度可以定量分析出氣體的體積分數。

1.3 基于光聲光譜法氣體分析儀的工作原理

將光聲光譜法應用于檢測變壓器油溶解氣體,需要解決2個關鍵問題:確定每種氣體特定的分子吸收光譜,從而可對紅外光源進行波長調制,使其能夠激發某一特定氣體分子;確定氣體吸收能量后退激產生的壓力波強度與氣體濃度間的比例關系。通過選取適當的波長,并結合檢測壓力波的強度,不僅可驗證某種氣體是否存在,還可以確定其濃度。英國凱爾曼公司的T ransport-X 型便攜式油中溶解氣體分析儀正是在成功解決上述2個問題的基礎上基于光聲效應研發的產品,其工作原理為:儀器內裝有作為光源的燈絲,它能提供包括紅外譜帶在內的寬帶輻射,采用拋物面反射鏡聚焦后進入光聲光譜測量模塊,模塊中的調制盤以恒定速率轉動產生頻閃效應,以實現對光源頻率的調制。

在入射至光聲室之前,紅外輻射需透過一系列濾光片。不同的濾光片僅允許透射與某種分子光譜波長一致的光,以便激發某種化合物分子。當氣態樣品注入光聲室后,氣體樣品經透射過各濾光片的入射光照射后,被激發而產生壓力波,由微音器檢測相應數值并記錄,該值代表樣品中所含特征氣體的濃度值。

通過注射器將采到的油樣注入儀器頂空分析器的樣品瓶后,儀器開始對油樣進行電磁攪動使其中的溶解氣體不斷蒸發,同時使頂空內的氣體在氣路內循環。當氣液相濃度達到平衡狀態,儀器內的光聲光譜測量模塊根據上述原理對頂空內的氣樣進行分析,并將最終得到的各氣體濃度結果顯示出來。

2 檢測實例

為了診斷某變壓器的故障,以每月一次的周期,對該變壓器油中的氣體含量進行跟蹤檢測。每次采用同樣采樣方法在同一位置取2瓶油樣,一瓶利用ransport-X 型便攜式油中溶解氣體分析儀,在現場通過光聲光譜進行檢測,另一瓶則在1 h內送到實驗室使用惠普5890氣相色譜分析儀,通過氣相色譜分析進行檢測。表1為利用光聲光譜法和氣相色譜法連續3次的檢測數據對比。

從對比結果可以看出,2種方法的測量結果比較接近,而且檢測出的油中溶解氣體的發展趨勢一致,而且采用三比值法的診斷結果相同,說明采用T ransport X 型便攜式油中溶解氣體分析儀對油中溶解氣體含量進行異常診斷是可行的。

表1 光聲光譜法和氣相色譜法檢測出的油中氣體含量比較 μL/L

3 光聲光譜法的優缺點分析

3.1 優點

a.測量更加方便快捷,油中氣體含量是分析設備故障的關鍵信息,當設備出現突發故障時,技術人員往往希望在現場馬上得到結果。氣相色譜分析儀必須將油樣取回實驗室進行測試,中間環節較多,油中氣體容易溢散,測試過程本身也很長(一個油樣需要近2 h),不能盡快得到實驗結果;而便攜式光聲光譜儀可以帶至現場進行測試,節省了送檢所浪費的時間,而且測試一個油樣只需0.5 h。

b.為非接觸性測量,不耗費氣體。氣相色譜儀在測量過程中需要載氣、耗氣,加大了試驗誤差。

c.重復性好。傳統氣相色譜儀器對人員操作水平等要求很高,測試結果分散性較大,不同儀器或同一儀器不同試驗人員對同一個油樣的測試結果,一般均會略有差別。而該儀器測試過程沒有人工干預,消除了人員操作的差異,對測試人員要求低,測試結果重復性好。

d.儀器長期使用,各器件的性能穩定,無須校準和標定。

e.可以對某些混合物或化合物做定性、定量分析。

3.2 缺點

a.作為一種檢測油中溶解氣體的新方法,光聲光譜法還不盡成熟;而氣相色譜法是國家標準采用的唯一分析油中溶解氣體的測試方法,是一種成熟的檢測手段,有大量可以依據的案例和標準。

b.光聲光譜法儀器的靈敏度不及氣相色譜法儀器,所以在需要精確測量時,應選擇氣相色譜法。

4 結論及建議

基于光聲光譜法的氣體分析儀器具有較高的準確度,可以準確的檢測出油中含氣量的發展趨勢,而且其攜帶方便、操作簡單,可以廣泛應用于變壓器的狀態巡檢。但由于目前光聲光譜法尚沒有通用標準,因此在氣相色譜法和光聲光譜法的檢測數據發生矛盾或者需要精確測量時,應當以氣相色譜法為準。另外,根據國家標準要求的油色譜最低檢測濃度及2種儀器的最低檢測濃度對比來看,便攜式光聲光譜儀可以用在變壓器的運行狀態檢測和故障診斷,但在出廠或交接試驗時,應采取氣相色譜法。

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