變壓器油中溶解氣體光聲光譜在線檢測裝置的研制及應用

孫利強，曹永飛

（內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

隨著內蒙古電力（集團）有限責任公司狀態檢修的不斷推進，要求各供電局必須不斷提高在線監測水平，從而為狀態檢修提供可靠的數據。狀態檢修要求供電局需逐步降低離線測量的頻率，提高在線檢測裝置的配備率、投入率、準確率。

變壓器油中溶解氣體組分含量在線檢測的常規儀器是在線氣相色譜儀，但各供電局在線氣相色譜儀配備率低，已配備的儀器與實驗室氣相色譜儀比對，準確率不到50%。

光聲光譜技術是基于光聲效應的一種光譜檢測技術，具有檢測快、操作簡單、抗干擾能力強、可靠性高、不需要耗材、維護少等特點，正在逐步替代氣相色譜儀[1-3]。但目前成熟可靠的光聲光譜檢測設備均為國外公司的通用產品，在應用中普遍存在以下問題[4-6]。

（1）檢測種類、數量受濾光片數量限制。

（2）激光片對特征光的選擇性較差，造成測量精度降低。

（3）僅能獲得某一波長范圍內的數據，反演精度低。

針對以上問題，研制了變壓器油中溶解氣體光聲光譜在線檢測裝置，實現了及時、準確地測量變壓器油中氣體組分含量。

1光聲光譜技術

光聲光譜技術是氣體分子吸收特定波長的電磁輻射（如紅外光）所產生的光聲效應，檢測原理如圖1所示。普通光源經調制器調制后變成特定波長的紅外光，將待測混合氣體通入特制的光聲池中，紅外光通過光聲池的窗口照射其內的氣體時，如果待測氣體中存在對紅外光敏感的成分，則會吸收紅外光的能量，發生無輻射弛豫現象，產生熱量，引起氣體膨脹[7-8]。由于光聲池是密閉空間，氣體膨脹使光聲池內部壓力增大，發生膨脹，如果按照一定頻率周期性地使用紅外光對氣體進行照射，光聲池就會周期性地產生膨脹、收縮，通過微音器探測與紅外光頻率相同的壓力波動[9-10]。由于不同氣體對不同波長光的響應程度不同，通過選取適當的波長并檢測壓力波的強度，不僅可驗證某種氣體是否存在，還可以確定其濃度[11-14]。

圖1 氣體光聲光譜檢測原理

2 光聲光譜在線檢測裝置的構成

變壓器油中溶解氣體光聲光譜在線檢測裝置的工作過程為：使用在線取樣系統，通過變壓器上的取油口將油樣連續抽入裝置中，油樣中的氣體被分離出，完成脫氣后的油樣回推變壓器中，分離出的氣體則進入光聲系統進行檢測（H2使用電化學傳感器檢測），軟件系統可以對檢測結果進行分析計算并實現終端顯示。光聲光譜在線檢測裝置主要由油氣分離裝置、光聲系統、H2傳感器、電子系統、軟件等部分組成。

2.1 油氣分離裝置

根據溶解平衡原理，油氣分離裝置使用頂空油氣分離法（見圖2）。平衡狀態時氣液兩相中氣體濃度存在確定的關系，通過測量平衡狀態下氣室中氣體的濃度反推得到油中溶解氣體的初始濃度。

圖2 頂空油氣分離法示意圖

2.1.1 體積參數優化

通過試驗發現，脫氣率與油樣體積和氣室體積的比值成正比，即脫氣室總體積一定時，上部氣室越小、下部油樣越多，脫氣率越高，因此本裝置油樣占脫氣瓶和氣路體積總和的一半。此外，脫氣時間還取決于擴散系數，因此氣液接觸面積越大，攪拌速率越高，平衡時間越短[15-16]。在裝置設計中，應充分考慮以上因素，以縮短油樣脫氣時間。

2.1.2 脫氣溫度優化

溫度影響分子的運動速率和氣體在液體中的溶解度，在頂空油氣分離系統中，溫度越高，分子熱運動越劇烈，油中氣體溶解度越小，在其他條件相同的情況下，脫氣速率和脫氣率越高[17-18]。根據變壓器的油溫狀況及試驗結果，結合光聲檢測系統的特點，確定整個系統的最低工作溫度為-10℃。

2.2 光聲系統

光聲系統是光聲光譜儀的核心部分，主要由光源、濾光片、斬波器、光聲室和微音器組成，見圖3。紅外熱輻射光源與不同的濾光片組合，可以產生不同波長的單色光，以激發待測氣體產生光聲信號。濾光片既要保證待測氣體吸收足夠的光強，又要避免其他氣體產生交叉干擾。斬波器放置于光源和濾光片之間，一方面有利于減小濾光片尺寸，另一方面可以利用濾光片阻擋斬波器噪聲傳入光聲室。

圖3 光聲系統結構

2.2.1 光源

光源的性能直接影響檢測結果的靈敏度。經過篩選，以HawkEye Technologies公司生產的IR12型紅外光源作為本裝置的光源，輻射率約為黑體輻射的80%。為了提高光源的利用效率，自行設計并加工了橢球面反射鏡，其光源利用率可以達到50%。

2.2.2 濾光片

濾光片是用來將光源的寬譜輻射轉化為特定波長窄帶紅外光，其主要參數為中心波長、半寬度及透過率。設計原則是在對被測氣體最敏感的中心波長附近，提高激發光的帶寬，以增加透過光的強度，避免由于帶寬過大，導致對其他氣體敏感的光進入光聲池中，對測量產生干擾。本裝置的濾光片參數及檢測精度見表1。

表1 濾光片參數及檢測精度1）

2.2.3 斬波器

斬波器使光源成束，從而減小濾光片尺寸。本裝置采用的濾光片通光孔直徑為20 mm，根據上述參數對斬波器進行了設計，主要由斬波片和電動機組成（見圖4）。

圖4 斬波器的構成

2.2.4 光聲池

光聲池采用密度、比熱及導熱率較高的黃銅制作，內表面拋光且非共振，窗片采用高透過率的CaF2窗片。光聲池的結構如圖5所示，內部有一個直徑18 mm、高50 mm的通孔，上下各有一個固定窗片的蓋子，在左右兩側各有一個微音器放置口和一個電磁閥安裝孔，均處于對角線位置。

圖5 光聲池結構

2.2.5 微音器

由于檢測氣體濃度低，產生的光聲信號微弱，因此要求微音器有較高的靈敏度。經過試驗篩選，采用G.R.A.S公司的1/2英寸的46AE自由場微音器，見圖6。

圖6 46AE微音器

2.3 H2傳感器

由于H2是非極性分子，紅外光吸收弱，基于氣體紅外吸收原理的光聲光譜技術無法達到H2檢測的要求（測量范圍0~5.0×10-3，測量精度±2.0×10-6）。本裝置選用英國Alphasense公司的H2-BF型H2傳感器，測量范圍為0~5.0×10-3，測量精度±8.0×10-7，能夠滿足H2檢測的要求。

2.4 電子系統

裝置的電子系統用以完成流程控制、電動機控制、信號采集、鎖相放大、算法運行和人機界面，是儀器的重要組成部分。整個電子系統由4塊電路板組成，分別承擔不同的功能。

2.4.1 放大識別板

放大識別板用于模擬多路信號的放大、采集，鎖相放大器的數字化實現和氣體種類的識別。

2.4.2 電動機控制板

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電動機控制板對裝置中轉動斬光器的直流帶刷電動機和轉動濾光片輪的兩相步進電動機進行驅動和控制。

2.4.3 人機接口板

人機接口板用以實現光譜儀的人機信息交互。

2.4.4 AD-DC電源板

AD-DC電源板將220 V交流電壓進行整流、濾波、穩壓處理，變換為儀器內部需要的直流電。

2.5 軟件部分

裝置軟件部分符合C/S軟件架構（客戶端服務器），采用分布式系統架構運行，支持用戶遠程控制單臺或者多臺監測裝置（系統結構見圖7），可以實現數據獲取、報警、顯示、存儲、報表生成、統計分析和故障預警等功能。裝置軟件可以為變壓器運行狀態實時監測提供支持，用戶通過人機交互軟件實現設備信息獲取和指令輸入。人機交互軟件采用微軟Visual Studio環境開發，包含服務器端和客戶端兩部分程序。

圖7 光聲光譜在線檢測裝置軟件系統結構

2.5.1 服務器端程序

2.5.2 客戶端程序

客戶端程序載體為15英寸的研華工控機，布置在控制中心的屏柜內，用戶通過客戶端程序與設備獲取信息并發出控制指令。客戶端程序包含用戶權限、設備控制、狀態顯示、高級操作和結果顯示5個主要部分。在用戶權限區通過登錄獲取不同的操作權限，在設備控制區可以遠程控制設備進行相關操作；通過狀態顯示能夠了解當前檢測設備的狀態，通過高級操作區的濃度警報線設置可管理變壓器絕緣油中主要有害溶解氣體的報警極限值，并顯示當前變壓器的運行狀態。此外，通過歷史數據操作頁面能夠按要求檢索相關數據并繪制選中氣體的歷史變化趨勢。

3 裝置性能

裝置檢測靈敏度見表2，可以看出，本裝置具有較高的檢測靈敏度。

表2 檢測靈敏度 10-6

4 應用情況

4.1 實驗室檢測

為了檢驗裝置的性能，在實驗室采用密閉油瓶模擬密閉的變壓器進行測試，見圖8。配置兩種含不同濃度氣體的油樣A和B，分別使用光聲光譜檢測儀（檢測3次）和實驗室氣相色譜儀（檢測1次）對兩種油樣進行檢測，并對結果進行分析（見表3），可知光聲光譜檢測儀的檢測誤差＜5%。

表3 光聲光譜檢測儀和氣相色譜儀檢測數據比對 10-6

圖8 變壓器檢測示意圖

4.2 目前現場應用

該裝置已在220 kV薛家灣變電站2號變壓器投入使用，運行穩定，見圖9。經與實驗室氣相色譜儀比對，檢測結果準確，比對數據見表4，裝置測量數據已接入變電站集控室。

表4 光聲光譜檢測儀和氣相色譜儀檢測數據比對 10-6

圖9 裝置現場布置圖

5 結束語

本文中研制的變壓器油中溶解氣體光聲光譜在線檢測裝置具有精度高、檢測速度快、不消耗樣氣、多組分檢測、操作簡單等特點，各項技術指標都達到國內先進水平[19]，與氣相色譜檢測技術相比，能夠及時判斷電氣設備中存在的潛伏性故障，方便用戶及早采取措施，提高變電站變壓器油質的管理水平，確保設備和電網的安全運行。