借助激光光聲光譜技術監測變壓器絕緣油故障氣體的相關研究

中國南方電網東莞供電局 彭俊堅 廖肇毅 何俊達

1 前言

目前，隨著我國電網行業的發展與人民供電需求的提高，電氣裝備的維修工作由傳統的定時進行維修逐步轉成狀態維修。在變壓器絕緣油中，其各類故障氣體、溶解氣體可以給設備故障檢測研究、分析等給予更具針對性、更為具體的數據支撐和理論參照，對于檢測電氣設備故障具有重要的意義。目前，檢驗變壓器絕緣油故障氣體、溶解氣體的主要方法有氣敏傳感器法、氣相色譜法等，但是因為該類檢驗方式相關取樣較為復雜，且長期穩定性也相對較差，導致所檢測出來的光譜、數據等與真實情況存在偏差，難以為故障的檢修提供較為準確的數據依據。而激光光聲光譜技術的靈敏度、精確度、平穩性、安全性皆相對較高，因而成為微量氣體檢測領域專家、學者的關注點。

2 激光聲光技術的概述

2.1 激光聲光技術的原理

該技術原理是貝爾在1880年發現的，其產生原理是：在光線對物體進行照射時，物體表面吸收光線后所激發的情況，可以在非輻射的情況下，使物體將其所吸收的光能轉換為熱能，光束通過周期強調后物體的溫度的變化也呈現出一定的周期性。該原理會隨著物體的熱脹冷縮、環境介質有關的壓力而發生相應的改變，在光調制頻率、光聲信號頻率間能夠同步時，光聲信號是被物質本身的熱學、彈性等方面的特性所決定。

對于激光光聲光譜技術而言，其是鑒于光聲原理所得到的技術，是由于變壓器中的各類故障氣體、壓力間具有相應的比例，所以在電磁輻射生成的壓力逐步為檢測氣體所吸收后，就可對準確測定檢查氣體的濃度情況。在利用激光光聲光譜對變壓器中的故障氣體進行檢測時，其不會受到吸收光能的大小、反射、散射光等對外界因素的干擾，因此該技術對于檢測變壓器內的故障氣體具有較高的準確性和靈敏度，并且聲光室的容積較小，在檢測過程中可有效提升油氣分離的效率。

激光具有較高的強度、單色性、方向性等優勢，能夠加大光聲光譜儀分析的精準性與科學性，參照圖2，即典型的波長覆蓋范圍、激光光源，可以參照紅外光源大致激光器相關的種類，分A類、B類。在A類激光器中，即氣體半導體激光器、稀土和過渡金屬摻雜的激光器等。在B類激光器中，即可調諧近紅外光源。

圖1 光聲光譜分析技術檢測氣體的原理圖

圖2 激光光源和典型的波長覆蓋范圍

2.2 激光聲光技術的設備分析

電容式傳聲器是光聲光譜檢測中最常用的一種傳聲器，其具有頻響范圍廣、靈敏性高、瞬態特性優良等優點，可有效提升檢測結果的準確性，因而被廣泛運用于聲學測量、擴音錄音等諸多領域。而電動勢傳聲器的動態范圍較大、結構簡單、性能相對穩定，但是其具有更低的靈敏度。

對于非共振式、共振式而言，其是光聲池的兩大種類。其中，對于非共振式光聲池而言，其具有更為簡易的結構，體積較小，所需的造價不高，更易進行儀器化，該類電池可以被應用到對量級氣體進行檢測。而對于共振式光聲池而言，其結構復雜，但是具有更為理想的頻率、共振強度，也具有更高的靈敏度，所以該類光聲池可以對氣體本身的連續流動性進行檢測[1]。

圖3 光聲光譜模塊結構圖

3 光聲光譜技術的氣體檢測技術的理論模型

光譜檢測技術可以利用光聲信號精準檢測變壓器內故障氣體的濃度，從原理上進行分類，該技術有直接檢測法與間接檢測法兩種。直接檢測法是指對特定氣體的吸收譜類型檢測氣體的濃度和類型等，但該方法不可對特征性氣體的發射進行檢測與分析；間接檢測法是指通過間接的方式分析特征氣體的情況，但該方法需要將氣體吸收的光能轉變后才可進行檢測。

間接測量法是激光光聲光譜技術的起源測量法，該技術是把需要進行測試的氣體利用激光進行照射，讓受檢氣體通過吸收光源適當能量，并增強其周圍氣體所釋放出來的能量引發震動，從而生成具有周期性規律的部分聲波信號，該信號即光聲信號。對于激光光聲光譜氣體檢測技術而言，在氣體逐步經過光聲池后，把物質分子吸收的全部光能逐步轉成聲音信號，之后應用探測器對各類微弱聲音信號進行檢測，獲得氣體的總濃度[2]。

4 光聲光譜與氣相色譜測量原理監測系統的常規對比

一是激光光聲光譜檢測技術的系統結構相對簡單，且該技術對于檢測變壓器內絕緣油的故障氣體的準確性相對較高，該系統相較于傳統的光譜檢測技術更具可靠性和準確性。

激光光聲光譜儀器的核心零件，是一種將動態頂空法作為原理的脫氣部件和將光聲光譜技術作為原理的光譜檢測部件，當需要檢測的氣體通過動態頂空進行脫氣分離后，將純凈的受檢氣體傳送至聲光室，隨后利用光聲光譜技術對氣體進行檢測，該系統不需要配備分離部件。

色譜分離模塊、油氣分離模塊的氣體檢測模塊的性能，直接決定著激光光聲光譜檢測結果的準確性。對受檢氣體進行足粉分離是進行激光光聲光譜檢測的核心技術，而氣體組成成分的分離度和進樣量會直接影響激光光聲光譜檢測結果，各個氣體成分的分離度越高，激光光聲光譜檢測結果準確性也會也高。柱溫的精確要求以及對高精密氣路切換的要求等極大地增加了系統的復雜性，致使系統檢測的可靠性大幅度降低。由此可見，系統部件的復雜程度、不穩定性會制約光聲光譜檢測在故障氣體中的運用。

二是采用激光光聲光譜的原理技術較為先進，其于未來檢測變壓器絕緣油故障氣體具有較為廣闊的前景。并且，利用氣相色譜原理系統早已被廣泛運用于各類氣體的檢測中。前者具有較高的精度和重復性，可運用于變壓器絕緣油故障氣體的檢測中，后者的精度相對較弱，因而很有可能被取代。

三是激光光聲光譜檢測技術對于檢測變壓器絕緣油故障氣體具有高效率，而利用氣相色譜原理系統的效率則明顯低于激光光聲光譜檢測技術。前者的最短檢測周期可以達到1小時1次，可最大限度體現線上檢測故障氣體的意義。

激光光聲光譜系統是利用動態頂空法對故障氣體進行脫氣，進而降低絕緣油的取樣量，且脫氣時間較短，很短的時間內就可完成動態平衡。由于激光光聲光譜系統的測量最短周期可達到1小時1次，能夠有效提升在線檢測的效率。而以氣相色譜為原理的氣體測量系統，存在脫氣時間、平衡時間長等缺點，導致所測量的數據缺乏及時性。

四是利用激光光聲光譜檢測故障氣體的性價比相對較高，且激光光聲光譜儀器的維護方法也相對簡單，不需要對該設備進行多余的后續投資，因此激光光聲光譜檢測技術的長期回報率相對較高。而氣相色譜檢測設備需要花費大量的資金進行后續投入，其性價比明顯低于激光光聲光譜檢測技術。其次，激光光聲光譜檢測設備的使用壽命長于氣相色譜檢測設備，氣相色譜檢測設備需要定期更換重要部件才能正常使用，但大部分類型的氣體的氣相色譜測量原理的系統的傳感器、色譜柱等關鍵設備的使用壽命只有2～4年，但變壓器的平均壽命在30年左右，檢測設備的使用年限明顯少于變壓器的使用年限。

五是利用激光光聲光譜技術對故障氣體進行檢測，不用對變壓器中的故障氣體進行分析、載氣、標氣等操作，而氣相色譜測量技術在檢測時需要進行上述的復雜操作。激光光聲光譜技術檢測流程中缺少色譜柱這一環節，因此就不需要擔心色譜柱出現老化、污染、飽和等問題，因此也不用進行標氣操作。但氣相色譜技術的核心設備之一就是光譜柱，利用該技術對故障氣體進行檢測需要考慮色譜柱的污染、老化等問題，因而要對帶檢氣體進行標記，檢測流程復雜，容易出現錯誤。

另外，激光光聲光譜設備不需要更換載氣，而氣相色譜需要定期更換載氣，將氣相色譜技術運用于故障氣體的檢測中，需要提供大量高純度的載氣予以輔助，才可保證待檢氣體能夠順利進入色譜柱，氮氣、氦氣等氣體是該技術常用的載氣，而這兩種氣體的使用年限都在1年以內，若故障氣體的檢測周期較短，載氣的消耗量也相對較高。載氣的使用年限較短則代表相關工作人員需要定期更換載氣才能保證檢測設備檢測的精準性，因此氣相色譜檢測技術的成本也明顯高于激光光聲光譜技術。

六是聯合激光光聲光譜技術的具體應用情況發現，該技術系統有較高的穩定性和準確性，因此可被廣泛運用于變壓器絕緣油故障氣體的檢測中[3]。

5 激光聲光譜技術在絕緣油中氣體檢測技術的應用

5.1 變壓器油中溶解氣體分析技術

激光聲光譜技術是一種能夠通過定性、定量分析變壓器油中的溶解氣體的成分、含量等查詢導致故障氣體產生的原因，并診斷變壓器內部是否能進行正常工作，并檢查變壓器內是否存在故障隱患。其次，該技術能夠對變壓器的放電問題、熱性問題等進行檢測，檢測的范圍較廣，具有較高的實用性。

5.2 光聲光譜技術在絕緣油中氣體檢測技術的應用

變壓器經過長期的運行可能會出現異常放電的情況，此時變壓器內部的絕緣油就會因分解而產生大量故障氣體，當故障氣體的密度達到一定量時，則可導致變電器內出現絕緣事故，致使變壓器不能進行正常工作，最終導致整個機械設備不能正常運作。目前，光聲光譜法氣體檢測系統還未于變壓器故障氣體的檢測中得以普遍使用，傳統的檢測手段對色譜柱有較高的要求，且操作的復雜性較高，其檢測的精準性難以得到保證，操作人員難以掌握，無法讓所有操作人員進行故障氣體進行反復檢測。另外，利用光聲光譜技術檢測氣體，能夠重復利用檢測設備，方便研究人員研究故障氣體與變壓器故障之間的聯系，進而對檢測設備、變壓器等進行升級改革，減少變壓器故障的概率，提高檢測設備的質量。

5.3 利用激光光聲光譜技術檢測變壓器絕緣油故障氣體的以待解決的問題

一是隨著我國電網行業的不斷發展，我國電網的覆蓋面積也越來越大，因此對電網中的各個關鍵設備進行管理、檢測也成為諸多研究學者的重點關注對象。充油設備取油樣、油色譜試驗是變壓器日常維護的重要部分。大量的取油樣及色譜試驗工作量較大、維護成本高，尤其取樣成本較高已成為生產單位降本增效亟須解決的問題。

二是變電站與實驗室距離較遠，取樣需要耗費大量的時間，導致樣本收取后不能及時進行檢測，其檢測與真實情況可能存在一定誤差[4]。

6 運用實例

我國某地的供電局派遣高壓油務班工作人員對各個變電站變壓器中的絕緣油進行抽樣，并利用激光光聲光譜技術檢測絕緣油中的故障氣體，并將其檢驗結果與氣相色譜儀所檢測的數據進行對比分析，驗證激光光聲光譜技術對于檢測變壓器絕緣油中的故障氣體具有較高的穩定性，為該技術的推廣提供大量的數據，以供參考，具體情況如下文所述。

一是氫氣、乙炔等特征氣體的含量對比。對特性氣體，如氫氣、乙炔等氣體，光聲光譜檢測技術與其他基本數據成正比關系，且存在相同的趨勢。

二是數據重復性驗證。對比光聲光譜測試儀測試數據重復性問題，高壓油務班進行了現場數據驗證。對于相同油樣，儀器所測多次數據重復性良好。

三是降本增效明顯。本單位對旗下的2個500kV的變電站使用了光聲光譜技術，通過檢測后，絕緣油的維護成本得以有效降低，且光聲光譜的便攜性也相對較高，能夠對故障氣體進行跟蹤檢測與常規檢測，通過計算得知，變壓器的檢測成本比之前降低25%，同時將跟蹤監測成本占總油樣色譜試驗總成本的比例也由原來的20%，下降到10%。

7 總結

實踐證明，激光光聲光譜技術對于檢測變壓器絕緣油的故障氣體具有較高的靈敏度和準確性，可為變壓器檢查、修理、保養提供具有真實意義的數據基礎，從而有效提升維修管理人員對于變壓器的維修效率、保養效率、管理效率，對于保障電網的供電效率，防止供電故障的出現具有重要意義。因此，要對傳統電網的檢測技術進行更新，運用激光光聲光譜技術，以保證電網能夠安全穩定地進行供電。