光声光谱技术在变压器监测中的应用
变压器油光声光谱分析法的应用和分析
【 关键 词】光声光谱法 变压器油 在线监 测 气
体检 测
个 简 单 的 灯 丝 光 源 可 提 供 包 括 红 外 谱
体含量 ，因此没有传统 的色谱柱 以及 色谱柱老 化、污染、饱和等缺点 。并且系统 没有 固态半
导 体 传 感 器 ，不 受 Ｃ ０或其他气体污染 。
带在 内的宽带辐 射光，采用抛 物面 反射镜聚焦 后进入光 声光谱 测量模 块。光线经过以恒定速 率 转动 的调 制盘将 光源 调制 为 闪烁 的交变 性 号。由一组滤 光片实现分光，每一个滤光片允
采用光声光谱技术进行气体检测。
理时间仅为 １ ． ２ 分钟 ，而 多数实验室气相 色谱
仪器则需要几十分钟的清理时间 。
（ ３ ） 由 于 系 统 采 用 光 声 光 谱 技 术 测 量 气
器 内，气体温度升高则产生成 比例 的压力 波。
检测压力波 的强度可 以测量 密闭容器内气 体的 浓度 。
光 声光谱 气体 分析 技 术灵敏 度 高、无 需 消耗 载气 、监测 气体 种类 多 、长期 稳 定性好 等优 点，
克 服 了传 统 变 压 器 油 中 溶 解 气体 在线 监 测技 术 的缺点 ，是 变压 器
Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｆ ｘ ＠是 利用 光声 光谱 技术 实现变 压 器油 中故障气体 的检测 。光声光谱是基于光 声 效应的一种光谱技术 。光声效应是 由分子吸 收
（ ４ ）系 统能够提供 历史数据 ，能够 在主 机 中纵 向比较变压器 的历 史数据，给出变压器 油 中气体 以及微水 的走势 图。
１ 引 言
油 中溶解 气体 分析 法是 诊断 变压 器潜 伏
性故障 比较有效 的方法之一 ，传统 的变压器 色
电力变压器的光声光谱油色谱在线监测
摘要：本文介绍了电力变压器光声光谱和油色谱两种在线监测技术原理，并介绍了这两种在线监测技术相关的诊断方法，关键词：变压器油色谱光声光谱在线监测0引言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。
近年来，随着电力变压器在线监测技术得到迅速发展，加上计算机技术和通信技术使得电力变压器检测数据可以及时的处理与传输，并得到实时的运行状态数据，令在线监测技术成功应用于实际的工程中去。
然而，由于检测技术尚有一定的局限性，以及电力变压器内部故障存在的复杂性，当前应用中的在线监测系统的可靠性和稳定性仍显不足。
本文着重分析了电力变压器的光声光谱和油色谱在线监测技术，阐述了两种技术的原理，以及相应的诊断方法等。
1两种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。
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电力变压器光声光谱在线监测原理1.1.1光声光谱技术光声光谱(Photo-acoustic spectrometry) 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。
该技术的优势为：①可实现非接触性检测，对气体无消耗；②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；③各器件的性能稳定，可实现在长期使用中免维护；④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；⑤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，是通过对气体对相应于特征吸收峰的特定波长红外光的吸收量的测量来实现的。
光声光谱技术应用于变压器油中溶解气体分析
光声光谱技术应用于变压器油中溶解气体分析陈伟根,云玉新,潘 翀,孙才新(重庆大学电气工程学院高电压与电工新技术教育部重点实验室,重庆市400030)摘要:变压器油中溶解气体在线监测装置中的色谱柱和气敏传感器存在消耗被测气体和长期稳定性差等不足。
光声光谱气体分析技术灵敏度高,不消耗被测气体,克服了传统油中溶解气体在线监测技术的缺点。
文中对其在变压器油中溶解气体在线监测中的应用进行了研究。
构建了用于变压器油中溶解气体分析的光声光谱平台,给出具有红外特征吸收峰的CH 4,C 2H 6,C 2H 4,C 2H 2,CO 和CO 2这6种主要故障特征气体的特征频谱,采用加权最小二乘法对2种混合气体中的CH 4,C 2H 6,C 2H 4,C 2H 2,CO 和CO 2进行了定性和定量分析。
分析结果与气体各组分体积分数真实值或气相色谱仪测量值的比较表明,光声光谱技术能有效地对变压器油中溶解气体进行分析。
关键词:变压器;光声光谱;油中溶解气体;多组分气体分析中图分类号:TM406;O433收稿日期:2006212215;修回日期:2007203206。
重庆市自然科学基金重点资助项目(CSTC2007BA3002)。
0 引言长期运行中和发生故障后的油浸电力变压器在热、电的作用下,其绝缘油及有机绝缘材料会分解出一些对判断故障类型甚至故障部位有价值的气体,如H 2,CH 4,C 2H 6,C 2H 4,C 2H 2,CO 和CO 2[1]。
分析油中溶解的这些气体是判断油浸电力变压器早期潜伏性故障最方便、有效的措施之一[123]。
目前,变压器油中溶解气体在线监测装置中所用的气体检测方法主要有气相色谱法[4]、气敏传感器法[5]、傅里叶红外光谱法等[6]。
但这些方法均存在一些不足[427],例如:①气相色谱法和气敏传感器法在检测过程中要消耗待测气体和载气;②色谱柱和传感器的性能在使用过程中会逐渐变化,为保证准确度,必须定期用标准气体进行校准,因此长期稳定性不好;③傅里叶红外光谱法在检测微量气体时,其气池体积较大,增加了对待测气体的需求量。
光声光谱技术与气相色谱技术在变压器在线监测中的分析比较
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：Ｄ ｉ ｓ ｓ ｏ ｌ ｖ ｅ ｄ Ｇ ａ ｓ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｉ ｎ Ｏ ｉ ｌ （ ＤＧ Ａ ） ；ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ － ａ ｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ；ｇ ａ ｓ
ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｏ ｒ ｍｅ ｒ ｏ ｎ — ｌ ｉ ｎ ｅ ｍｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ｇ ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ｓ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏｒ ｆ ａ ｄ ｏ ｍｅ ｓ ｔ ｉ ｃ ＡＰ １ ０ ０ ０ ｎ ｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｐ ｒ ｏ ｊ ｅ ｃ ｔ ． Ａ ｔ ｔ ｈ ｅ
内某 Ａ Ｐ １ ０ ０ ０ 核 电项 目中主 变压 器 、 高压 厂用 变压器 及辅 助变压 器在 线监测装 置选 型情况 ， 介绍了 光 声光谱技 术及传 统 的气相 色谱 技术在 变压器 油 中故障 气体 分 析 （ ＤＧ Ａ）的基 本原理 和产 品结构 ， 对 最小检 知 浓度 等技术 指标进 行 了对 比。最后 总结 了两种 不 同技 术 原理 的油 中故障 气体 在 线监测 设备 之 间的差 异 。 旨在 能为大 型 变压 器在 线监 测设备 选 型提供技 术参考 。 关键 词 ：油 中溶 解气体 分 析 （ Ｄ ＧＡ） ；光 声光 谱技术 ；气相 色谱 技术 ；最小检 知 浓度 Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ａ ｎｄ Ｃｏ ｍ ｐａ ｒ ｅ ｏ ｆ Ｐｈｏ ｔ ｏ — Ａｃ ｏ ｕｓ ｔ ｉ ｃ Ｓｐｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ Ｔｅ ｃ ｈｎｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎｄ Ｇａ ｓ Ｃｈｒ ｏ ｍａ ｔ ｏ ｇ ｒ ａ ｐｈ ｙ Ｔｅ ｃ ｈｎｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｉ ｎ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｏ ｒ ｍｅ ｒ ｏ ｎ－ ｌ ｉ ｎｅ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ
光声光谱微量气体探测在变压器健康监测中的应用
光声光谱微量气体探测在变压器健康监测中的应用黎敏，蔡洋，李玉林(武汉理工大学物理系，武汉，430070)摘要：利用电力变压器绝缘油中数种微量气体的存在和浓度，可以判定变压器健康状况，其中尤以乙炔（C 2H 2）气体的含量为标志。
以乙炔气体为样气，我们针对光声光谱技术中光声缓冲池的设计运用传输线理论进行了详细的讨论，仿真与实验结果都表明当缓冲池长度为1/4声波长时背景噪声最小，而缓冲腔的内径为3倍谐振腔直径时为最佳。
关键词：微量气体；光声光谱；四端网络；缓冲池光声信号的灵敏度由光声池的几何结构设计决定，其中缓冲池的设计直接影响高灵敏度微量气体探测的背景噪声，进而影响系统的探测下限。
我们首先运用四端网络模型（式1）对不同长度和直径的缓冲室结构进行理论计算, 得到能够实现缓冲池定量优化设计的理论模型，从而获得最佳缓冲池结构参数。
)]}/exp()/exp([{)(02l x B l x A I Z x U ⋅−⋅−⋅⋅⋅−⋅=βββ其中，β=(Z1/Z2)1/2，A 和B 可以利用计算机迭代从 Ui (x)推导出，最后的传输矩阵可用于表征光声过程和系统特性。
图1展示了光声缓冲池几何尺寸对光声信号幅值的影响。
图1 光声信号与缓冲池长度、直径的关系曲线 为了验证仿真结果，我们设计了一组不同内径和长度的铝环，通过将铝环逐一填充到缓冲池内减小缓冲池的体积，以得到设计的缓冲池尺寸。
图2为实验系统示意图。
实验结果表明：当缓冲池长度为30mm 时实验和理论结果的平均偏差为1.1%；当缓冲池长度为1/4声波长时背景噪声最小。
由于缓冲池内径大于3倍谐振腔内径时，光声信号幅值几乎不受缓冲池尺寸的影响，综合考虑工程中气体用量的限制，缓冲腔的内径的优化值为3倍谐振腔直径。
变压器状态检修中多种在线监测技术应用
探析变压器状态检修中的多种在线监测技术应用摘要：在检修方式由定期检修到状态检修的转变时期，变压器的各种在线监测手段也得到了加大的提升，两者互相促进、共同发展，色谱分析、红外检测、在线干燥、冷却系统等在线监测等技术得到了成熟的应用，实时反馈了大量的监控数据，对判断变压器的运行状态，制定最佳检修策略，提供依据。
变压器在线检测技术的广泛应用，提高了变压器的运行可靠性和检修效率。
关键词：电力变压器在线监测色谱状态检修引言变压器状态监测，涉及到的主体部件为:磁路、绕组及固体绝缘、液体绝缘、和冷却系统。
拟诊断的故障为:过热性故障、放电性故障、过热兼放电故障、机械故障和进水受潮等。
常用的局部放电监测与诊断，多采用电脉冲信号法和超声法。
对电信号和声信号联合监测取得理想的定量和定位效果，根据视在放电量、分布图谱和放电源的定位，来判断故障。
目前，电力变压器的在线监测是国际上研究最多的对象之一，提出了很多不同的方法。
1. 变压器色谱在线监测系统的的应用在线监测的基本原则是：能够实时、自动、稳定地对变压器油中溶解气体进行监测，不能对变压器的正常运行造成安全隐患，同时要适应环境的变化。
从检测机理上讲，现有油中气体检测装置大都采用以下四种方法1.1气相色谱法变压器色谱在线监测系统的普遍工作流程图为：系统在微处理器控制下进行热油冷却、油中溶解气体萃取、流路切换与清洗、柱箱与检测器温度控制、样气的定量与进样、基线的自动调节、数据采集与处理、定量分析与故障诊断等分析流程。
变压器油在油泵作用下进入油气分离装置，分离出变压器油中的溶解气体，经过油气分离后的变压器油流回变压器油箱，萃取出来的气体在内置微型气泵的作用下进入定量管中。
定量管中的气体在载气作用下进入色谱柱，然后检测器按气体流出色谱柱的顺序分别将六组分气体(h2、co、ch4、c2h4、c2h2和c2h6)变换成电压信号。
色谱数据采集器将采集到的气体浓度电压量通过通讯上传给安装在主控室的数据处理服务器，数据处理服务器根据仪器的标定数据进行定量分析，计算出各组分和总烃的含量以及各自的增长率。
电力变压器的光声光谱油色谱在线监测
摘要：本文介绍了电力变压器光声光谱和油色谱两种在线监测技术原理，并介绍了这两种在线监测技术相关的诊断方法，关键词：变压器油色谱光声光谱在线监测0引言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。
近年来，随着电力变压器在线监测技术得到迅速发展，加上计算机技术和通信技术使得电力变压器检测数据可以及时的处理与传输，并得到实时的运行状态数据，令在线监测技术成功应用于实际的工程中去。
然而，由于检测技术尚有一定的局限性，以及电力变压器内部故障存在的复杂性，当前应用中的在线监测系统的可靠性和稳定性仍显不足。
本文着重分析了电力变压器的光声光谱和油色谱在线监测技术，阐述了两种技术的原理，以及相应的诊断方法等。
1两种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。
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电力变压器光声光谱在线监测原理1.1.1光声光谱技术光声光谱(Photo-acoustic spectrometry) 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。
该技术的优势为：①可实现非接触性检测，对气体无消耗；②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；③各器件的性能稳定，可实现在长期使用中免维护；④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；⑤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，是通过对气体对相应于特征吸收峰的特定波长红外光的吸收量的测量来实现的。
光声光谱微量气体探测在变压器健康监测中的应用_武汉理工大学_黎敏
谐 振 频 率
• 谐振频率
• 结论：灵敏度-样品气量的折中
脱气
脱气机 过滤膜
纳米陶瓷膜管油气分离装置
• 解决了使用寿命问题 • 耐高温，体积小巧 • 没有机械运动部分，500g；
油流动脱气解决堵塞问题
已有产品—英国Kelman
光声光谱+LD调频技术
在泛频带（通信波段
1550nm）
充分利用通信产业带来的优 质器件—高功率和低成本
• 半导体激光器LD和EDFA • 锁相放大器——从噪声中 提取有效信号 气 体
甲烷 CH4 乙炔C2H2 乙烯 C2H4 乙烷 C2H6 水 H2O 一氧化碳 CO 二氧化碳 CO2
近红外吸收波长 （nm）
1650 1533 3200 3600 1530 1570-1580 2004
0.5 0.5
1000 1000
已有测试技术对比
油色谱
已 对所有气体敏感 需要单气体分离耗时、复杂 气体分离膜引入主要误差 乙炔检测灵敏度5ppm
傅里叶红外/光学吸收法：
• 有背景噪声 • 气室长、灵敏度不足
光声光谱法
• • • • 无需单气体分离、光声池小 无背景信号 声检测器件长期稳定性好（200年） 乙炔检测灵敏度~几个ppm
Gas IN Buffer volume Microphone Buffer volume Gas OUT
Input collimator
Longitudinal resonator
Output window
理论分析结果
• 缓冲池长度 • 直径
光 声 信 号 与 背 景 噪 声 光 声 信 号 强 度
光声光谱法（Photoacoustic spectroscopy）
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Photo-Acoustic Spectroscopy: 光声光谱学: 光声光谱学
• Absorbed IR radiation causes rise in temperature,
hence rise in pressure • 吸收红外辐射导致温度上升，因此压力也随之上升
Photo-Acoustic Spectroscopy:
Dissolved Gas Analysis Why photoacoustic spectroscopy? 为何在油中溶解气体分析中使用光声光谱法? 为何在油中溶解气体分析中使用光声光谱法
• • • • • • • • • PAS cell designed for rugged environment PAS 单元为恶劣环境而特别设计 No consumables 无需耗材(如载气、标气和色谱柱等) Minimal maintenance requirements 维护工作量极小 Durability of PAS cell PAS单元经久耐用 Ease of operation & interpretation 易于操作及使用 Cross contamination issues 避免气体交叉污染 Repeatability 重复性好
• Principle discovered in 1880s by Alexander
• • • • • Graham Bell 原理于1880年由Alexander Graham Bell发现 Infra Red radiation absorbed by gas 红外辐射会被气体吸收 Each gas has characteristic IR absorption spectrum 每种气体都有其特有的吸收光谱
Photo-Acoustic Spectroscopy: 光声光谱学: 光声光谱学
• Absorbed IR radiation causes rise in temperature, hence rise in pressure • 吸收红外辐射导致温度上升，因此压力也随之上升 • If the radiation is pulsed at an audible rate the resultant pressure wave can be detected by sensitive microphones. • 如果光辐射由一可听见的频率脉冲调制，则合成的压力波能够由极敏锐 的微音器探测到 • Technique capable of measuring accurate concentrations in a complex cocktail of compounds • 此技术能够准确的测量出鸡尾酒中混合物的浓度
TRANSPORT X – Portable DGA 便携式油中溶解气体及微水分析仪
TRANSFIX – On-Line DGA 在线式油中溶解气体及微水监测系统
Dissolved Gas Analysis Why photoacoustic spectroscopy? 为何在油中溶解气体分析中使用光声光谱法? 为何在油中溶解气体分析中使用光声光谱法 • • • • • 国内比对试验和测试报告: Sichuan EPRI test report.pdf SD_EPRI_FormalReport.pdf 国内专业杂志关于PAS的介绍 PAS介绍.pdf
Photo-Acoustic Spectroscopy 光声光谱学
Applications for Dissolved Gas Analysis 在油中溶解气体分析中的应用
什么是变压器油中溶解气体分析技术
• 它是通过定性、定量分析变压器油中溶解气 体组分和含量以查明产气的原因，分析和诊 断运行中变压器内部是否正常，及时发现变 压器内部存在的潜伏性故障。 • 它是涉及变压器放电和热性问题的综合性检 测项目，监控范围广，易于在线实现。我国 1997年实施的DL/T596-1996《电力设备预防 性试验规程》中，已将它列为首位油浸式电 力变压器试验项目。
Photo-Acoustic Spectroscopy: 光声光谱学: 光声光谱学
• Principle discovered in 1880s by Alexander Graham Bell
• • • • • • • • • 原理于1880年由Alexander Graham Bell发现 Infra Red radiation absorbed by gas 红外辐射会被气体吸收 Each gas has characteristic IR absorption spectrum 每种气体都有其特有的吸收光谱 Level of absorption is proportional to gas concentration 吸收量与气体浓度成比例 Principle of superposition applies 适用叠加原理
变压器故障的分类
变压器等充油电气设备内部的故障一般可分为三大类： 1 过热故障 • 低温过热故障 温度在150℃-300℃ • 中温过热故障 温度在300℃-700℃ • 高温过热故障 温度大于700℃ 2 放电故障 • 高能量放电（又称电弧放电） 特征气体为乙炔和氢气 • 低能量放电（又称火花放电） 特征气体为乙炔和氢气 • 局部放电 特征气体为氢气 3 受潮
DGA Target Gas IR absorption spectra
DGA 特征气体吸收光谱
Photo-Acoustic Spectroscopy: 光声光谱学: 光声光谱学
• Principle discovered in 1880s by Alexander Graham Bell
• • • • • • • 原理于1880年由Alexander Graham Bell发现 Infra Red radiation absorbed by gas 红外辐射会被气体吸收 Each gas has characteristic IR absorption spectrum 每种气体都有其特有的吸收光谱 Level of absorption is proportional to gas concentration 吸收量与气体浓度成比例
变压器油中溶解气体有哪些？ 变压器油中溶解气体有哪些？
• 它是指变压器内以分子状态溶解在油中的气体。 • 主要有H2、CO、CO2、O2、H2O CH4（甲烷）、C2H6（乙烷） C2H4（乙烯）、C2H2（乙炔）
为何使用油中溶解气体分析技术
该技术能够用于诊断充油电气设备内部的潜性故障，原因在于： • 设备有故障时，故障的异常能量会引起设备绝缘材料的裂解， 产生特定种类及含量的低分子气体。 • 因为产生的低分子气体会全部或部分溶解、分布在绝缘油中。 • 低分子气体的种类、含量的大小反映了故障的类型和严重程度
• Principle discovered in 1880s by Alexander
Graham Bell • 原理于1880年由Alexander Graham Bell发现 • Infra Red radiation absorbed by gas • 红外辐射会被气体吸收
Photo-Acoustic Spectroscopy: 光声光谱学: 光声光谱学
• Absorbed IR radiation causes rise in temperature,
hence rise in pressure 吸收红外辐射导致温度上升，因此压力也随之上升 • If the radiation is pulsed at an audible rate the resultant pressure wave can be detected by sensitive microphones. • 如果光辐射由一可听见的频率脉冲调制，则合成的 压力波能够由极敏锐的微音器探测到
Photo-Acoustic Spectroscopy: 光声光谱学: 光声光谱学
• Principle discovered in 1880s by Alexander
Graham Bell 原理于1880年由Alexander Graham Bell发现
Photo-Acoustic ห้องสมุดไป่ตู้pectroscopy: 光声光谱学: 光声光谱学