光声光谱法监测变压器油中气体含量可行性研究报告

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1、国 家 电 网 公 司 科 学 技 术 项 目可 行 性 研 究 报 告项目名称：基于光声光谱法的变压器油中气体含量在线监测系统的研究与开发申请单位：起止时间： 2009 年 01 月 至 2010 年 12 月项 目 负 责 人 ：联系电话：手 机：电子邮件：传 真： 通信地址：邮政编码：目的和意义为保证电网的安全，必须保证电气设备健康、 稳定地运行。检测电气设备的方法有常规的预防性试验和在线监测技术。预防性试验实际上是对电气设备进行定期停电试验、检修和维护。在电气设备故障 诊断、防止 设备事故发生、保证安全可靠地供电方面，这种计划的维修体系无疑起着很好的作用，但随着电力系统电压等级的不断提

2、高，这种试验方法诸多的弊端便显露出来。预防性 试验的电压等级很低、检测周期也比较长，其 试验结果对长期运行的电气设备缺乏真实性的评判。而且大部分的电气设备需要进行停电检修，造成大量的经济损失。另外，对设备进行定期检修，具有很大的盲目性和强制性，因而可能造成过度检修，在 过度检修的同时 也可能给设备埋下新的隐患。考虑到预防性维修体系的局限性，为降低停电和维修费用，提出了预知性维修或状态维修这一新的概念，其实际 就是对电气设备进行连续的在线监测。这样就能及时发现设备运行中的事故隐患，及时报 告给检修人员；避免盲目性地维修设备，造成经济损失；对于已有隐患的设备，也能跟踪其潜伏性故障，最大限度地利用设

3、备，提高使用效益。电力变压器油中气体含量的检测通常采用色谱检测法，离线式的色谱监测仪存在一系列的不足之处，脱气作业存在人为误差， 检测曲线的人工修正也会加大误差；从取油样到油气分离再到实验室分析，作 业程序复杂，花 费时间长 ；另外,绝缘劣化的发展有快有慢， 预防性试验不能实时地发现故障， 对电力变压器油中气体含量实施在线监测已成为迫切的需要。目前，对电力变压器进行故障判断的方法主要有局部放电诊断法和绝缘油中气体含量的监测法，局部放电的监测 判断法容易受到现场的电磁场干扰，放电信号难以提取， 对变压器故障判断的有效方法还是绝缘油中气体含量监测法。由于电力变压器、电抗器、套管等电气设备均选用油或

4、油纸和纸板组成绝缘结构，当设备内部发生热故障、放电性故障或油、纸老化 时，会产生多种气体。 这些气体会溶解于油中，不同 类型的气体及浓度可以反映不同类型的电气故障。绝缘油中气体含量的检测方法可分为离线式和在线监测式两种，离线式的气相色谱仪具有选择性好、分离性能高、分离时间快、灵敏度高和适用范围广等优点，但是,色谱分析仪是一套精密而复杂的检测装置,整个分析时间长、需要熟练的试验人员、对环境条件的要求较高，整套设备体积较大，只适于在实验室内进行检测 ；在线监测式的气相色谱监测系统很好地解决了离线式色谱仪的检测周期长、分析时间长等缺点。但是目前大部分在线式的监测系统检测精度低、不稳定、后期维护量大,

5、安装运行后不久便停止使用。因此 ,研制一种既能取代离线式色谱仪,又能够长期稳定运行于现场的在线监测设备极为必要.近几年来，随着电力电子技术、 传感技术、现场总线 技术、专家系统、神经网络诊断系统等技术的快速发展，电力系 统在线监测技术日趋成熟。实现电力变压器油色谱在线监测的方法可分为传统气相色谱法、傅立叶红外气体分析法、光声光谱法、 传感器阵列检测法。这些方法中各有优缺。气相色 谱法在线监测系统的原理是先从变压器油阀取出一定量的油，使用高分子薄膜、分子筛实现 油气分离，将分离后的混和气体送往色谱柱实现组分分离，依靠检测器检测出各种气体的浓度。其检测气体种类、精度、范 围，根据系统使用的检测器有

6、关。这 种方法应用于在线监测技术检测精度高，但是需要定期进行维护， 稳定性差。傅立叶红外气体分析法是利用不同的气体在红外有其特性吸收峰值的原理，具有检测速度快、准确度高、非接触性检测、容易维护等特点，但不能检测氢气，价格昂贵，难以广泛普及。传感器阵列检测法是用多个气敏传感器组合在一起组成传感器阵列，不使用色谱柱分离气体，直接把传感器放入到混合气体中检测，然后采用信息融合技术提取各中组分气体的浓度，解决了传感器交叉敏感无法定量的问题,但该方法存在检测灵敏度不高，恢复时间长等缺点。气体光声光谱法是通过检测气体分子对激光光子能量的吸收来定量分析气体的浓度，它属于测量吸收的气体分析方法，相对于直接测量

7、光辐射能量的检测方法增加了把热能变成声音信号的过程，也属于 热测定的方法。如果把光源用某种声频进行调制，在一个特制的光声池中就可以通过微型拾音器探测到与频率相同的声音信号，这就是待测的物质光声信号。如将光声光谱法应用于 变压器油中气体含量在线监测，具有检测灵敏度高， 需 要 的样 气 极 少 ，从 而 大 大 地 减 少 油 气 分 离 时 间 ，缩 短 了 测 量 周 期 ；对 比 傅 立 叶 红 外 光 谱 法 ，除 了 常 规 的 烃 类 气 体 外 ，还 能 检 测 氢 气 ，且 测 量 精 度 更 高 ；无 需 任 何 载 气 ，方 便 设 备的 维 护 ；无 需 定 期 标 定 ；

8、无 需 预 热 、检 测 时 间 快 ；稳 定 性 好 ，使 用 寿 命 长 等 。从 这 些 特点 看 出 ，光 声 光 谱 法 应 用 更 适 合 应 用 于 变 压 器 油 中 溶 解 气 体 含 量 在 线 监 测 系 统 。因此 ，我 们 研 制 基 于 光 声 光 谱 法 的 变 压 器 油 中 气 体 含 量 在 线 监 测 系 统 ，致 力 于 提 高 该类 在 线 监 测 系 统 的 性 能 ,为 变 压 器 绝 缘 故 障 诊 断 技 术 提 供 更 可 靠 的 诊 断 数 据 。目 前 ，国 内 尚 无 此 类 自 主 知 识 产 权 的 产 品 ，国 外 同 类 产 品

9、 价 格 为 每 套 120万 元 ,价 格 昂 贵 。研 制 基 于 光 声 光 谱 法 的 变 压 器 油 中 气 体 含 量 在 线 监 测 系 统 ，使 用 较 低 成本 研 制 出 性 能 稳 定 、测 量 精 度 高 、选 择 性 好 的 设 备 ，将 有 效 地 抑 制 国 内 外 变 压 器 在线 监 测 设 备 的 价 格 ，为 我 国 的 电 力 建 设 事 业 节 约 大 量 资 金 。通 过 本 项 目 的 研 究 开 发 ，将 解 决 目 前 绝 缘 油 中 气 体 含 量 在 线 监 测 类 产 品 检 测 精度 低 、稳 定 性 能 差 、现 场 维 护 困 难

10、的 问 题 ；形 成 一 套 具 有 自 主 知 识 产 权 的 变 压 器 油 中气 体 含 量 在 线 监 测 系 统 。国内外研究水平综述近年来，国外普遍开展了在线监测变压器油中溶解气体的研究。较典型的有加拿大Syprotec公司的法拉第变压器看护单元（Faraday Transformer Nursing Unit，简称TNU ）、Hydran201i智能型在线式变压器早期故障监测装置：该装置是使用了可透气浸润薄膜分离气体，使用燃料电池型检测器，以检测H 2为主，实际测量的是H2、CO、C2H6及C 2H2的总和。美国Serveron公司的TrueGas气体在线监测仪。以99.9999

11、%的超高纯He为载气，以 热导池为检测器，可测量8种气体，包括H 2、CO、CO2、O2、CH4、C2H6、C2H4和C 2H2。测量结果可由软件以图表方式直观显示，与之相关的变压器内部状况的诊断结果可以直接给出。对C2H2、C2H4、CO、CO2的测 量灵敏度可达1L/L 或10%(取大者)，其他4种气体的测量灵敏度可达10% 。其工作环境温度范围很宽，可从 -40 +55。建议的采样周期为24小时。但是，其采样的周期长，消耗载气，而且精度相对PAS法的DGA 监测仪不高。加拿大Syprotec公司早在二十世纪七十年代就研制了Hydran在线H 2检测仪。可以连续监测油温、 负载、绕组温度等

12、参数。 应用循环回路采取油 样，油样连续流过浸润薄膜时，油中溶解气体脱出进入气室；气室的氢气由Syprotec公司的HYDRAN传感器测定；其它气体由FTIR分析，依据每种气体 对其特征波长的吸收量测 定。Syprotec声称它已成功避免了约100次变压器灾难性事故。日本日立、三菱公司研制了能在 线监测H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C2H2六种气体的装置，但其检测周期长达710天，精度 为1520ppm。由于PAS法灵敏（对于微弱气体的含量可以精确到1ppm ）、快速、准确和测定范围广的优点，故在微量气体的科学研究中发挥了重要的作用。随着现代微弱信号测量技术的发展以及激光器和微音器的

13、发明，使得PAS技术被广泛运用在各方面。近十年来光声池的运用，更推动PAS技术走向一个新的台阶。20世纪70年代初，国外红外傅里叶变换（FTIR ）开始广泛 应用，但是直到2003年，英国的Kelman公司才推出了基于光声光谱的便携式DGA ，2007年该公司推出了基于光声光谱技术的TRANSFIX DGA在 线检测仪。 该设备可以检测8种故障气体(包括C 2H2、C2H4和H 2)和微水，无需载气或标气，多种本地和远程通讯选项（有可编程报警系统），易于安装， 实时测试DGA 结果可达到每小时一次，具有 window特征气体分析软件。可是由于国内国际标准不统一，而且该设备测量乙炔气体的精度不高

14、，影响 现场诊断变压器故障的准确性， 导致国内用户对该设备并不看好。由于国内变压器油与国外变压器油成分不完全相同，因此在使用国外监测设备时均存在仪器测试数据转换存在误差等问题，使用时需要积累一定的数据和经验，才能应用测量结果对变压器性能做出初步判断。国内的有东北电力科学研究院的大型变压器色谱监测装置1994年投入运行，主要针对500 KV以上大型变压器。 上海思源电气股份有限公司研制了TROM-600 变压器油色谱在线监测系统。要采用特殊材料制造的色谱柱作为特征气体分离的主要元件，才能保证测量的灵敏度。宁波理工监测设备 有限公司的MGA2000-6 型变压器色谱在线监测仪。它的油气分离单元采用

15、了玻璃态聚合物的M40油气膜和气体多 组分检测传感器（包括热导池、半导体气敏传感器）。热导池测 量范围可达100%，以 进口高 纯He作载气，在实验室也只能检测出5L/L 以上的C 2H2；这是其致命的弱点，因为它不能 检出预试规程规定的1L/L的C 2H2注意值。 半导体气敏传感器能 够测量低浓度的多种气体，在油蒸汽中、高湿度和温度 变化中能保持长期的稳定性。其缺点是反应输出非线性，而且必须工作在氧化环境中，否 则气敏反应的恢复时间会达到30s以上，使各峰出现严重拖尾现象，强峰后的弱峰因严重的非线性干扰而难以准确测量，这使得 对保留时间相近的两峰中的后峰的测量特别困难。 国内的研究状况有如下

16、几个特点：（1）原理性研究的居多。变压器油的气相色谱法的技术理论和实验技术基本上已经成熟，可以比较容易地实现，而且已经应用到现场，但是光声光谱的DGA在线监测很少有人涉足，且也只是一些单位，尤其是高校等研究机构通过各种渠道申请到项目，做一个 实验样机，在 实验室环境下组织 一个鉴定就算完成任务，但这样的系统离实际应用的水平还相差甚远。（2）技术指标相对落后。国内在线监测系统的技术指标相对国际水平来说还比较差，尤其是在可靠性和分辨率等关键指标上还不能满足现场苛刻条件使用的要求。对于FTIR技术，目前已经不少国内厂家生产的红外FTIR光谱仪可以同国外媲美，如北京瑞利公司出品的WQF-510/520和北京华夏科创仪器技术有限公司的傅立叶变换红外光谱仪等。但是，对于PAS技术国内的生产厂家 还相当不成熟，几乎为零。 （3）产品的抗干扰和可靠性差。大多数产品在实验室使用是效果还可以，测量的数据结果可以接受。但是拿到现场 使用时， 测量的数据可靠性和重复性都很差，精度不高。甚至遇到略大一些的电磁干扰后， 则完全无法工