变压器光声光谱

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1、变压器光声光谱公司内部档案编码：OPPTR-OPPT28-OPPTL98-OPPNN08变压器油中气体在线监测技术是以油中溶解气体为监测对象，应用该技术可及时掌握变压器的运行状况，发现和跟踪存在的潜伏性故障。 配合计算机系统对故障进行诊断，可以避免部分灾难性事故，实现状态 检修、降低维护成本、提高自动化程度，提高变电站运行管理水平。近 年来，油中溶解气体在线监测技术研究应用发展迅速，应用气体传感器 开发研制小型气体检测装置，已成为新的发展趋势，目的在于实现对变 压器油中溶解气体进行在线监测，随时掌握设备的运行状况。油溶气体变压器油是天然石油经过蒸馏精炼而成的一种矿物油，由许多不同 分子量的碳氢

2、化合物分子组成，其中碳、氢两种元素占总重量的 95以 上，分子中含有-CH、-CH和-CH化学基团，由C-C键连接在一起，当放 32电或温度过高时，某些 C-H 键和 C-C 键断裂，伴随生成少量活泼的氢原 子和不稳定的碳基化合物的自由基，这些氢原子或自由基通过复杂的化 学反应迅速重新化合，形成氢气和低分子烃类气体，如甲烷、乙烷、乙 烯、乙炔等，也可能生成碳的固体颗粒以及碳氢聚合物（即 x 腊）。故障初期，所形成的气体溶解于油中，当故障能量较大时，也可能 聚集成游离气体，低能量放电性故障，如局部放电通过离子反应，促使 最弱的C-H键断裂，主要重新化合成氢气而积累。C-C键的断裂需要较多 的能量

3、，即较高的温度，然后迅速以C-C键、C=C键和C三C键的形式重 新化合成烃类气体，所需要的能量越来越高，即故障温度也越来越高。 虽然在温度较低时也有少量乙烯生成，但乙烯主要是在高于甲烷、乙烷的温度，即大约500C下生成。乙炔一般在800C-1200C下生成，而且 当温度降低时反应迅速被抑制，作为重新化合的稳定产物而积累，因此虽然在较低的温度下有时也会有少量乙炔产生，但乙炔主要是在电弧的 弧道中产生。变压器油起氧化反应时伴随生成少量的一氧化碳和二氧化碳，并且 能长期积累，成为数量显着的特征气体。固体绝缘的主要成分是纤维 素，纤维素具有很高的强度和弹性，机械性能良好，其分子内含有大量 的无水右旋糖

4、环，以及弱的 C-0 键，它们的热稳定性比油中的碳氢键 差，并且能够在较低的温度下重新化合。聚合物裂解的有效温度高于105C，完全裂解和碳化高于300C，在生成水的同时，产生大量的一氧化碳和二氧化碳，以及少量烃类气体和 呋喃化合物，同时油被氧化。一氧化碳和二氧化碳的生成不仅随着温度 升高而加快，并且随着油中氧的含量和纸的湿度增大而增加。开放式变压器溶解空气的饱和量为 10%，设备里可以含有来自空气中 的300 u L/L的二氧化碳在密封设备里，空气也可能经泄漏而进入设备油 中，油中的二氧化碳浓度将以空气的比率存在。设备固体绝缘材料老化 时，二氧化碳除以一氧化碳的比率，该比率大于 7。当怀疑故障

5、涉及到固 体绝缘材料时，该比率小于 3，还应该从最后一次的测试结果中减去上一 次的测试数据，重新计算比值。故障类型主要气体组分次要气体组分油过热CH、CH424H、CH2 2 6H、CH2 2 6CH、CH、CO2 2 2 6 2油和纸过热CH、CH、CO、CO42 42油和纸绝缘中局部 放电H、CH、CO24油中火花放电H、CH2 2 2油中电弧H、CHCH、CH、CH22 242 426油和纸中电弧H、CH、CO、COCH、CH、CH2 2 2242 426变压器油中气体的组分和成因油溶气体监测现状 随着在线监测技术的发展，国外公司已开发出全组分气体的在线监 测装置。英国 Kelman 公

6、司的 Transfix 在线油中溶解气体分析仪利用动 态顶空平衡法脱气，使用光声光谱法(Pho toacous ticSpec troscopy,PAS )技术作气样监测，克服了环境变化、仪器恒温、信 号干扰、机械振动等各种难题，成功地实现在线监测变压器油中的八种 故障气体及微水的在线监测。美国AVO公司的TmeGas变压器油中气体在 线监测设备可监测多达八种气体。澳大利亚的 DRMCC 变压器在线监测系 统可持续、在线、多方位监测变压器的工作状态，主要监测对象包括溶 解在油中的氢气、水、绕组温度、调压抽头位置等参数。美国 CONEDISON 公司利用红外光谱的原理来分析并测量CH、CH、C0

7、、C0、CH，用一个 4 2 4 2 2 6 氧化物电化学传感器测量 H 的浓度。国内研制的同类产品有宁波理工监2测设备有限公司推出的 TRAN-B 型变压器故障在线监测设备。重庆大学研 制的在线变压器故障预测系统能够在线监测油中 H、CO、CH、CH、2 4 2 2CH、CH 等6种气体的浓度，并采用灰色聚类、糊模式多层聚类、核可2 4 2 6 能性聚类等多种算法预测油中溶解气体在未来时刻的浓度并诊断变压器 在未来时刻的绝缘状况。气相色谱气相色谱技术的基本原理是使样品蒸发后注入色谱柱内进行分析。气样由惰性载气携带缓缓通过色谱柱后到达检测器,其间需控制色谱柱的温度以便当气样通过色谱柱时由于其中

8、各类化合物析出时间不同而达到对其分离的目的。随后,将由检测器得到的各化合物析出图谱的时间、面积等参量与该化合物已知浓度图谱对照后得到其浓度值。显示 模块色 iff 柱蠶載气瓶A高箱度丸DC BK 及 CPU 控制模块热导池检測器气相色谱检测系统工作原理图有时需要采用多个色谱柱及检测器以便对样品进行精确分析。在油中溶解气体分析过程中,在将气样注入色谱柱之前,先通过真空或顶空脱气法获得气样。光声光谱 光声效应是由气体分子吸收特定波长的电磁辐射（如红外光）所产 生。气体吸收辐射后导致温度上升,此时如将气体置于密闭容器,温升相 应导致气体压力增高。如采用脉冲光源照射密闭气体,利用灵敏的微音器 即可探测

9、到与脉冲光源频率相同的压力波。但若将光声效应用于实际检 测,则须满足两个前提条件:首先需要确定每种气体特定的分子吸收光谱 的特性,从而可对红外光源进行波长调制使其能够激发某一特定气体分子 其次则是确定气体吸收能量后退激产生的压力波强度与气体浓度间的比例关系。气体（分子量）吸收波长/nm灵敏度/pLL-1重叠可测范围(kelman)uLL-1CH (14)3390CH CH1000042 62 47746CH227974HO2CH (30)3390HO31000026211614CH (28)3390HO1000024294251019411111CH (26)7746HO11000022212

10、77114085CO2CO (28)46511000CO (44)4405CH200002140852214970H（2）5200002各种气体的红外区可测波长因此,通过选取适当的波长并结合检测压力波的强度,就不仅可验证某种气体是否存在,更可确定其浓度。甚至对某些混合物或化合物也可作一个简单的灯丝光源可提供包括红外谱带在内的宽带光辐射,采用抛 物面反射镜聚焦后进入光声光谱测量模块。以恒定速率（30Hz）转动的调 制盘可产生频闪效应以便对光源进行频率调制。在入射至光声室之前,红 外辐射需透过一系列滤光片。不同的滤光片仅允许透射与某种分子光谱波长一致的光辐射,以便激发某种化合物分子。将气态样品注入

11、光声室后 , 记录由微音器检测到的入射光透射各滤光片后激发气体样品产生的压力 波强度。相应的数值则代表样品中所含特征气体的浓度值。英国 Kelman 公司专门研制开发用于变压器现场及在线油中溶解气体分析的核心光声光谱测量模块，该模块外形尺寸为160X 150X 140mm,重 量小于2kg。并配有系统测量及控制所需的电子处理系统。将该测量模块 与专门设计的油样采集及气体萃取等系统相结合后就构成了 PDGA型便携式、全自动油中溶解气体检测系统。图3给出了系统示意图,并对该仪器 的各主要部件加以说明。PASJWffl模块nn 口 打印机气路滤片顶空采样瓶油样 磁性搅拌子 交变磁场LCD 触摸屏工控

12、机图 3PDGA 型便携式油中溶解气体及微水检测系统工作原理图仪器油样采集的方法与常规油样采集方法相同,而后将注射器内油样直接注入仪器顶空分析器的样品瓶。随后对油样进行电磁搅动使其中的溶解气体不断蒸发,同时使顶空内的气体在气路内循环。一旦气液相浓度 达到平衡状态,仪器内的 PAS 光声光谱测量模块立即对顶空内的气样进行 分析,并将最终得到的各气体浓度结果一同显示出来。光声光谱与气相色谱测量原理监测系统的常规对比 采用光声光谱测量原理的系统结构简单可靠，而采用气相色谱测量原理的系统结构相对复杂。因此前者的系统可靠性更高。采用光声光谱 原理仪器核心部件就是采用动态顶空法的脱气模块和采用光声光谱原理

13、 的光声光谱测量模块。在动态顶空室经过高效脱气分离后的混合气体直 接进人光声室，由光声光谱测量模块进行检测，不需要组分分离模块。采 用气相色谱测量原理的系统的性能主要取决于油气分离模块、组分色谱 分离模块，气体检测模块的性能。而实现组分分离也是在线色谱的核心， 组分分离度和进样量两项指标直接影响了系统的性能。良好的组分分离 度要求各组分都可以得到很好的分离，而进样量的一致性则对测量结果影 响较大。对柱温的精确要求以及对高精密气路切换的要求等极大地增加 了系统的复杂性，导致了系统可靠性的降低。总之，系统结构的复杂和不 稳定性成为制约系统可靠性的瓶颈。 采用光声光谱测量原理的系统测量技术先进,代表

14、了未来变压器油 中溶解气体及微水在线检测的发展趋势。而采用气相色谱测量原理的系 统在早期应用得更为普及。前者的测量精度更高,重复性好,乙炔的最低测量下限超过了国家标准,而后者的测量精度相对较低。气体种类光声光谱 检测范围fPPm气相色谱 检测范围/Ppm国标最小 检知浓度/ ppm氢气（Ha）2-50005-3000W5一氧化碳（cop2500005-3000025氧化碳（CO）1 50000310000W25甲烷(CH4)0-5000010-5000乙烷(C2H6)0.1500005-5000乙烯0.1-500003-5000乙快(C2H2)0J50000】顶0氧气(02)|100-500002-5000主要技术指标对比表 采用光声光谱测量原理的系统测量效率高，而采用气相色谱测量原 理的系统的测量效率相对较低。前者的最短检测周期可达 1h 次,能最大 程度的体现在线检测的意义。光声光谱系统采用高效的动态顶空法进行 脱气，所需要的油样少，脱气时间短，在很短的时间就可以达到动态平衡。 测量周期最短可以设置成1h次,能最大程度的实现在线检测。而采用气 相色谱测量原理的系统，其脱气过程大多比较长。