供应光声光谱法变压器在线监测系统
曾毅+李志军+严新荣+冯英岭+宗起振+吴淼
摘 要：发电厂作为智能电网的起点，其安全运行的重要性不言而喻，而发电厂中变压器作为发电输电的关键设备，需要长期高负荷运行，一旦发生故障会对电厂的经济效益和社会生产造成巨大影响。光声光谱技术作为一种新的变压器油中溶解气体在线监测技术，相较于传统的气相色谱法有着诸多优势：测量精度高、检测时间短、长期稳定性好、无需载气结构简单、多种气体同时在线监测、显著减少维护成本等。由此可见，光声光谱法更加适用于变压器油中气体在线监测，能够对变压器状况做到实时监测，对典型故障作出预警，增加变压器的安全性和可靠性。实际应用结果表明，具有及其广阔的推广应用前景。
关键词：光声光谱；在线监测；溶解气体分析；DFB；有源光声池
中图分类号：TP31 文献标志码：A
Photoacoustic Spectroscopy Applyed to Transformer On-line Monitoring in Power Plant
ZENG Yi1，LI Zhi-jun2，YAN Xin-rong3，FENG Ying-ling2，ZONG Qi-zheng2，YU Miao4
（1.Anhui Huadian Luan Power Plant Co.，LTD，Luan，Anhui 237126，China；
2.Guodian Nanjing Automation Share Co.Ltd，Nanjing，Jiangsu 211153，China；
3.China Huadian Group Environmental Science and Technology Department，Beijing 100073，China；
4.Wuxi Entry Exit Inspection and Quarantine Bureau，Wuxi，Jiangsu 214000，China）
Abstract：Power plant as the starting point of the smart grid，the safe operation is the importance of self-evident，the transformer in power plants as the key part of power transmission equipment，had been worked in high load for a long time，In the event of failure，it will make huge impact economic to power plant and social production.Photoacoustic spectroscopy as a new kind of dissolved gas in transformer oil online monitoring technology，compared with the traditional gas chromatography has many advantages： high accuracy，short test time，good stability with long-term，no need carrier of simple structure，kinds of gas monitored on-line at the same time，reduced the maintenance costs significantly，etc.Photoacoustic spectroscopy，therefore，is more suitable for gas in transformer oil on-line monitoring，will achieve real-time monitoring of transformer condition and the typical fault warning.The practical results show that，it has the broad application prospect.
Key words：photoacoustic spectroscopy；on-line monitoring；dissolved gas analysis ；DFB；active photoacoustic cell
1 引 言
发电厂作为智能电网的起点，其安全运行的重要性不言而喻，而发电厂中变压器作为发电输电的关键设备，需要长期高负荷运行，一旦发生故障会对电厂的经济效益和社会生产造成巨大影响。变压器运行可靠才能保障智能电网的运行安全，所以我们需要对变压器运行和健康状态进行实时监测，预估故障的发展趋势并及时作出处理，保证变压器安全运行。
目前大部分变压器是以绝缘油作为绝缘介质的，即油浸式变压器。油浸式变压器长时间运行会导致内部绝缘部件老化甚至发生缺陷，在热、电、机械、化学等因素作用下会产生局部放电和有害气体，严重威胁变压器运行的稳定性和安全性[1]。对变压器油中溶解气体的监测和分析能够有效判断变压器的运转和健康状态，是保障变压器正常运转和延长寿命的重要手段。传统方法是对变压器油中溶解气体做离线分析，效率低费时费力且不能及时发现隐患故障；目前广泛应用的油中溶解气体在线监测方式是气相色谱法，也存在定期更换载气，测量精度有待提高等缺点。气体光声光谱（Photo Acoustic Spectroscopy，PAS）检测技术是基于光声效应原理的一种微量气体检测技术，具有不消耗载气、检测时间短、长期稳定性好、多种气体同时检测和结构簡单等优点[2]，是油中溶解气体在线监测较为理想方法，是目前国际研究的热点方向，本文所采用的光声光谱技术可以很好的解决上述问题。endprint
2 光声光谱气体检测技术原理
光声光谱技术是基于光声效应的一种吸收光谱检测技术。被测样本气体吸收经过调制的特定波长的光后被激发[4-9]（如图1所示），处于激发态的气体
分子与基态分子发生碰撞，吸收的部分光能通过无辐射弛豫过程转变为平动动能（V-T传能过程），使气体温度呈现出与调制频率相同的周期性变化，进而导致压强的周期性变化，产生声音信号；当操作条件一致时，被测组分的质量（或浓度）与检测器给出的响应信号成正比[3]。
气体光声信号的产生过程为：气体密闭于光声腔中，激励光源受到谐振频率ω的调制，加热过程将周期地变化。根据气体热力学定律，周期性的温度变化将产生同周期的压力信号。这种跃迁-弛豫过程处于非饱和状态，光声腔为圆柱形结构，光强度的调制频率等于光声腔的某一阶谐振频率ωj，则光声信号和各组分气体浓度之间的关系可以表示为
S（λ）=CcellP（λ）Ntot∑nk=1ckσk（λ）（1）
式（1）中，S（λ）為光声信号，Ccell为光声池常数， P（λ）为光强度，Ntot为气体分子密度，ck为第 k 组分气体的浓度， σk（λ）为第 k 组分气体的吸收截面[3]。根据光声信号强度和气体体积分数及光强度成正比的原理，调制的光源光强度一定时，气体的体积分数可以根据光声信号的强度来得到。
光声光谱气体检测系统主要包括可调制DFB激光光源、光声池、微音器、光电探测器和控制处理系统。调制光脉冲信号注入含有待测样本气体的光声池中，气体分子吸收光能后被激发跃迁至激发态，然后经过V-T过程将能量转化为动能，在光声池中形成压力波，安装在共振管上的微音器将之转化为电信号送至控制处理系统，控制处理系统将微音器信号和光电探测器信号进行综合分析计算，最终得到气体浓度。如图2所示为光声光谱气体检测系统结构示意图。
3 PAS油中气体在线监测系统结构
基于PAS的油中气体在线监测系统主要由柜体、油气分离单元、光声光谱检测单元、智能监测单元等组成，如图3所示。
3.1 柜体
发电厂变压器一般处于室外，油中气体在线监测系统从变压器中取油，需要就近安装在变压器附近，监测系统所处环境较之实验室要更恶劣。为内部各单元特别是光声光谱检测单元提供良好温湿度和低噪音工作条件，提高检测结果的准确性，基于PAS的油中气体在线监测系统的柜体为不锈钢，双层保温结构，并配有温湿度控制装置，控制柜内温度范围在5 ℃-30 ℃，相对湿度不大于75%。有较为严格的密封要求，柜门与柜体接触的线加装密封条，满足IP55防护等级。
3.2 油气分离单元
油气分离单元的原理是持续式等量进回油原理，具体工作流程为：采用独特的持续式等量进回油原理，变压器油从进油口持续流经油气平衡气室，智能PID流量自适应泵将进油口油流量实时等量输出至出油口，在油流输送过程中，油中溶解气体迅速析出至油气平衡气室，直至油气平衡状态；相比于常规的依靠固定量体积油样的脱气方式，其参与脱气的油样不限量，一直保持新样品油流经脱气室，此方式下保证液相中气体浓度始终保持不变，从而保证达到气液平衡时气相中气体浓度在同等条件下的最大值；与常规真空脱气或顶空式脱气方式相比，结构简单，而且脱气率高。脱出的气体送入光声光谱单元供检测。油气分离单元如图4所示。
3.3 光声光谱检测单元
光声光谱检测单元由主要由光模块、锁相控制块、光开关、光声池，微水含量传感器、燃料电池六个部分组成，构成图如图5所示。
光声光谱检测单元的工作流程为：样本气体注入光声池后，锁相板通过通讯总线向光源模块下达工作指令，光源模块激光器工作；锁相板控制光开关，将待检测气体对应的激发光源切换至光声池；在光声池中，特定气体在吸收调制的激光后，将产生和调制光源同频的压力变化信号，压力信号经微音器变换后变成电信号；锁相板采集微音器返回的电信号，经变换后计算出压力；最后折算出光声池中对应气体的浓度。
油中溶解气体主要由H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6和微水等，其中微水由微水传感器测得，H2通过燃料电池测定，其它组分通过相应的光声光谱模块测定。
3.4 智能监测单元
智能监测单元的作用主要是控制其他各单元工作流程、数据存储分析、故障诊断分析、界面显示和通信管理等。
通过智能监测单元，可以设置PAS油中气体在线监测系统的时间、开始工作时间、采样间隔和通信参数等，可以通过web形式实时查看采集的气体浓度数据和历史数据和波形，并根据IEC60599标准利用三比值法、大卫三角形法和立方体法得到初步的变压器健康诊断结果[10]。
智能监测单元内部集成了IEC61850通信功能，可直接与后台实现数据交互。对于发电厂而言，也可采用基于IEC60870-5-103/104通信规约将相关数据上传至电厂的生产管理系统。
4 PAS油中气体在线监测系统在电厂中的应用特点
4.1 采用近红外DFB激光光源
目前光声光谱技术用来检测气体浓度，最常见的是选用中红外的光源做激发光源，主要是气体分子对中红外光吸收强，后续处理比较容易。但工程应用中，对于多组分的变压器油中溶解气体在线监测来说，每种气体选用一种中红外光源是不现实的，其高昂的价格限制了产品的大规模推广应用。
因此，我们用通讯波段近红外DFB激光器作为激发光源，光源的谱线宽控制在0.03nm的范围内。根据HITRAN数据库检索数据，确定每种气体的谱线段；再用长光程吸收池标定每种气体相对较强的吸收峰，波长精确到0.01nm，剔除组分气体交叉吸收的波长，确定每种气体最优的吸收波长。
由于气体分子吸收峰十分窄，因此在应用中必须对保证激光源的波长同气体特征吸收峰一致，波长误差控制在0.01nm范围内。endprint
窄带光源和宽带光源在PAS中的应用如图6所示，宽带光源会覆盖多个气体组分的吸收波长，检测结果也就包含了多个气体组分。窄带光源一次脉冲只覆盖一个气体吸收波长，排除了其它气体的干扰，可以得到该气体准确的检测结果。
4.2 有源气室谐振光声池[3]
由于采用了近红外光源，气体的吸收峰并不是其最强的部分，导致调制过程中产生的光声信号十分微弱，测量困难且定量测量误差变大。要提高测量精度，方法一是提高激光源功率，这会大幅提高光源的价格，不利于大规模的工程应用；
方法二是提高光源的利用率；方法三是对光声信号进行物理放大，这也是最为普遍的方法。
传统光声光谱检测系统是利用斩波器对光源调制后在注入光声池，此法会损失光源功率[11]。而采用了有源气室谐振光声池设计，即将红外光源直接与光声池耦合，可大幅提高光源的利用率，在不提高光源功率前提下增加可用光功率。 对光声信号处理上，先确定微音器的最优工作频段，再确定光源的调制频率，通过光声池模拟仿真设计，确定气量和Q值最优组合方案。
5 结 语
光声光谱作为一种新的变压器油中溶解气体在线监测检测技术，相较于传统的气相色谱法有着诸多优势：检测时间短、测量精度高、稳定性好、无需更换载气、结构简单、同时对多种气体在线监测、显著减少维护成本等。随着光声光谱法技术的发展和推广，通过对电厂变压器油中气体实时在线监测，并对典型故障作出预警，满足变压器状态检修的需求，增加了变压器运行的安全性和可靠性，因此光声光谱技术对变压器智能运维的具有重要的参考价值。
参考文献
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