劉 森，王 媛

(1.國核電力規(guī)劃設計研究院，北京 100095；2.華北電力科學研究院有限責任公司，北京 100045)

變壓器是電網(wǎng)系統(tǒng)的核心設備之一，它的運行狀態(tài)對系統(tǒng)安全具有重要影響。隨著對變壓器運行維護要求的不斷提高，變壓器故障在線診斷技術的研究工作得到了越來越多的關注。油浸電力變壓器在正常運行中和發(fā)生故障后，在熱、電的作用下，其絕緣油及有機絕緣材料會分解出H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，CO和CO2等氣體，這些氣體可用于判斷故障類型及故障部位。對特定油中溶解氣體進行定性定量分析，可以直觀、高效地預判出電力變壓器的潛伏故障。目前應用最為廣泛的氣相色譜法試驗環(huán)節(jié)多、操作手續(xù)繁瑣、檢測周期長的特點，限制了其在現(xiàn)場檢測工作中的應用。將光聲光譜技術應用于在線監(jiān)測，可以實時監(jiān)測變壓器油中溶解氣體和微水，較于傳統(tǒng)氣相色譜技術具有穩(wěn)定性強、檢測周期短、操作容易等優(yōu)點。本文介紹了光聲光譜技術的原理和發(fā)展狀況，對其在變壓器油中溶解氣體在線分析中的應用進行了研究，并對其在實際工程中的運用和發(fā)展進行了討論。

1 光聲光譜法檢測油中溶解氣體的原理

1.1 光聲光譜技術

光聲光譜(Photo-acoustic spectrometry) 技術是基于光聲效應來檢測吸收物體積分數(shù)的一種光譜技術。該技術的優(yōu)勢為：①可實現(xiàn)非接觸性檢測，對氣體無消耗；②無需分離氣體，不同氣體的成分和含量可直接通過光譜分析確定；③各器件的性能穩(wěn)定，可實現(xiàn)在長期使用中免維護；④能夠?qū)怏w吸收光能的大小進行直接測量，且比傅里葉紅外光譜技術靈敏度更高；⑤測量的精度高，范圍廣，同時檢測速度快,具有重復性和再現(xiàn)性。一般情況下，多數(shù)氣體分子的無輻射躍遷主要處于紅外波段，因而光聲光譜技術對氣體的定性定量分析，是通過對氣體對相應于特征吸收峰的特定波長紅外光的吸收量的測量來實現(xiàn)的。

1.2 光聲光譜應用于油中溶解氣體檢測

在特定波長紅外光的照射下，氣體分子由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，由于處于激發(fā)態(tài)的分子與處于基態(tài)的分子相互碰撞，經(jīng)過無輻射弛豫過程，氣體吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿娱g的動能，進而增強分子間的碰撞，造成氣體溫度的升高。在氣體體積一定的條件下，氣體壓力隨著溫度的升高而增大。如果對光源的頻率進行調(diào)制，分子動能便會隨調(diào)制頻率發(fā)生同樣的周期性變化，從而引發(fā)氣體溫度和壓強也隨之周期性變化。在此過程中會產(chǎn)生周期性變化的壓力波，可以利用微音器對其進行感應，并以電信號的模式輸出。

氣體無輻射弛豫傳能過程所需時間決定于氣體各組成部分的化學和物理性質(zhì)。氣體分子由激發(fā)態(tài)的振動動能經(jīng)無輻射弛豫轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿优鲎驳钠絼觿幽艿臅r間，遠小于光的調(diào)制周期，所以一般不考慮傳能過程所用的時間。此時，光的調(diào)制相位即為光聲信號的相位，光聲信號強度同氣體的體積分數(shù)及光的強度成正比。當光的強度一定，氣體的體積分數(shù)可由分析光聲信號的強度得出。在故障氣體的分子紅外吸收光譜中(圖1)，有不同化合物分子特征譜線交疊重合的現(xiàn)象，因此應選擇相對獨立的特征頻譜區(qū)域，從而避免檢測過程中不同氣體間發(fā)生干擾，以滿足檢測要求。

圖1 故障氣體分子紅外吸收光譜圖

1.3 在線監(jiān)測單元工作原理

圖2演示了光聲光譜技術應用于在線監(jiān)測裝置中的原理。通過拋物面反射鏡將光源聚焦，形成入射光。入射光的頻率通過轉(zhuǎn)動速率恒定的調(diào)制盤后，其頻率得到調(diào)制，然后由一組濾光片進行分光，只有某一特定波長可以通過，濾光片的允許通過波長，同光聲室內(nèi)某特定氣體的吸收波長相對應。波長經(jīng)過調(diào)制后的紅外線，在聲光室內(nèi)對某特定氣體分子，以調(diào)制頻率進行反復激發(fā)。氣體分子被激發(fā)后，以輻射或非輻射的方式回到基態(tài)。就非輻射馳豫過程而言，分子動能體系能量轉(zhuǎn)化結(jié)果為分子動能，從而導致局部氣體溫度升高，在密閉光聲室內(nèi)引發(fā)周期性機械壓力波，隨后由微音器對其進行檢測。在此原理過程中，調(diào)制頻率確定了光吸收激發(fā)的聲波的頻率，可吸收該窄帶光譜的特征氣體的體積分數(shù)體現(xiàn)于聲波的強度，因此，通過明確氣體體積與聲波強度的定量關系，就可以得出氣池中各氣體準確的體積分數(shù)。

在上述過程中，通過更換不同濾光片，就可以明確光聲室內(nèi)氣體的種類以及相應的體積份數(shù)。

圖2 光聲光譜在線監(jiān)測裝置原理簡圖

2 光聲光譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的應用

結(jié)合前文所述，將光聲光譜法應用于變壓器油中溶解氣體線監(jiān)測之前，需要明確兩個關鍵問題。首先，針對不同的氣體分子，明確其相應的吸收光譜，從而通過調(diào)制紅外光源的波長，對特定氣體分子進行激發(fā)。其次，明確氣體濃度和氣體吸收能量后，由于退激而產(chǎn)生的壓力波強度之間的比例關系。

通過選取適當?shù)牟ㄩL，并結(jié)合檢測壓力波的強度，不僅可驗證某種氣體是否存在，還可以確定其濃度。成功解決上述兩個問題的基于光聲技術的產(chǎn)品，便具備了可投入實際運用的條件。

2.1 光聲光譜法的實用檢測情況

2000年以來，致力于光聲光譜技術研發(fā)的設備制造商陸續(xù)開發(fā)出一系列基于光聲光譜技術原理的油中氣體及微水在線監(jiān)測裝置[8]。為了驗證光聲光譜檢測裝置的可靠性，我們選用國外某公司的Transport-X型便攜式油中溶解氣體分析儀與常用氣相色譜分析儀進行比較。在確定被檢測的變壓器之后，以每月為一個采樣周期，每次用同樣方法在同一位置取兩瓶油樣。利用Transport-X型便攜式油中溶解氣體分析儀，對其中一瓶樣品進行現(xiàn)場檢測；另一瓶在1小時內(nèi)送到實驗室，利用氣相色譜分析儀進行分析監(jiān)測。經(jīng)過連續(xù)的三次試驗后，利用光聲光譜法和氣相色譜法的對比情況為表1中數(shù)據(jù)所示。

從實驗數(shù)據(jù)可見，基于光聲光譜技術的便攜式變壓器油中溶解氣體分析儀與實驗室測試結(jié)果十分接近，同時兩種不同檢測方法也得到統(tǒng)一的油中溶解氣體變化趨勢。實驗結(jié)果表明通過基于光聲光譜技術的檢測手段，可以得出油中溶解各類氣體的異常情況。

2.2 光聲光譜法在線監(jiān)測設備的應用與發(fā)展

TRANSFIX系統(tǒng)是目前應用較為廣泛、成熟的基于光聲光譜技術的在線油中溶解氣體分析監(jiān)測設備。運用該設備可以在故障早期監(jiān)測變壓器狀況，安全地將變壓器輸出最大化，計算變壓器老化程度，同時根據(jù)分析結(jié)果區(qū)分故障類型。因其具有技術先進、無需耗材及極少維護等優(yōu)點，該技術產(chǎn)品得到了業(yè)界廣泛的認可，但其相對較高的初期投資價格，成為了其得到更為廣泛應用的限制因素。

圖3 “一拖三”在線監(jiān)測單元系統(tǒng)安裝示意圖

MULTITRANS系統(tǒng)，即變壓器“一拖三”在線監(jiān)測系統(tǒng)，是新一代的在線溶解氣體分析設備。僅需一臺MULTITRANS就可以完成一組三相獨立郵箱的大型變壓器組的監(jiān)控工作，而對于小型或次重要的變壓器，一臺MULTITRANS可同時完成三臺變壓器的監(jiān)測。圖3為該系統(tǒng)的安裝示意圖。

MULTITRANS與TRANSFIX兩套系統(tǒng)具有相同的性能指標。在產(chǎn)品特性方面，MULTITRANS同樣采用了內(nèi)置改良型的動態(tài)頂空氣脫氣方法，用于配合光聲光譜故障氣體分析，從而確保監(jiān)測的準確性。該系統(tǒng)不需要停電，即可完成系統(tǒng)的安裝工作。

MULTITRANS在運行中，對所有的油箱進行依次采樣，采樣率可根據(jù)用戶需求進行設定為每天到每小時。同時用戶還可對報警門限值進行設定，具有較高報警狀態(tài)的電路在調(diào)度中會有優(yōu)先權。設備自帶的全嵌入式處理器，可以儲存超過兩年的數(shù)據(jù)，用于設備的運行狀態(tài)分析。通過先進的PERCETION軟件包，可以實現(xiàn)多功能的圖形趨勢及結(jié)果的診斷分析。

表2 TRANSFIX和MULTITRANS設備報價單

對于某安裝有兩臺具有三相獨立油箱的大型變壓器組，需要配置6臺TRANSFIX設備來滿足在線監(jiān)測工作的需要，如果采用MULTITRANS設備，只需2臺即可滿足要求。表2為某公司針對上述兩種設備的報價單。從該報價單可看出，單臺MULTITRANS設備雖然較單臺TRANSFIX價格較高，但是由于只需2臺，因此在總價格上，可較配置6臺TRANSFIX設備的方案節(jié)省近50%的投資費用。兩種設備的后期維護成本均較低，二者間費用差異可忽略。

通過兩者的比較可以看出，在同樣滿足在線監(jiān)測技術要求的條件下，MULTITRANS“一拖三”在線監(jiān)測系統(tǒng)提供了相對低價格的投資方案，可以推斷該系統(tǒng)具有較好的市場前景。

3 結(jié)論

基于光聲光譜法的氣體在線監(jiān)測裝置在檢測精度、靈敏度、穩(wěn)定性方面，都具有很好的表現(xiàn)，為綜合分析、診斷設備的狀態(tài)提供了可靠依據(jù)，從而達到有效減少惡性事故發(fā)生的目的，減少了不必要的經(jīng)濟損失，同時可將傳統(tǒng)的定期停電檢修維護逐步轉(zhuǎn)為狀態(tài)維護，從而大大提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行水平。隨著光聲光譜技術的不斷更新和發(fā)展，基于該技術的變壓器在線監(jiān)測產(chǎn)品的性能和造價都將得到進一步的優(yōu)化，在實際中得到更廣泛的應用。

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