光聲光譜技術在變壓器內部故障診斷中的應用

劉艷蘋

摘 要：文章討論了光聲光譜技術應用于實現變壓器油中氣體便攜監(jiān)測的原理，并與氣相色譜分析技術進行了比較。通過光聲光譜技術在實際工作中的應用，肯定了該技術在變壓器內部故障診斷中的有效性。

關鍵詞：光聲光譜；應用；變壓器；故障診斷

中圖分類號：TM407 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）17-0102-02

準確地了解電力變壓器的運行狀況對于所有的電力用戶至關重要，所有信息將有助于變壓器維護并避免突發(fā)性故障的發(fā)生。油中溶解氣體分析及微水檢測是公認的充油類電力變壓器的首要預防性項目，已廣泛運用于各類充油電力設備的日常評估。

實踐證明，油中氣體分析對發(fā)現油浸變壓器潛伏性故障是非常有效的，可以發(fā)現利用其它電氣試驗很難發(fā)現的局部缺陷，是監(jiān)督和保障設備運行安全的一個重要手段。

目前我們試驗室中所采用的一般都是氣相色譜分析技術，該方法測量原理的系統結構相對復雜，操作環(huán)節(jié)較多，維護成本高，最關鍵從現場采樣后不能就地及時試驗，影響試驗數據的準確性。近年來，光聲光譜技術的應用打破了試驗室氣相色譜分析技術使用的局限性，實現了取樣后就地試驗，使我們能夠及時了解設備運行情況，準確的對充油設備進行故障分析判斷，并且大大降低了油務監(jiān)督成本。

1 光聲光譜與氣相色譜測量原理監(jiān)測系統的常規(guī)對

比

①采用光聲光譜測量原理的系統結構簡單可靠，而采用氣相色譜測量原理的系統結構相對復雜。因此前者的系統可靠性更高。

采用光聲光譜原理儀器核心部件就是采用動態(tài)頂空法的脫氣模塊和采用光聲光譜原理的光聲光譜測量模塊。在動態(tài)頂空室經過高效脫氣分離后的混合氣體直接進入光聲室，由光聲光譜測量模塊進行檢測，不需要組分分離模塊。

采用氣相色譜測量原理的系統的性能主要取決于油氣分離模塊、組分（色譜）分離模塊，氣體檢測模塊的性能。而實現組分分離也是在線色譜的核心，組分分離度和進樣量兩項指標直接影響了系統的性能。良好的組分分離度要求各組分都可以得到很好的分離，而進樣量的一致性則對測量結果影響較大。對柱溫的精確要求以及對高精密氣路切換的要求等極大地增加了系統的復雜性，導致了系統可靠性的降低?？傊?，系統結構的復雜和不穩(wěn)定性成為制約系統可靠性的瓶頸。

②采用光聲光譜測量原理的系統測量技術先進，代表了未來變壓器油中溶解氣體及微水在線檢測的發(fā)展趨勢。而采用氣相色譜測量原理的系統在早期應用得更為普及。前者的測量精度更高，重復性好，乙炔的最低測量下限超過了國家標準，而后者的測量精度相對較低。

③采用光聲光譜測量原理的系統測量效率高，而采用氣相色譜測量原理的系統的測量效率相對較低。前者的最短檢測周期可達1 h 1次，能最大程度的體現在線檢測的意義。

光聲光譜系統采用高效的動態(tài)頂空法進行脫氣，所需要的油樣少，脫氣時間短，在很短的時間就可以達到動態(tài)平衡。測量周期最短可以設置成1 h 1次，能最大程度的實現在線檢測。而采用氣相色譜測量原理的系統，其脫氣過程大多比較長。目前普遍使用的高分子膜，平衡時間較長，使測量失去了及時性。

④采用光聲光譜測量原理的系統性價比更高，能真正實現免維護，無后續(xù)投資，因此長期使用投資回報率更大。而采用氣相色譜測量原理的系統性價比相對較低，人工維護量大，需后續(xù)投資。

采用光聲光譜測量原理的系統的關鍵設備使用壽命長，而采用氣相色譜測量原理的系統的關鍵設備使用壽命較短。絕大多數的基于氣相色譜測量原理的系統內的色譜柱、傳感器的壽命在2～4 a左右，這與變壓器的30 a的設計壽命相比，監(jiān)測系統本身所需要的維護周期太短。

⑤采用光聲光譜測量原理的系統不需要標氣、載氣、色譜柱等耗材，而采用氣相色譜測量原理的系統則需要上述耗材。

光聲光譜技術測量環(huán)節(jié)中沒有色譜柱，不存在色譜柱的污染、老化、飽和等因素，因此不需要用標氣進行標定，而后者的測量環(huán)節(jié)由于有核心部件色譜柱，存在老化的現象，需要用標氣對其進行定期標定。

光聲光譜技術測量過程中不需要載氣，而后者需要定期更換載氣。采用氣相色譜測量原理的在線檢測系統，使用高純載氣攜帶特定量的混合特征氣體通過色譜柱，其消耗性載氣（高純氮氣、氦氣）通?？捎靡荒?，如果檢測周期較短的話，消耗更快。其對消耗性高純載氣的依賴也增大了在線應用時的維護工作量。長期而言，消耗性備件需求大。在變壓器現場的高壓氣瓶也可能存在安全隱患。

光聲光譜測量環(huán)節(jié)中沒有無色譜柱，因此也沒有色譜柱老化、污染、飽和等缺點；無固態(tài)半導體傳感器，因此也不受CO或其他氣體污染，不存在被污染的可能。后者的色譜柱等關鍵設備色譜柱容易因污染而導致測量誤差，有一定的使用壽命，需要定期更換。

2 光聲光譜原理介紹

光聲光譜學是以光聲效應為基礎的一種新型光譜分析檢測技術。它是光譜技術與量熱技術結合的產物，是20世紀70年代初發(fā)展起來的檢測物質和研究物質性能的新方法。

一個簡單的燈絲光源可提供包括紅外譜帶在內的寬帶輻射光，采用拋物面反射鏡聚焦后進入光聲光譜測量模塊。光線經過以恒定速率轉動的調制盤將光源調制為閃爍的交變性號。由一組濾光片實現分光，每一個濾光片允許透過一個窄帶光譜，其中心頻率分別與預選的各氣體特征吸收頻率相對應。在預選各氣體的特征頻率時可以排除各氣體的交叉干擾，通過對安裝濾光片的圓盤進行步進控制，就可以依次測量不同的氣體。經過調制后的各氣體特征頻率處的光線以調制頻率反復激發(fā)樣品池中相的氣體分子，被激發(fā)的氣體分子會通過輻射或非輻射兩種方式回到基態(tài)。對于非輻射馳豫過程，體系的能量最終轉化為分子的平動能，引起氣體局部加熱，從而在氣池中產生壓力波（聲波）。使用微音器可以檢測這種壓力變化。聲光技術就是利用光吸收和聲激發(fā)之間的對應關系，通過對聲音信號的探測從而了解吸收過程。由于光吸收激發(fā)的聲波的頻率由調制頻率決定；而其強度則只與可吸收該窄帶光譜的特征氣體的體積分數有關。因此，建立氣體體積分數與聲波強度的定量關系，就可以準確計量氣池中各氣體的體積分數。

3 光聲光譜技術應用實例

內蒙古超高壓供電局高壓油務班對各變電站充油設備取油樣，采用光聲光譜技術進行油中溶解氣體檢測，并結合試驗室氣相色譜儀所測數據進行對比分析，驗證了光聲光譜技術現場測試數據的有效性，為其進一步的推廣積累了大量基礎數據。

①特征氣體含量對比（氫氣、乙炔、總烴）。對于特性氣體對比，如氫氣、乙炔、總烴，光聲光譜原理與氣相色譜原理相比，其數據基本成同一正比關系，其趨勢相同，如表1～表3所示。

②數據重復性驗證。對比光聲光譜測試儀測試數據重復性問題，高壓油務班進行了現場數據驗證。對于相同油樣，儀器所測多次數據重復性良好。

③降本增效明顯。通過對我局500 kV豐泉變電站、500 kV塔拉變電站等5座變電站的光聲光譜技術應用工作開展，充油設備絕緣油監(jiān)測維護成本獲得初步降低。便攜色譜儀協助臺式色譜儀完成油樣的跟蹤監(jiān)測和常規(guī)監(jiān)測，使油樣監(jiān)測的生產總成本降低30%。同時，將跟蹤監(jiān)測成本占總油樣色譜試驗總成本的比例由25%，下降到10%。

4 光聲光譜技術推廣理由

①隨著電網的不斷擴展和線路電壓等級的不斷提高，相應地需要進行專業(yè)監(jiān)督的設備數量也不斷增加。充油設備取油樣、油色譜試驗已經成為變電站日常維護工作中很大的一個部分，已占生產成本很大的比例。大量的取油樣及色譜試驗工作量巨大、維護成本高，尤其取樣成本太高已成為生產單位降本增效亟待解決的問題。

②變電站多數距試驗室距離較遠，取樣往往耗時較長，使得取樣后進行色譜試驗不及時，影響數據測試的準確性。

③結合光聲光譜技術應用情況，該技術數據穩(wěn)定性及其與試驗室色譜儀數據可比性符合我們對設備監(jiān)測的要求。

④采用光聲光譜技術測量過程較為簡單，從某種程度上可以減小測量的系統誤差，而且該技術的精度和重復性不會隨著測量次數的增多而使測量精度產生漂移，不受使用時間的影響，由此可知光聲光譜技術有更好的重復性和較高的測量一致性。

5 結 語

實踐證明采用光聲光譜技術進行油中溶解氣體分析及故障診斷是非常有效的。光聲光譜技術的應用，使我們加強了對處理突發(fā)、潛伏故障的反映速度，及時對充油設備運行情況評估，提高了工作效率，保證了設備的安全穩(wěn)定運行。在今后的工作中，我們應加大光聲光譜技術的應用，把我們的絕緣監(jiān)督工作做得更好，為電網安全穩(wěn)定運行服務。

參考文獻：

[1] 賀紹鵬.基于光聲光譜技術的電力變壓器故障檢測系統研究[D].上海：上海交通大學，2010.