光聲光譜技術(shù)在合蚌高鐵牽引變壓器故障診斷中的應(yīng)用

■ 曹文雨 星成武

隨著高速鐵路對(duì)牽引供電系統(tǒng)的要求越來越高，牽引變壓器檢測(cè)和維護(hù)任務(wù)顯得極其重要。通常在變壓器的故障檢測(cè)試驗(yàn)中做油氣分析，因?yàn)樵谡＿\(yùn)行中起絕緣、散熱、消弧等作用的變壓器油，在長期運(yùn)行和發(fā)生故障時(shí)在熱和電的作用下，變壓器油及器身內(nèi)有機(jī)絕緣材料常分解出不同含量的H2、C H4、C2H6、C2H4、C2H2、C O、C O2等氣體在變壓器油中，通過定期分離和檢測(cè)氣體的含量便可以診斷和預(yù)測(cè)變壓器中的故障。工程中常用的油氣檢測(cè)法如氣相色譜法、氣敏傳感器法、傅里葉紅外光譜法等，但在長期使用中發(fā)現(xiàn)，這些方法存在取樣復(fù)雜、消耗載氣、交叉敏感、長期穩(wěn)定性差、檢測(cè)氣體組分不夠齊全、實(shí)現(xiàn)連續(xù)性測(cè)量困難等缺點(diǎn)。光聲光譜技術(shù)應(yīng)用光聲效應(yīng)來檢測(cè)微量氣體的體積分?jǐn)?shù)，具有靈敏度高、選擇性好、檢測(cè)范圍寬、不消耗載氣等優(yōu)點(diǎn)。

1 光聲光譜技術(shù)原理

光聲光譜技術(shù)是基于光聲效應(yīng)，通過直接測(cè)量物質(zhì)因吸收光能而產(chǎn)生熱能的一種光譜量熱技術(shù)。光聲光譜檢測(cè)儀主要由紅外光源、濾光片、斬波器、光聲池、聲敏元件、放大器、微處理器等部分組成。在氣體的光聲效應(yīng)中，從發(fā)光源射向氣體樣品池的光線經(jīng)過調(diào)制和濾波，并由濾光片實(shí)現(xiàn)分光，由于每個(gè)濾光片容許透過一個(gè)窄帶光譜，其中心頻率分別與各被檢測(cè)氣體的特征吸收頻率相對(duì)應(yīng)，這樣樣品池中的氣體分子受到被調(diào)制光線的反復(fù)激發(fā)，吸收光能到高能態(tài)，由于高能態(tài)極不穩(wěn)定，分子隨即以無輻射躍遷形式將吸收的光能變?yōu)闊崮芏氐交鶓B(tài)。由于光能是受周期調(diào)制的，這使得密閉于氣池中的氣體分子的熱能也呈周期性變化，宏觀上表現(xiàn)為壓力的變化，即產(chǎn)生聲波，可使用高靈敏度微音器來檢測(cè)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。將檢測(cè)到的電信號(hào)經(jīng)過放大并由鎖相放大器等提高信噪比（S/N）。因光聲信號(hào)與光源強(qiáng)度成正比，如果光源的強(qiáng)度有波動(dòng)，則光聲信號(hào)的強(qiáng)度也因此而波動(dòng)，為了避免由于光源波動(dòng)而造成的測(cè)定誤差，可根據(jù)射入光聲池的光強(qiáng)度對(duì)光聲信號(hào)進(jìn)行歸一化處理。由于聲波的頻率與光源調(diào)制頻率相同，而其強(qiáng)度則與吸收氣體的濃度有關(guān)，因此，建立氣體濃度與聲波強(qiáng)度的定量關(guān)系，就可以準(zhǔn)確檢測(cè)出氣池中各種氣體的濃度。

2 故障氣體的光聲光譜分析

2.1 故障氣體分析的重要性

根據(jù)合蚌高鐵某座牽引所牽引變壓器檢測(cè)報(bào)告，對(duì)2#主變?nèi)藶榈卦O(shè)置故障，在鐵芯與底座之間放置一個(gè)長度約4 c m的薄金屬片，在做預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)未顯示異?，F(xiàn)象，變壓器帶電后對(duì)絕緣油做氣相色譜分析得到H2、C H4、C2H6、C2H4、C2H2、C O、C O2、C1+C2各種氣體濃度值，分析時(shí)發(fā)現(xiàn)C1+C2產(chǎn)氣率高達(dá)2 1 7（％），超過規(guī)定的相對(duì)產(chǎn)氣率1 0％，C2H2占總烴的大部分，之后消除故障再做油色譜分析，則結(jié)果正常。由此可見對(duì)合蚌高鐵某牽引變壓器油中溶解氣體分析可發(fā)現(xiàn)常規(guī)試驗(yàn)中不能發(fā)現(xiàn)的故障隱患。

2.2 光聲光譜法分析故障氣體的要素

根據(jù)光聲光譜技術(shù)的原理，大多數(shù)氣體對(duì)紅外光都有吸收，由于分子數(shù)目、原子間鍵角、鍵強(qiáng)度等因素的不同，吸收光譜帶有所不同，在應(yīng)用光聲光譜法的油氣分析中首先需要找到對(duì)應(yīng)于每種氣體的特征頻率，要求避免相互吸收譜的重疊干擾，以及雜質(zhì)氣體如水蒸氣的干擾。表1列舉了變壓器故障氣體在紅外區(qū)域的特征吸收頻率及采用普通紅外光源加濾光片的光聲光譜儀在該頻率附近獲得的靈敏度。

表1 特征氣體的頻譜與靈敏度（分氣子體量） 波數(shù)/c m-1 吸收系數(shù) 重疊影響 可測(cè)范圍/c m-1 2 9 5 0 0.1 C2H6/C2H4 C H4（1 4）1 2 9 1 0.2 C2H2 0.7~1 0 0 0 0 1 2 5 4 0.4 H2O C H（3 0） 2 9 5 0 0.0 2 H2O 3~1 0 0 0 0 2 6 8 6 1 2.0 2 9 5 0 0.3 H2O C H（2 8）1 0 6 1 0.3 2.5~1 0 0 0 0 2 4 9 8 1 0.2 9 0 0 0.4 C O（2 8） 2 1 5 0 0.2 0.1~1 0 0 0 0 2 2 7 0 3.4 C O2（4 4）7 1 0 1.5 C2H2 1.9~2 0 0 0 0 6 6 8 0.1 1 2 9 1 0.5 H2O C2H2（2 6）7 8 3 0.3 1~1 0 0 0 0 7 1 0 0.2 H2（2）5~2 0 0 0 0

2.3 故障氣體濃度檢測(cè)

當(dāng)確定了每種氣體特定的分析吸收光譜后，可對(duì)紅外光源進(jìn)行波長調(diào)制使其能夠激發(fā)某一特定氣體，氣體吸收能量后產(chǎn)生壓力波，其強(qiáng)度用微音器檢測(cè)。微音器的輸出信號(hào)正比于氣體的吸收系數(shù)和氣體濃度，用S表示微音器的輸出電壓幅度，光聲信號(hào)電壓幅度與被測(cè)氣體濃度的關(guān)系可表示為：式中：F為光聲池常數(shù)；Pi為激光功率；a為氣體的吸收系數(shù)；c為氣體的濃度。在其他量已知的情況下，通過微音器測(cè)試輸出信號(hào)的大小，可以計(jì)算得出所測(cè)氣體的濃度。

需要注意的是測(cè)試中由于溫度升高，會(huì)使光聲池常數(shù)減小，氣體吸收系數(shù)增大，氣體吸收全線寬也增大，導(dǎo)致光聲信號(hào)發(fā)射改變而影響測(cè)試結(jié)果，所以在測(cè)試時(shí)要求盡量保持恒定的溫度。

2.4 牽引變壓器油中溶解氣體與故障分析

參照GB 7 2 5 2—2 0 0 1《變壓器油中溶解氣體的分析和判斷導(dǎo)則》，針對(duì)故障性質(zhì)與特征氣體濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系有相關(guān)說明，參考數(shù)據(jù)見表2，不同的變壓器故障對(duì)應(yīng)不同的特征氣體含量，準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果是絕緣油中氣體含量是故障分析的關(guān)鍵。

2.5 光聲光譜法故障分析試驗(yàn)

用光聲光譜法和常規(guī)的氣相色譜法對(duì)合蚌高鐵某牽引變壓器油中溶解氣體進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比，在光聲光譜法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)采用寬頻譜范圍的電脈沖紅外光源，并用6個(gè)窄帶濾光片截取所需的光，其中心波長對(duì)應(yīng)一種待測(cè)氣體的特征頻譜，用微音器檢測(cè)聲波。當(dāng)變壓器發(fā)生高溫過熱時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)氣體的采集分析，并用氣相色譜儀數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（見表3）。

表2 故障性質(zhì)與特征氣體對(duì)應(yīng)關(guān)系主要特征氣體 C2H2/C1+C2 H2/ C1+C2+ H2 C2H4/C1+C2 故障類型高濃度H2，總烴不高，C H4為主要成分，＜6％ ＜5 0％ ＜5 0％ 局部放電有微量C2H2高濃度C2H2、H2，總烴不高 ＜2 0％ ＜5 0％ ＜5 0％ 低能量放電高濃度C2H2、H2和總烴較高 ＜2 0％ ＜2 5％ ＜5 0％ 高能量放電高濃度C2H4，總烴較高 ＜6％ ＜2 5％ ＜5 0％ 高溫過熱總烴較高，微量C2H2 ＜6％ ＜2 5％ ＜5 0％ 一般過熱高濃度H2 絕緣受潮C O與C O2較高 固體絕緣故障

表3 氣相色譜儀數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比氣體成份 氣象色譜分析結(jié)果（1 0-6）光聲光譜測(cè)量結(jié)果（1 0-6）偏差/％1次 2次 3次 4次 均值C H4 4 2 1 4 4 8 4 4 9 4 4 8 4 4 7 4 4 8 6.4 C2H6 1 0 5 1 0 1 1 0 3 1 0 1 1 0 2 1 0 2 3.1 C2H4 1 0 8 1 1 0 7 2 1 0 7 3 1 0 7 1 1 0 7 1 1 0 7 2 0.8 C2H2 2 1 1 8 1 9 2 0 1 8 1 9 1 0.7 C O 3 4 0 3 3 4 3 3 5 3 3 6 3 3 5 3 3 5 1.5 C O2 1 7 2 0 1 7 3 6 1 7 3 8 1 7 3 8 1 7 3 7 1 7 3 7 1.0

從表3中看出，該實(shí)驗(yàn)用光聲光譜法對(duì)故障氣體共測(cè)量4次，用求平均法來減小測(cè)量誤差，與氣象色譜儀分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)所受偏差較大，偏差達(dá)到1 0.7％，主要原因在于氣體本身的基準(zhǔn)濃度較小。由于水的部分紅外吸收譜和有重疊，受待測(cè)氣體中水蒸氣影響，使得測(cè)量結(jié)果差值達(dá)到，若對(duì)待測(cè)氣體進(jìn)一步做干燥處理可減小誤差。表中顯示其他測(cè)量結(jié)果偏差小于6％，說明用光聲光譜法測(cè)得的數(shù)據(jù)與氣象色譜儀分析數(shù)據(jù)相似，如果在試驗(yàn)過程中加以誤差控制措施，能夠得到更準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。

3 結(jié)論

高鐵設(shè)計(jì)施工各個(gè)環(huán)節(jié)、各個(gè)專業(yè)要求都非常嚴(yán)格，標(biāo)準(zhǔn)高于普速鐵路的要求，高鐵牽引供電系統(tǒng)的供電可靠性要求也越來越高。試驗(yàn)表明使用光聲光譜原理對(duì)牽引變壓器油中故障氣體在線監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)全部故障氣體的高靈敏度寬范圍的測(cè)量，光聲光譜儀造價(jià)低、可靠性高、可維護(hù)性好，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，應(yīng)用在牽引變壓器的故障監(jiān)測(cè)和預(yù)警中，加強(qiáng)對(duì)牽引變壓器的監(jiān)控維護(hù)水平，對(duì)提高高鐵牽引供電系統(tǒng)的供電可靠性、減小經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。

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