變壓器油溶解氣的激光光聲光譜分析

王然　姜少軍　于清旭

【摘要】變壓器油中溶解氣分析能夠預(yù)防變壓器故障的發(fā)生。激光光聲光譜檢測技術(shù)具有靈敏度高、抗干擾能力強等優(yōu)點，用于變壓器油中溶解氣分析的前景廣闊。本文利用激光光聲光譜檢測系統(tǒng)，分別對C2H2、CO2及C2H2/CO2混合氣體進行了檢測，單一氣體的檢測極限靈敏度分別達到了12 ppb和36 ppm。通過自制高壓脈沖發(fā)生器模擬變壓器放電故障，并利用頂空油氣分離裝置，對變壓器放電故障的特征氣體C2H2的產(chǎn)氣量進行了測量。

【關(guān)鍵詞】變壓器；油中溶解氣體分析；激光光聲光譜技術(shù)；高壓脈沖放電；頂空油氣分離

引言

變壓器是電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，變壓器故障會造成嚴重的電網(wǎng)事故。所以對變壓器運轉(zhuǎn)狀態(tài)和健康狀態(tài)進行實時在線檢測，有助于提高電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。變壓器油溶解氣分析是國際上公認的能夠有效監(jiān)測和判斷油浸式電力變壓器早期故障的方法，通過對變壓器絕緣油中溶解的故障氣體的種類和含量進行初步分析，可以幫助判斷變壓器內(nèi)部是否存在潛伏性故障，對各組分氣體的產(chǎn)氣量及其變化趨勢作進一步分析，還可以區(qū)分過熱性故障和放電性故障。光聲光譜油中溶解氣分析法既綜合了氣相色譜法、傳感器陣列法、傅立葉紅外光譜法方法的優(yōu)點，又克服了他們存在的諸多不足。同時，基于近紅外可調(diào)諧光纖激光器的光聲光譜技術(shù)具有靈敏度高、可調(diào)諧性和靈活性好等優(yōu)勢，能夠很好的應(yīng)用于油中溶解氣分析。

1.變壓器故障氣體的激光光聲光譜檢測

1.1 激光光聲光譜檢測系統(tǒng)

激光光聲光譜檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)主要包括近紅外可調(diào)諧摻鉺光纖激光器、摻鉺光纖放大器、光聲池、鎖相放大器、配氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理部分。工作流程為：鎖相放大器產(chǎn)生正弦波調(diào)制信號，加載在計算機發(fā)送的掃描電壓上，共同作用于激光器上實現(xiàn)激勵光源的波長調(diào)制和連續(xù)波長的掃描。光聲池內(nèi)的氣體樣品由于激光輻射而產(chǎn)生調(diào)制的光聲信號，利用微音器探測光聲池中的聲音信號，并將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，鎖相放大器提取該電信號中的二次諧波信號并傳送給計算機，由計算機完成數(shù)據(jù)采集和處理的工作。

1.2 光聲信號與特征氣體濃度關(guān)系的標定

本文針對變壓器典型故障氣體C2H2和CO2進行光聲光譜檢測。為實現(xiàn)高靈敏度檢測，需選擇吸收強度大、干擾小的吸收譜線，并且譜線要位于激光器和摻鉺光纖放大器的額定輸出范圍和額定增益范圍內(nèi)。選取的C2H2吸收譜線波長為1531.59nm，吸收強度為1.17×10-20cm-1/（moleculecm-2），CO2吸收譜線波長1572.34 nm，吸收強度為1.74×10-23cm-1/（moleculecm-2）。檢測前經(jīng)過信號與氣體濃度的標定，再進行不同濃度的C2H2和CO2進行光聲光譜檢測。通過計算通過計算，C2H2和CO2的檢測極限靈敏度分別為12ppb和36ppm。

1.3 C2H2和CO2同時檢測結(jié)果

利用配氣系統(tǒng)通過控制流速將C2H2和CO2標準氣以相同流速同時通入光聲池中，C2H2和CO2通入濃度分別為4.9505ppm和29059.405ppm。測量結(jié)果如圖1所示。

實驗測得C2H2和CO2的光聲信號值分別為43.2388 mV/W和226.135 mV/W，與利用標定結(jié)果計算出的理論信號值相比，C2H2和CO2實測值與理論值的相對誤差分別為2.64%和1.87%。造成此誤差主要是因為配氣系統(tǒng)的精度（約為2%）有限。

2.變壓器油溶解氣分析平臺

2.1 高壓脈沖發(fā)生器

基于馬克思發(fā)生器原理實現(xiàn)高壓脈沖放電。課題組設(shè)計了高壓脈沖發(fā)生器電路器裝置。該裝置有兩個關(guān)鍵技術(shù)點，一個是打火間隙開關(guān)的設(shè)計，另一個高壓電阻的選擇。打火間隙開關(guān)g1的間距應(yīng)略小于電容電壓擊穿放電的間距，后級間距逐漸增大。當(dāng)g1擊穿后，后級打火間隙開關(guān)會自行擊穿，從而起動整套裝置。打火間隙開關(guān)的放電部位應(yīng)具有很好的平滑性，沒有尖端和毛刺，以保證電容兩端電壓充滿，整體同步放電。由于各電容電壓上升速率不同，為了避免第一個電容迅速充滿電使第一間隙打火，而其他的電容卻沒有充滿電的情況發(fā)生，電源到發(fā)生器之間應(yīng)該有一個足夠大的保護電阻r，通常保護電阻r阻值為RL阻值的10倍。上述設(shè)計的高壓脈沖發(fā)生器最大放電電壓可達100kV，最高頻率為15Hz，可以模擬變壓器放電故障。

2.2 頂空油氣分離裝置

采用頂空油氣分離方法進行油氣分離。頂空油氣分離單元包括脫氣瓶、磁力攪拌器、溫度傳感器以及循環(huán)控制系統(tǒng)。其中，脫氣瓶為油氣分離的主體，采用304不銹鋼材質(zhì)加工而成，內(nèi)部體積為430mL左右，頂蓋留有溫度傳感器安裝接口以及氣體循環(huán)通路，瓶身一側(cè)留有絕緣油循環(huán)通路。

工作過程中，油樣在蠕動泵的控制下，循環(huán)進脫氣瓶中進行脫氣。脫氣過程依靠放置在脫氣瓶內(nèi)的磁力攪拌子的攪拌進行加速，該攪拌器攪拌容量為0～2000ml，攪拌速度0～1250RPM可調(diào)，同時具有溫控功能，溫控范圍0～300℃；脫出的氣體在氣泵的控制下，循環(huán)進光聲池進行定量檢測，選用的氣泵為微型氣泵，最大流量為2L/min，額定電壓為12V。實驗結(jié)果表明，在采油量為50ml的情況下，并使用磁力攪拌器加以攪拌，脫氣平衡時間為1小時。

2.3 實驗結(jié)果及分析

變壓器放電主要產(chǎn)生C2H2氣體，使用高壓脈沖發(fā)生器模擬變壓器發(fā)生50kV和60kV的脈沖放電，檢測不同電壓、不同放電量與油中溶解C2H2濃度的關(guān)系。每次脈沖放電后靜置3小時，使C2H2氣體充分溶解在絕緣油中。隨后利用頂空油氣分離裝置進行油氣分離，采油量為50ml。經(jīng)過1小時達到脫氣平衡后使用氣泵將脫出的氣體循環(huán)進光聲池中，進行油中溶解C2H2含量測量。實驗結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出乙炔產(chǎn)氣量與脈沖放電次數(shù)成線性關(guān)系。通過計算50kV和60kV的C2H2單次脈沖產(chǎn)氣量分別為0.0196ml和0.02916ml。由此可知，C2H2產(chǎn)氣量隨放電電壓的升高而增大。

3.結(jié)論

本文利用多組分氣體光聲光譜檢測系統(tǒng)對變壓器故障特征氣體C2H2和CO2進行同時檢測，檢測極限靈敏度分別達到了12ppb和36ppm。設(shè)計了用于模擬變壓器放電的高壓脈沖發(fā)生器，并集成頂空油氣分離裝置、循環(huán)和控制系統(tǒng)搭建變壓器故障氣體檢測平臺。通過模擬變壓器放電產(chǎn)生C2H2等特征氣體，對不同放電電壓下的C2H2產(chǎn)氣量進行定量測量。實驗結(jié)果表明C2H2產(chǎn)氣量隨放電電壓的升高而增大。

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作者簡介：

王然，女，大連理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院碩士研究生。

姜少軍，大連信融投資管理公司工程師。

于清旭，大連理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院教授，導(dǎo)師。