光聲光譜技術(shù)在電廠變壓器在線監(jiān)測中的應(yīng)用

曾毅+李志軍+嚴(yán)新榮+馮英嶺+宗起振+吳淼

摘 要：發(fā)電廠作為智能電網(wǎng)的起點(diǎn)，其安全運(yùn)行的重要性不言而喻，而發(fā)電廠中變壓器作為發(fā)電輸電的關(guān)鍵設(shè)備，需要長期高負(fù)荷運(yùn)行，一旦發(fā)生故障會(huì)對電廠的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)生產(chǎn)造成巨大影響。光聲光譜技術(shù)作為一種新的變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的氣相色譜法有著諸多優(yōu)勢：測量精度高、檢測時(shí)間短、長期穩(wěn)定性好、無需載氣結(jié)構(gòu)簡單、多種氣體同時(shí)在線監(jiān)測、顯著減少維護(hù)成本等。由此可見，光聲光譜法更加適用于變壓器油中氣體在線監(jiān)測，能夠?qū)ψ儔浩鳡顩r做到實(shí)時(shí)監(jiān)測，對典型故障作出預(yù)警，增加變壓器的安全性和可靠性。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，具有及其廣闊的推廣應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：光聲光譜；在線監(jiān)測；溶解氣體分析；DFB；有源光聲池

中圖分類號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Photoacoustic Spectroscopy Applyed to Transformer On-line Monitoring in Power Plant

ZENG Yi1，LI Zhi-jun2，YAN Xin-rong3，F(xiàn)ENG 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

發(fā)電廠作為智能電網(wǎng)的起點(diǎn)，其安全運(yùn)行的重要性不言而喻，而發(fā)電廠中變壓器作為發(fā)電輸電的關(guān)鍵設(shè)備，需要長期高負(fù)荷運(yùn)行，一旦發(fā)生故障會(huì)對電廠的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)生產(chǎn)造成巨大影響。變壓器運(yùn)行可靠才能保障智能電網(wǎng)的運(yùn)行安全，所以我們需要對變壓器運(yùn)行和健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，預(yù)估故障的發(fā)展趨勢并及時(shí)作出處理，保證變壓器安全運(yùn)行。

目前大部分變壓器是以絕緣油作為絕緣介質(zhì)的，即油浸式變壓器。油浸式變壓器長時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部絕緣部件老化甚至發(fā)生缺陷，在熱、電、機(jī)械、化學(xué)等因素作用下會(huì)產(chǎn)生局部放電和有害氣體，嚴(yán)重威脅變壓器運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性[1]。對變壓器油中溶解氣體的監(jiān)測和分析能夠有效判斷變壓器的運(yùn)轉(zhuǎn)和健康狀態(tài)，是保障變壓器正常運(yùn)轉(zhuǎn)和延長壽命的重要手段。傳統(tǒng)方法是對變壓器油中溶解氣體做離線分析，效率低費(fèi)時(shí)費(fèi)力且不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患故障；目前廣泛應(yīng)用的油中溶解氣體在線監(jiān)測方式是氣相色譜法，也存在定期更換載氣，測量精度有待提高等缺點(diǎn)。氣體光聲光譜（Photo Acoustic Spectroscopy，PAS）檢測技術(shù)是基于光聲效應(yīng)原理的一種微量氣體檢測技術(shù)，具有不消耗載氣、檢測時(shí)間短、長期穩(wěn)定性好、多種氣體同時(shí)檢測和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)[2]，是油中溶解氣體在線監(jiān)測較為理想方法，是目前國際研究的熱點(diǎn)方向，本文所采用的光聲光譜技術(shù)可以很好的解決上述問題。endprint

2 光聲光譜氣體檢測技術(shù)原理

光聲光譜技術(shù)是基于光聲效應(yīng)的一種吸收光譜檢測技術(shù)。被測樣本氣體吸收經(jīng)過調(diào)制的特定波長的光后被激發(fā)[4-9]（如圖1所示），處于激發(fā)態(tài)的氣體

分子與基態(tài)分子發(fā)生碰撞，吸收的部分光能通過無輻射弛豫過程轉(zhuǎn)變?yōu)槠絼?dòng)動(dòng)能（V-T傳能過程），使氣體溫度呈現(xiàn)出與調(diào)制頻率相同的周期性變化，進(jìn)而導(dǎo)致壓強(qiáng)的周期性變化，產(chǎn)生聲音信號(hào)；當(dāng)操作條件一致時(shí)，被測組分的質(zhì)量（或濃度）與檢測器給出的響應(yīng)信號(hào)成正比[3]。

氣體光聲信號(hào)的產(chǎn)生過程為：氣體密閉于光聲腔中，激勵(lì)光源受到諧振頻率ω的調(diào)制，加熱過程將周期地變化。根據(jù)氣體熱力學(xué)定律，周期性的溫度變化將產(chǎn)生同周期的壓力信號(hào)。這種躍遷-弛豫過程處于非飽和狀態(tài)，光聲腔為圓柱形結(jié)構(gòu)，光強(qiáng)度的調(diào)制頻率等于光聲腔的某一階諧振頻率ωj，則光聲信號(hào)和各組分氣體濃度之間的關(guān)系可以表示為

S（λ）=CcellP（λ）Ntot∑nk=1ckσk（λ）（1）

式（1）中，S（λ）為光聲信號(hào)，Ccell為光聲池常數(shù)， P（λ）為光強(qiáng)度，Ntot為氣體分子密度，ck為第 k 組分氣體的濃度， σk（λ）為第 k 組分氣體的吸收截面[3]。根據(jù)光聲信號(hào)強(qiáng)度和氣體體積分?jǐn)?shù)及光強(qiáng)度成正比的原理，調(diào)制的光源光強(qiáng)度一定時(shí)，氣體的體積分?jǐn)?shù)可以根據(jù)光聲信號(hào)的強(qiáng)度來得到。

光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)主要包括可調(diào)制DFB激光光源、光聲池、微音器、光電探測器和控制處理系統(tǒng)。調(diào)制光脈沖信號(hào)注入含有待測樣本氣體的光聲池中，氣體分子吸收光能后被激發(fā)躍遷至激發(fā)態(tài)，然后經(jīng)過V-T過程將能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，在光聲池中形成壓力波，安裝在共振管上的微音器將之轉(zhuǎn)化為電信號(hào)送至控制處理系統(tǒng)，控制處理系統(tǒng)將微音器信號(hào)和光電探測器信號(hào)進(jìn)行綜合分析計(jì)算，最終得到氣體濃度。如圖2所示為光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

3 PAS油中氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于PAS的油中氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由柜體、油氣分離單元、光聲光譜檢測單元、智能監(jiān)測單元等組成，如圖3所示。

3.1 柜體

發(fā)電廠變壓器一般處于室外，油中氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)從變壓器中取油，需要就近安裝在變壓器附近，監(jiān)測系統(tǒng)所處環(huán)境較之實(shí)驗(yàn)室要更惡劣。為內(nèi)部各單元特別是光聲光譜檢測單元提供良好溫濕度和低噪音工作條件，提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，基于PAS的油中氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的柜體為不銹鋼，雙層保溫結(jié)構(gòu)，并配有溫濕度控制裝置，控制柜內(nèi)溫度范圍在5 ℃-30 ℃，相對濕度不大于75%。有較為嚴(yán)格的密封要求，柜門與柜體接觸的線加裝密封條，滿足IP55防護(hù)等級。

3.2 油氣分離單元

油氣分離單元的原理是持續(xù)式等量進(jìn)回油原理，具體工作流程為：采用獨(dú)特的持續(xù)式等量進(jìn)回油原理，變壓器油從進(jìn)油口持續(xù)流經(jīng)油氣平衡氣室，智能PID流量自適應(yīng)泵將進(jìn)油口油流量實(shí)時(shí)等量輸出至出油口，在油流輸送過程中，油中溶解氣體迅速析出至油氣平衡氣室，直至油氣平衡狀態(tài)；相比于常規(guī)的依靠固定量體積油樣的脫氣方式，其參與脫氣的油樣不限量，一直保持新樣品油流經(jīng)脫氣室，此方式下保證液相中氣體濃度始終保持不變，從而保證達(dá)到氣液平衡時(shí)氣相中氣體濃度在同等條件下的最大值；與常規(guī)真空脫氣或頂空式脫氣方式相比，結(jié)構(gòu)簡單，而且脫氣率高。脫出的氣體送入光聲光譜單元供檢測。油氣分離單元如圖4所示。

3.3 光聲光譜檢測單元

光聲光譜檢測單元由主要由光模塊、鎖相控制塊、光開關(guān)、光聲池，微水含量傳感器、燃料電池六個(gè)部分組成，構(gòu)成圖如圖5所示。

光聲光譜檢測單元的工作流程為：樣本氣體注入光聲池后，鎖相板通過通訊總線向光源模塊下達(dá)工作指令，光源模塊激光器工作；鎖相板控制光開關(guān)，將待檢測氣體對應(yīng)的激發(fā)光源切換至光聲池；在光聲池中，特定氣體在吸收調(diào)制的激光后，將產(chǎn)生和調(diào)制光源同頻的壓力變化信號(hào)，壓力信號(hào)經(jīng)微音器變換后變成電信號(hào)；鎖相板采集微音器返回的電信號(hào)，經(jīng)變換后計(jì)算出壓力；最后折算出光聲池中對應(yīng)氣體的濃度。

油中溶解氣體主要由H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6和微水等，其中微水由微水傳感器測得，H2通過燃料電池測定，其它組分通過相應(yīng)的光聲光譜模塊測定。

3.4 智能監(jiān)測單元

智能監(jiān)測單元的作用主要是控制其他各單元工作流程、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析、故障診斷分析、界面顯示和通信管理等。

通過智能監(jiān)測單元，可以設(shè)置PAS油中氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的時(shí)間、開始工作時(shí)間、采樣間隔和通信參數(shù)等，可以通過web形式實(shí)時(shí)查看采集的氣體濃度數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)和波形，并根據(jù)IEC60599標(biāo)準(zhǔn)利用三比值法、大衛(wèi)三角形法和立方體法得到初步的變壓器健康診斷結(jié)果[10]。

智能監(jiān)測單元內(nèi)部集成了IEC61850通信功能，可直接與后臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。對于發(fā)電廠而言，也可采用基于IEC60870-5-103/104通信規(guī)約將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至電廠的生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

4 PAS油中氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)在電廠中的應(yīng)用特點(diǎn)

4.1 采用近紅外DFB激光光源

目前光聲光譜技術(shù)用來檢測氣體濃度，最常見的是選用中紅外的光源做激發(fā)光源，主要是氣體分子對中紅外光吸收強(qiáng)，后續(xù)處理比較容易。但工程應(yīng)用中，對于多組分的變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測來說，每種氣體選用一種中紅外光源是不現(xiàn)實(shí)的，其高昂的價(jià)格限制了產(chǎn)品的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

因此，我們用通訊波段近紅外DFB激光器作為激發(fā)光源，光源的譜線寬控制在0.03nm的范圍內(nèi)。根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫檢索數(shù)據(jù)，確定每種氣體的譜線段；再用長光程吸收池標(biāo)定每種氣體相對較強(qiáng)的吸收峰，波長精確到0.01nm，剔除組分氣體交叉吸收的波長，確定每種氣體最優(yōu)的吸收波長。

由于氣體分子吸收峰十分窄，因此在應(yīng)用中必須對保證激光源的波長同氣體特征吸收峰一致，波長誤差控制在0.01nm范圍內(nèi)。endprint

窄帶光源和寬帶光源在PAS中的應(yīng)用如圖6所示，寬帶光源會(huì)覆蓋多個(gè)氣體組分的吸收波長，檢測結(jié)果也就包含了多個(gè)氣體組分。窄帶光源一次脈沖只覆蓋一個(gè)氣體吸收波長，排除了其它氣體的干擾，可以得到該氣體準(zhǔn)確的檢測結(jié)果。

4.2 有源氣室諧振光聲池[3]

由于采用了近紅外光源，氣體的吸收峰并不是其最強(qiáng)的部分，導(dǎo)致調(diào)制過程中產(chǎn)生的光聲信號(hào)十分微弱，測量困難且定量測量誤差變大。要提高測量精度，方法一是提高激光源功率，這會(huì)大幅提高光源的價(jià)格，不利于大規(guī)模的工程應(yīng)用；

方法二是提高光源的利用率；方法三是對光聲信號(hào)進(jìn)行物理放大，這也是最為普遍的方法。

傳統(tǒng)光聲光譜檢測系統(tǒng)是利用斬波器對光源調(diào)制后在注入光聲池，此法會(huì)損失光源功率[11]。而采用了有源氣室諧振光聲池設(shè)計(jì)，即將紅外光源直接與光聲池耦合，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。 對光聲信號(hào)處理上，先確定微音器的最優(yōu)工作頻段，再確定光源的調(diào)制頻率，通過光聲池模擬仿真設(shè)計(jì)，確定氣量和Q值最優(yōu)組合方案。

5 結(jié) 語

光聲光譜作為一種新的變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測檢測技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的氣相色譜法有著諸多優(yōu)勢：檢測時(shí)間短、測量精度高、穩(wěn)定性好、無需更換載氣、結(jié)構(gòu)簡單、同時(shí)對多種氣體在線監(jiān)測、顯著減少維護(hù)成本等。隨著光聲光譜法技術(shù)的發(fā)展和推廣，通過對電廠變壓器油中氣體實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，并對典型故障作出預(yù)警，滿足變壓器狀態(tài)檢修的需求，增加了變壓器運(yùn)行的安全性和可靠性，因此光聲光譜技術(shù)對變壓器智能運(yùn)維的具有重要的參考價(jià)值。

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