基于熒光雙色比例的變壓器絕緣油放電擊穿故障診斷模型研究

趙 躍, 馬鳳翔, 王安靜, 李大成, 宋玉梅, 吳 軍, 崔方曉, 李揚(yáng)裕, 曹志成

1. 中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所, 中國科學(xué)院通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031 2. 國網(wǎng)安徽省電力有限公司，電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230000

引 言

變壓器作為電能生產(chǎn)和配送過程中能量轉(zhuǎn)換的核心，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，因此對(duì)變壓器運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控變得尤為重要。 最早的監(jiān)測(cè)手段主要有局部放電試驗(yàn)和絕緣油理化試驗(yàn)等方法，將變壓器絕緣油抽樣后測(cè)試其物理的或化學(xué)的屬性，建立物化屬性關(guān)聯(lián)的變壓器運(yùn)行狀態(tài)診斷模型。 隨著技術(shù)的發(fā)展，取樣式方法受制于操作繁瑣、檢測(cè)周期長(zhǎng)等因素不能滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求，出現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)式的油中溶解氣體分析(dissolved gases analysis，DGA)方法，通過檢測(cè)絕緣油變質(zhì)過程中產(chǎn)生的溶解氣體(主要包括氫氣、甲烷、乙烷、乙炔、一氧化碳、二氧化碳等)建立變壓器運(yùn)行狀態(tài)診斷模型，取得了一定成果，被廣泛應(yīng)用于電力生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。 然而，實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題也暴露了DGA技術(shù)存在的不足： (1)變壓器發(fā)生放電不產(chǎn)生氣體或釋放的氣體量很少時(shí)無法檢測(cè)；(2)變壓器發(fā)生放電故障并在短時(shí)間內(nèi)不斷增加，快速釋放大量氣體，而DGA技術(shù)單次分析周期在2個(gè)小時(shí)左右，存在監(jiān)測(cè)延遲與事故隱患。 因此，尋求一種檢測(cè)靈敏度高、方式直接、快速響應(yīng)的變壓器絕緣油品質(zhì)分析技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。 1575年西班牙內(nèi)科醫(yī)生及植物學(xué)家N. Monardes第一次記錄了熒光現(xiàn)象，當(dāng)紫外線照射到某些物質(zhì)時(shí)，這些物質(zhì)會(huì)發(fā)射出各種顏色和不同強(qiáng)度的可見光，而當(dāng)紫外線停止照射時(shí)，所發(fā)射的光線也隨之很快消失，這種光線被稱為熒光。 如今，熒光分析技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種十分重要且有效的光譜分析手段，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生命學(xué)科、環(huán)境學(xué)科等諸多領(lǐng)域。 1990年Backhus等將熒光分析技術(shù)成功應(yīng)用于土壤和地下水中PAHs(芳香族化合物)污染物檢測(cè)中[1]，2002年Yeo等用一個(gè)404 nm半導(dǎo)體激光器作為激發(fā)光源，實(shí)現(xiàn)商業(yè)汽油油品的可靠、低成本熒光檢測(cè)[2-4]。 2007年Markova等分析了液壓油品的熒光特征[5]。 隨著熒光分析技術(shù)在油品檢測(cè)中的成功應(yīng)用，學(xué)者將研究目標(biāo)轉(zhuǎn)投于化學(xué)成分和汽油相似的變壓器絕緣油上，2006年Deepa等探討了同步熒光光譜技術(shù)(synchronous fluorescence spectroscopy，SFS)在變壓器絕緣油品老化特性變化上的應(yīng)用[6]，2014年Godinho等利用近紅外、分子熒光及核磁共振光譜多元分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)變壓器絕緣油品質(zhì)檢測(cè)[7]。

盡管熒光分析技術(shù)已被嘗試用于變壓器絕緣油檢測(cè)中，但都側(cè)重氧化老化變質(zhì)研究，針對(duì)放電擊穿老化變質(zhì)的研究尚未見報(bào)道。 同時(shí)，現(xiàn)有研究一般使用熒光分光光度計(jì)測(cè)量固定激發(fā)波長(zhǎng)熒光光譜(激發(fā)波長(zhǎng)固定，采集熒光發(fā)射光譜)或同步熒光光譜(激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)同步變化，最優(yōu)波長(zhǎng)差為5 nm左右)[6]，利用模式識(shí)別方法建立變壓器運(yùn)行狀態(tài)診斷模型，這些方法不僅數(shù)據(jù)采集時(shí)間長(zhǎng)而且系統(tǒng)體積大、成本高，不利于變壓器絕緣油在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。 本文針對(duì)以上問題，制備了變壓器絕緣油不同放電擊穿量下的樣本，采集了各試驗(yàn)樣本的熒光光譜，確立最優(yōu)激發(fā)波長(zhǎng)，研究放電擊穿下的熒光光譜變化特性，提取熒光特征雙峰信息，嘗試建立基于熒光雙色比例的變壓器絕緣油放電擊穿故障診斷模型，以期證明提出方法的可行性，為低成本熒光分析變壓器絕緣油放電擊穿在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立提供研究基礎(chǔ)。

1 原理與方法

變壓器絕緣油中具有熒光特性的物質(zhì)為芳香烴族化合物，主要成分通常為較重的蒽(C14H10)或二甲苯(C20H12)，分別在290～390和340～440 nm范圍內(nèi)被激發(fā)，發(fā)射范圍在370～500和420～580 nm。 當(dāng)變壓器絕緣油受到氧化或放電擊穿發(fā)生老化變質(zhì)后，芳香烴化合物分解或轉(zhuǎn)化[8-9]，造成其熒光光譜強(qiáng)度變?nèi)醪l(fā)生特征峰“紅移”現(xiàn)象[10]。 本文的熒光雙色比例法基于熒光光譜雙特征峰的變化規(guī)律提出，原理如圖1。

圖1顯示了不同老化程度下的變壓器絕緣油熒光光譜，可以看到隨著老化程度的增加，λShort和λLong兩個(gè)特征峰強(qiáng)度呈現(xiàn)不同程度的下降，因此可利用特征峰的比例值大小區(qū)分不同樣本光譜，建立基于熒光雙色比例的變壓器絕緣油品質(zhì)檢測(cè)定量模型。

圖1 熒光雙色比例變壓器絕緣油品質(zhì)檢測(cè)原理

T=A×(FP)n+B×(FP)n-1+…+C×FP+D

(1)

式(1)中，T為待求解的老化量(放電擊穿時(shí)間, 單位為h)，A,B, …,C,D為擬合系數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

選擇常見變壓器絕緣油尼納斯油進(jìn)行不同放電擊穿量老化試驗(yàn)，獲取新油、分別放電擊穿10，30，50，70，90和120 min共7個(gè)試驗(yàn)樣本。 使用HORBIA公司生產(chǎn)的Fluorolog-3型熒光分光光度計(jì)采集試驗(yàn)樣本熒光光譜，用口徑10 mm、容積3.5 mL的熒光比色皿盛放樣品(圖2)。

圖2 熒光雙色比例變壓器絕緣油品質(zhì)檢測(cè)原理Fig.2 The principle of transformer insulating oil quality testing based on fluorescence double color ratio

由于試驗(yàn)用變壓器絕緣油主要熒光物質(zhì)成分未知，以新油樣本為測(cè)試對(duì)象，通過掃描激發(fā)波長(zhǎng)250～450 nm范圍獲取熒光發(fā)射光譜，確定絕緣油的熒光特征波段。 同時(shí)，縮小激發(fā)波長(zhǎng)范圍，為尋找最優(yōu)激發(fā)波長(zhǎng)做準(zhǔn)備。 試驗(yàn)測(cè)試流程參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)測(cè)試流程參數(shù)表Table 1 Testing flow parameters

3 結(jié)果與討論

試驗(yàn)所測(cè)熒光光譜均用3點(diǎn)(發(fā)射光譜波長(zhǎng)間隔為5 nm, 窄峰寬度為40 nm)移動(dòng)均值平滑法去噪處理，圖3為新油樣本的激發(fā)波長(zhǎng)掃描熒光光譜，可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)油樣的熒光發(fā)射光譜特征位置在350～500 nm之間，最優(yōu)激發(fā)波長(zhǎng)范圍為270～310 nm。

對(duì)比最優(yōu)激發(fā)波長(zhǎng)范圍下各試驗(yàn)油樣本熒光光譜，尋找最優(yōu)固定激發(fā)波長(zhǎng)。 利用熒光強(qiáng)度與樣本區(qū)分度綜合判別(圖4)。

圖3 新油激發(fā)波長(zhǎng)掃描熒光光譜Fig.3 Fluorescence spectra of the fresh oil onscanning excitation wavelengths

以圖4(a)激發(fā)波長(zhǎng)為280 nm下的各油樣本的熒光特征光譜為例，定義主峰熒光強(qiáng)度為Peak Intensity，主峰強(qiáng)度均方差為Peak Std，表示各樣本特征的離散度。 圖4(b)和(c)分別計(jì)算得到了各激發(fā)波長(zhǎng)下特征峰強(qiáng)度曲線和特征峰均方差曲線，最優(yōu)固定激發(fā)波長(zhǎng)選擇應(yīng)同時(shí)滿足Peak Intensity和Peak Std最大化，可以看出，試驗(yàn)油樣放電擊穿老化熒光檢測(cè)最優(yōu)固定激發(fā)波長(zhǎng)為280 nm。

選擇固定激發(fā)波長(zhǎng)280 nm下的油樣本熒光光譜建立熒光雙色比例變壓器絕緣油放電擊穿診斷模型，從圖4(a)中可以看出： 隨著放電擊穿時(shí)間的增加，絕緣油發(fā)生一定程度的老化，λShort和λLong兩個(gè)特征峰熒光強(qiáng)度都變?nèi)趿?，但有別于氧化老化情況，放電擊穿老化樣本的特征峰位置保持不變，沒有發(fā)生明顯波長(zhǎng)“紅移”現(xiàn)象，反而有助于較窄雙色波段的選擇，提高檢測(cè)準(zhǔn)確度。

圖4 最優(yōu)固定激發(fā)波長(zhǎng)選擇(a)： 各樣本熒光特征比較；(b)： 各激發(fā)波長(zhǎng)下特征峰強(qiáng)度曲線； (c)： 各激發(fā)波長(zhǎng)下特征峰均方差曲線Fig.4 Selection of optimal fixed excitation wavelength

分別提取雙色波段380～388和399～407 nm熒光特征信息，根據(jù)熒光雙色比例絕緣油老化定量模型式(1)，利用最小二乘擬合完成模型建立，獲得模型最優(yōu)擬合為二次方程T=12 815.55×(FP)2-23 226.54×FP+10 523.79，相關(guān)系數(shù)為0.9515，擬合曲線如圖5所示。

圖5 變壓器絕緣油放電擊穿熒光比例診斷模型曲線

從圖5中看出，各樣本點(diǎn)基本都落在擬合曲線上，擬合殘差小、效果好，說明不同放電擊穿油樣本的熒光比例FP值和放電擊穿時(shí)間存在一個(gè)二次關(guān)系，在實(shí)際放電擊穿潛伏故障診斷中，可根據(jù)測(cè)量計(jì)算的熒光比例推算出累計(jì)放電擊穿時(shí)間，為變壓器故障預(yù)防與處理提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié) 論

通過測(cè)量不同放電擊穿時(shí)間下的變壓器絕緣油老化樣本的熒光光譜，確定油樣最優(yōu)固定激發(fā)波長(zhǎng)為280 nm，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析不同放電擊穿量引起的熒光特征變化規(guī)律，建立基于熒光雙色比例的變壓器絕緣油放電擊穿故障診斷模型，表明了熒光雙色比例計(jì)算的可行性，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法中熒光信息獲取時(shí)間長(zhǎng)、成本高的不足。 研究結(jié)果初步驗(yàn)證了熒光雙色比列法在變壓器絕緣油放電擊穿故障診斷應(yīng)用上的潛力，為一種體積小、成本低、快速在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的進(jìn)一步建立提供了一定基礎(chǔ)。