變壓器油中溶解氣體光聲光譜檢測技術研究

毛知新 文勁宇

(華中科技大學電氣與電子工程學院 武漢 430074)

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變壓器油中溶解氣體光聲光譜檢測技術研究

毛知新 文勁宇

(華中科技大學電氣與電子工程學院 武漢 430074)

光聲光譜技術具有選擇性好、檢測范圍寬、準確度高和免維護等優(yōu)點，基于光聲光譜氣體檢測原理和變壓器油中溶解氣體的吸收光譜特征，對油中溶解氣體進行定性和定量分析，構建了結合動態(tài)頂空脫氣和光聲光譜檢測的微量氣體檢測裝置，研究檢測器內(nèi)部噪聲、環(huán)境溫度和濕度等對檢測結果的影響，結合現(xiàn)場數(shù)據(jù)和實驗分析空氣濕度的影響并提出解決方案，對比檢測了取自現(xiàn)場變壓器的油樣，結果達到了IEC和相關國家標準的要求。

光聲光譜 變壓器油中溶解氣體 動態(tài)頂空脫氣 濕度 影響因素

0 引言

光聲效應是一種輻射熱效應，起因于封閉氣體中熱量的損失和吸收所產(chǎn)生的氣體體積的變化[1]?；诠饴曅奈⒘繗怏w檢測技術，由于其靈敏度高、不消耗被測氣體、檢測范圍寬、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可真正實現(xiàn)免維護，在變壓器等油浸式電氣設備的油中故障氣體在線檢測中具有巨大的應用潛力[2-5]。

國內(nèi)外學者對氣體光聲光譜檢測技術進行了大量研究，研究內(nèi)容主要集中在激光光源的選擇、光聲池和微音器的設計等方面[6-9]。采用CO、CO2等氣體激光器作為光源的光聲光譜檢測裝置理論上可檢測10-13量級的微量氣體，實驗證明用波導CO2激光器作光源的光聲光譜檢測裝置可監(jiān)測到10-12量級的C2H4氣體，但激光器體積大、價格貴、操作復雜且不能調(diào)諧，不適合變壓器油中多種溶解氣體的在線監(jiān)測。同時為了提高檢測準確度，學者們改善了光聲池的設計，隨著微音器技術的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了傳統(tǒng)的電容式和電壓式微音器、基于微加工技術設計的壓電式石英音叉、采用微機電系統(tǒng)技術設計的薄膜型或薄層型微音器。微音器的發(fā)展使得光聲光譜檢測變得更加敏感，系統(tǒng)趨于緊湊化和小型化。國內(nèi)許多學者也進行了光聲光譜在變壓器油中溶解氣體檢測、局部放電下SF6及其分解組分的檢測等應用研究[10-15]，并研究了溫度、壓力、濕度和斬波器頻率等因素對光聲光譜檢測的影響[16-19]。

本文在分析光聲光譜微量氣體檢測技術原理和變壓器油中溶解氣體的紅外吸收光譜特征的基礎上，搭建了結合動態(tài)頂空脫氣和光聲光譜氣體檢測的實驗平臺，在實驗室恒溫恒壓的環(huán)境下驗證了光聲光譜氣體檢測的重復性和準確度。并結合理論和實驗分析了噪聲和外部環(huán)境溫、濕度對檢測結果的影響。為光聲光譜技術在變壓器油中溶解氣體在線檢測中的推廣應用提供了技術支持。

1 光聲光譜技術

1.1 光聲信號檢測原理

當調(diào)制后斷續(xù)的光照射密閉容器中的氣體時，容器中氣體分子會吸收相應頻率的光而被激發(fā)到高能態(tài)，高能態(tài)的分子不穩(wěn)定，會通過自發(fā)輻射躍遷或無輻射弛豫回到低能態(tài)，在無輻射弛豫過程中，氣體分子的能量會轉換為氣體平動或轉動動能，引起氣體溫度的周期性變化，一定體積內(nèi)的氣體溫度周期性變化引起氣體壓力的周期性變化。通過高準確度的微音器可檢測此周期性變化的壓力，從而定量分析氣體的濃度。氣體光聲信號的產(chǎn)生及檢測，如圖1所示，包括以下3步：

1)紅外光源發(fā)出的光經(jīng)斬光盤調(diào)制后變成斷續(xù)的光，經(jīng)濾光片后獲得特定頻率的光，擁有相同吸收頻率的氣體分子會被激發(fā)，從而定性氣體種類。

2)調(diào)制后的光照射到光聲池中的氣體，分子運動和能量轉換使氣體溫度呈現(xiàn)出與調(diào)制頻率相同的周期性變化，導致壓強的周期性變化，產(chǎn)生聲信號。

3)通過高靈敏度的微音器感知氣室中壓力的變化，并轉換為與氣體壓強呈比例的電信號，供外電路分析處理。

圖1 典型的光聲光譜系統(tǒng)Fig.1 Typical PAS system

由于氣體分子對光強的吸收遵循朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律，不同波長光線照射下產(chǎn)生的光聲信號強度并不一致，反映光聲信號強度與光線波長關系的譜圖被稱為光聲光譜。即使在弱吸收情況下，很小的吸收能也能被高靈敏度的微音器檢測出來，因而具有很高的檢測靈敏度及穩(wěn)定性。

1.2 光聲信號產(chǎn)生機理

光聲效應的產(chǎn)生可描述為兩個步驟：第一步是氣體分子吸收光能后產(chǎn)生熱能；第二步是由于氣體的熱膨脹產(chǎn)生聲波。

氣體的熱效應可通過氣體的能級分子數(shù)密度來分析，若分子數(shù)為Nm的分子被激發(fā)到激發(fā)態(tài)Em，則處于基態(tài)E0的分子數(shù)為N-Nm，激發(fā)態(tài)Em分子密度為

(1)

式中，σ為氣體的吸收截面；φ為光子通量；τm為激發(fā)態(tài)分子總壽命。激發(fā)態(tài)分子的總壽命τm與無輻射躍遷壽命τn和輻射躍遷壽命τr的關系為

(2)

在空氣中，輻射躍遷可忽略，式(1)可簡化為

(3)

若只檢測基頻入射光引起的光聲信號，則光通量為

φ=φ0(1+ejωt)

(4)

式中，ω為光束調(diào)制的角頻率。式(3)的解為

(5)

式中，φ為Nm與φ之間的相位延遲，φ=arctan(ωτm)。

氣體中分子因無輻射弛豫產(chǎn)生的熱功率密度H可表示為

(6)

假設氣體分子激發(fā)態(tài)的能量都通過無輻射弛豫回到基態(tài)，則Δv近似等于入射光波數(shù)vin，又因τm≈τr，所以，產(chǎn)生的熱可表示為

(7)

將Nm代入式(7)得到光聲學中通常條件下熱產(chǎn)生的基本公式

(8)

式中，I0為入射光束的強度，I0=φ0hcvin。在較低的調(diào)制頻率下，ωτm?1， 簡化式(8)得到

H0=NσI0=αI0=α0I0Cgas

(9)

式中，α為氣體分子的吸收系數(shù)；Cgas為氣體的濃度。

由此可得到氣室中氣體的熱能與氣體的濃度有線性關系。

氣體分子由于周期性的熱運動產(chǎn)生光聲信號是牽涉到氣體密度ρ、壓力p、溫度T和流速v的復雜過程，假設氣體為理想氣體，對其進行近似處理。

氣體因吸收光而產(chǎn)生的熱H(r,t)將激勵聲信號，此過程可由氣體定律的差分方程描述為[7]

(10)

式中，c0為聲速；γ為氣體的比熱比，γ=Cp/Cv；p為壓力信號。方程(10)是非齊次方程，將該方程的兩邊對時間進行Fourier變換，在柱坐標下，可求得簡正模式下的聲波振幅為

(11)

式中，Qj為品質因素，描述的模式阻尼為流體粘滯損耗和熱導損耗；Vc為氣體占有的體積。

1.3 油中故障氣體光譜特性

變壓器油中溶解的故障氣體主要有：氫氣(H2)，一氧化碳(CO)，二氧化碳(CO2)，甲烷(CH4)，乙烷(C2H6)，乙烯(C2H4)和乙炔(C2H2)等。除氫氣外其他氣體均吸收紅外光?，F(xiàn)場應用中，光聲光譜氣體檢測通常以室外空氣為背景氣，空氣中除含有不吸收紅外光的氧氣和氮氣外，還有水蒸氣、二氧化碳、甲烷等影響油中溶解氣體光聲光譜檢測的氣體，在選擇定性分析氣體的濾光片前，必須先分析空氣的紅外光譜特性。根據(jù)HITRAN2012數(shù)據(jù)庫[20]計算出在溫度20℃、壓強為1標準大氣壓下空氣的紅外吸收光譜如圖2所示。

圖2 空氣的紅外吸收光譜Fig.2 Infrared spectra of air

從圖2可知，在500～4 000cm-1的中紅外范圍內(nèi)，不受二氧化碳和水蒸氣影響的紅外頻率段有：①700～1 300cm-1；②2 000～2 300cm-1；③2 400～500cm-1。

同樣，根據(jù)HITRAN2012數(shù)據(jù)庫可計算變壓器油中溶解氣體的紅外光譜特性，綜合空氣和油中溶解氣體的特征頻譜，如圖3所示，能有效檢測油中溶解烴類氣體的頻率范圍為700～1 300cm-1，而一氧化碳和二氧化碳的頻率范圍為2 000～2 300cm-1。則供濾光片選擇的各氣體的特征頻譜如表1所示。

圖3 空氣和油中溶解氣體的紅外吸收光譜Fig.3 Infrared spectra of air and gases dissolved in oil

氣體組分分子量特征波數(shù)/cm-1特征波長/μmCO2821434.666CO24423494.257CH41612517.994C2H42810569.470C2H63083611.962C2H22673513.605

1.4 多組分氣體檢測

光聲光譜氣體檢測技術主要根據(jù)氣體分子吸收譜線的形狀、位置及特征吸收譜線強度進行氣體的定性定量分析。吸收系數(shù)是吸收譜線位置及其強度的特征參數(shù)。根據(jù)量子力學和光譜學理論，任意溫度和壓強下單位體積內(nèi)氣體單根吸收譜線的吸收系數(shù)可表示為線強度、線型函數(shù)和單位體積下吸收氣體總粒子數(shù)的乘積，即

α(v)=Sg(v-v0)NPa×296/T

(12)

式中，α(v)為吸收譜線在波數(shù)v處的吸收系數(shù)；S為吸收譜線的線強度；N為一定壓強和溫度下單位體積的氣體分子數(shù)；v0為吸收譜線的中心波數(shù)；Pa為氣體分壓強；T為溫度；g(v-v0)為歸一化的線型函數(shù)。

由于分子間的碰撞等原因，氣體的吸收譜線并非一條直線，而是具有一定寬度。線型函數(shù)g(v-v0)反映吸收系數(shù)隨波數(shù)改變而發(fā)生的相對變化，即譜線展寬，理論上用線型函數(shù)來擬和吸收譜線[21]。

(13)

式中，ΔvD為多普勒展寬線型函數(shù)的全線寬；δ為多普勒展寬與碰撞展寬之間的關系；β定義為

(14)

由于吸收系數(shù)的加和性，氣體在波數(shù)v處的吸收系數(shù)為相互重疊的n條譜線在該波數(shù)處的作用之和，即

(15)

式中，αg(v)為氣體在波數(shù)v處的吸收系數(shù)；Sk和v0,k分別為第k條吸收譜線的線強度和中心波數(shù)。

變壓器油中溶解的特征氣體為多組分，光聲光譜檢測裝置需分析多組分氣體樣品而不是單一組分，在單個成分的吸收譜所選擇的一組波長的基礎上，檢測每一波長的光聲信號，便可分析樣品。如果Ri表示波長λi處單位入射功率的光聲系統(tǒng)響應，則信號Si為

Si=PicRi

(16)

式中，c為濃度；Pi為λi處的入射功率。對多組分樣品

(17)

式中，Rin為組分在波長處的響應。式(17)的解為

(18)

此方法在分析多組分樣品時的有效性不僅取決于Si和Pi的測量準確度，還依賴于矩陣Rin的性質。顯然，如果能選擇一組波長使Rin成對角矩陣，則問題變得很簡單，且靈敏度不為各組分之間相互干擾所限制。

2 光聲光譜檢測系統(tǒng)及其應用

實際應用中，油中溶解氣體在線檢測系統(tǒng)一般包括油氣分離單元、光聲光譜檢測單元及數(shù)據(jù)處理單元。油氣分離單元從變壓器油中分離出故障氣體供檢測單元分析，光聲光譜檢測單元是系統(tǒng)的核心，負責對故障氣體進行定性和定量分析，檢測單元的分析結果由數(shù)據(jù)處理單元進行整理并實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的通信。系統(tǒng)結構如圖4所示。

圖4 油中溶解氣體檢測系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of dissolved gas detection system

在該系統(tǒng)中，為提高油中溶解氣體的脫氣率，采用IEC標準推薦的適用于變壓器油中溶解氣體在線檢測的負壓動態(tài)頂空脫氣。以室外空氣為背景氣，避免使用高壓罐裝的壓縮空氣或惰性氣體，降低成本同時消除高壓氣罐的潛在危險。

動態(tài)頂空脫氣的主要原理是：在油室中加入一定量的油樣和一定量的純凈空氣，通過攪拌后鼓泡等方法，加速使油中溶解氣體在氣、液兩相間建立動態(tài)平衡，測定氣相各組分含量就可算出油中溶解氣體各組分含量。在該設計中，通過附加油泵、氣泵、加熱器等設備來改變油室的溫度、壓力和占空比以提高脫氣率。油中氣體濃度方程為[22]

(19)

式中，t為油室的溫度；Pa為油室的壓力；P0為環(huán)境大氣壓；Ki為試驗溫度下，氣液兩相平衡后i氣體組分的分配系數(shù)，即奧斯特瓦爾德系數(shù)；Cio為液相中i氣體組分的體積分數(shù)；Cig為氣相中i氣體組分的體積分數(shù)；Vo和Vg分別為油樣和氣室的體積。

光源是光聲光譜檢測器的重要組成部分，光源的選擇首先是能覆蓋所有變壓器油中溶解特征氣體吸收光譜帶的紅外光源，其次是必須體積小、功耗低。我們選擇寬帶黑體光源的覆蓋范圍為500～4 000cm-1，或用波長表示為20～2.5μm，保證能通過過濾吸收光分辨不同的氣體。

斬光盤是將連續(xù)的光變成斷續(xù)光的裝置，它是由電動機帶動的帶對稱切口的金屬盤片，電動機的轉動頻率在該設計中選擇20Hz。

被測氣體的定性分析是通過濾光片實現(xiàn)的，只有相同頻率的光才能通過，根據(jù)前述變壓器油中溶解氣體的紅外吸收光譜特性，選用Lumasense公司相應型號的濾光片。

光聲池為非共振式設計，非共振式光聲池的特點是光聲信號與調(diào)制信號近似，所以光聲池各處的聲壓基本一致，非共振式光聲池的振幅為

(20)

式中，Vc為光聲池的體積；ω為斬波器的調(diào)制頻率；lt=R2Cr/(2.048k)， 其中k為熱傳導系數(shù)，Cr為氣體的等容熱容。非共振式光聲池具有結構簡單、體積小等特點，適用于現(xiàn)場在線檢測產(chǎn)品。

在本系統(tǒng)中，微音器選用B&K公司的駐極體微音器，其核心部分是一個能夠感知聲壓的振膜和一塊固定的駐極體，振膜在聲波的推動下發(fā)生形變，進而引起兩極板之間電容的改變，電容變化的頻率和幅度正比于聲波的頻率和強度。振膜和駐極體間存在高值電阻，由于駐極體本身能夠提供極化電壓，當聲波導致兩極板間的電容發(fā)生改變時，高值電阻的阻礙作用使得振膜和駐極體間的電荷基本不變，于是二者間的電壓呈現(xiàn)與電容值呈反比的變化，從而得到相應的電信號輸出。

3 實驗結果與分析

光聲光譜檢測裝置內(nèi)部光聲池的設計、微音器的選擇和信號放大電路的設計對檢測的影響在設計時結合經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行不斷完善，變化的外部環(huán)境對檢測的影響則需要更多的研究、分析和經(jīng)驗積累。

3.1 噪聲分析

光聲光譜最終檢測到的是聲音信號，檢測靈敏度最終由信號的信噪比決定，提高靈敏度的方法是盡可能降低噪聲和其他干擾信號。影響檢測的主要噪聲有：

1)氣室內(nèi)壁噪聲

當光照射到氣室內(nèi)，氣室內(nèi)壁對光的吸收會導致在斬波頻率下氣室壁的溫度周期性增加。壁面溫度的升高引起熱流量傳導到空氣層與壁接觸，使之擴大。光周期性地與氣室壁接觸，空氣會在斬波頻率下膨脹和收縮而產(chǎn)生聲信號。以球形空腔為例計算氣體信號。

(21)

式中，Wω為單位壁體面積吸收功率；ρω、Cω、kω分別為壁體材料的質量密度、熱容量和熱導率；ρ0、Cp、k分別為氣室內(nèi)氣體混合物中的質量密度、熱容量和熱導率；p0、T0分別為環(huán)境壓力和溫度；R為氣室半徑；ω為斬波頻率。氣體信號對氣室內(nèi)壁信號的比率主要在于頻率，減少內(nèi)壁信號的主要方法有：①使用吸收光能少而反射光能多的材料；②腔體半徑盡量大；③材料的ρωCωkω盡量高。

2)窗噪聲

少部分的入射光照射到窗口將被窗口材料吸收，這將在窗口表面引起溫度波動。正如由氣室壁吸收光產(chǎn)生聲信號一樣，窗口材料對光的吸收也產(chǎn)生聲信號。

光照射到窗口時，材料吸收入射光引起窗口表面溫度起伏，振幅為

(22)

式中，β為窗口材料的吸收系數(shù)；Cwi為窗戶材料熱容量；ρwi為窗戶材料密度；lc為圓柱PAS氣室內(nèi)部長度。

窗口信號在以下幾方面不同于氣室壁信號：①窗口信號與信號頻率的ω3/2而不是ω呈反比；②窗口信號與材料的熱導率無關。這些差異是由于窗口材料整體吸收光，而氣室內(nèi)壁僅表面吸收。通常使用鍺作為窗口材料，可減少窗口噪聲。

3)氣體布朗運動噪聲

光聲池中氣體的布朗運動或熱漲落是氣體光聲光譜技術靈敏度的最終極限。這些熱漲落能激發(fā)光聲池中聲的簡正模式，從根本上限制了光聲靈敏度。C.Kittle[23]指出，布朗運動所激勵的第j次簡正模式的振幅為

(23)

4)微音器噪聲

光聲光譜信號的檢測多使用電容式微音器，電容微音器使用在強徑向張力下安裝的金屬或鍍金屬的箔或膜片。作用于膜片一面的聲壓引起膜片運動，因而改變膜片和固定金屬板之間的電容量。在最低階的振動模式能明顯改變電容量。在這種振動模式中，膜上每一點在方向上的平均位移為

(24)

當微音器與高阻抗放大器的輸入端相連時，輸出電壓Vs為

(25)

式中，ωm為微音器的共振頻率，ωm=(x/m)1/2；Qm為微音器的品質因素，Qm=(mx/ξ)1/2，其中m為膜的質量，ξ為阻尼因子，x為恢復力；VB為微音器的偏置電壓；d為微音器膜片和固定金屬板之間的距離。則零階模式的振幅為

(26)

5)振動噪聲

振動噪聲是微音器誤差的主要來源。來自外部環(huán)境的振動會使微音器膜、氣室中空氣以及氣室發(fā)生變形，這些變形產(chǎn)生噪聲信號。低頻時，垂直于膜表面的振動將影響檢測，加速度為a0sinωt的垂直振動產(chǎn)生壓力Pm=ρmda0sinωt，ρm為微音器膜的密度，d為膜的厚度。兩個對稱安裝的微音器減少振動的影響，反向相加而抵消。

3.2 環(huán)境溫度、壓力影響

氣體光聲信號是在恒定的溫度、壓力下的光聲池中激發(fā)氣體分子，被激發(fā)氣體分子的無輻射弛豫產(chǎn)生的，溫度和壓力的變化必然會引起分子光譜線強的變化。HITRAN數(shù)據(jù)庫給出的譜線是在P0=1.013 25×105Pa，T0=296 K標準狀態(tài)下的線強，其他溫度和壓力下，必須根據(jù)式(12)修正到測量時的溫度T和壓力p下的線強。譜線的積分強度為

(27)

式中，Q(T)為配分函數(shù)；Rul為躍遷矩陣；E1為低能級。因此，非標準狀態(tài)下的譜線積分強度為[24]

(28)

3.3 環(huán)境空氣濕度影響

以環(huán)境空氣為光聲光譜檢測裝置的背景氣為油中溶解氣體在線檢測帶來方便，但由于：①在氣體分子碰撞過程中，入射光能會部分傳遞給背景氣體，引起氣體分子的動力學冷卻；②背景氣體中微量的CH4、CO等紅外吸收氣體會與檢測氣體中同類氣體混合；③背景氣體會影響吸收氣體的碰撞展寬，進而直接影響氣體的吸收譜線。上述3種影響可通過檢測被測氣體前先檢測背景氣體，通過學習算法來消除影響；④空氣的濕度隨季節(jié)、溫度變化，進入氣室的水分子也是變化的，由于水氣是吸收氣體會直接影響測量結果，且駐極體微音器通過檢測極板間電容的變化來計算光聲信號產(chǎn)生的聲壓，而極板間的電容量決定于極板間距離和氣體介電常數(shù)。在氣體成分、溫度、壓力控制不變的光聲池中，駐極體極板間電容量只與濕度有關。氣體濕度的少量變化都會引起氣體介電常數(shù)較大的變化。氣體濕度越大，氣體介電常數(shù)就越大，電容式微音器的靈敏度也就越高。

1)現(xiàn)場檢測

圖5所示為現(xiàn)場采集的光聲光譜檢測結果與環(huán)境空氣濕度的變化趨勢。為圖形設計的方便和對比效果，選取從2013年8月11日～2014年7月1日期間每周一下午16∶00的數(shù)據(jù)。

圖5 濕度對現(xiàn)場運行光聲光譜檢測結果的影響Fig.5 Influence of detection result in field from humidity

從圖5可看出，盡管CO和CO2濃度較高，且隨變壓器運行時間增長而增多，在濕度變化較大的秋季和夏季，其濃度的增長趨勢明顯大于空氣濕度變化較少的春季和冬季。濃度較低的烴類氣體，隨濕度的變化有明顯波動。

2)實驗室檢測試驗

為了進一步了解濕度對光聲光譜檢測結果的影響，在實驗室準備一臺與現(xiàn)場一樣的光聲光譜檢測裝置，白天設備在室外運行，晚上在控制溫度和濕度穩(wěn)定的房間運行，3天的運行結果如圖6所示。

圖6 濕度對實驗室運行光聲光譜檢測結果的影響Fig.6 Influence of detection result in lab from humidity

從圖6可得到與現(xiàn)場一樣的結果，濕度的變化引起測量結果的波動。隨著檢測的不斷進行，油中氣體含量應緩慢降低，在夜間，空氣濕度穩(wěn)定，測量結果恒穩(wěn)定，當白天在室外空氣濕度明顯變化時，檢測結果反而明顯上升。

3.4 空氣濕度及其他氣體影響的消除方法

為了消除空氣濕度及其他氣體對光聲光譜檢測結果的影響，設計了基于活性炭-活性氧化鋁-分子篩吸附工序的空氣凈化裝置。

活性炭能大量吸附水分，活性氧化鋁在適當?shù)臏囟认履艽呋趸諝庵械腍2、CO、CH4等，最后采用分子篩進行干燥吸附。分子篩在水蒸氣分壓低的條件下具有很強的吸附能力，可進行氣體的深度干燥。

在實驗室，空氣經(jīng)過空氣凈化裝置后，出口處氣體濃度的變化如圖7所示，在開始時，由于脫附，CO2緩慢上升，脫附完成后，開始吸附，在出口處，CO2和CH4的濃度都變得很小，滿足設備使用要求。

圖7 空氣凈化效果Fig.7 Gas conversions versus time

安裝過濾裝置后測試結果如圖8所示，乙烯、乙烷、甲烷和乙炔的重復性分別為：1.78%、3.59%、1.80%和2.50%。濕度的變化沒有引起氣體檢測結果變化。

圖8 安裝空氣凈化裝置后測試結果Fig.8 Test result after air purified

3.5 檢測結果分析

通過頂空脫氣與光聲光譜的檢測和實驗室頂空脫氣與Agilent7890氣相色譜儀對采樣于運行中的變壓器的油的隨機樣本進行對比分析。使用不同技術對同一樣本油進行的測試結果見表2。給出以PPM為單位的標準偏差以及所獲讀數(shù)的平均值百分比的標準偏差。

表2 取自現(xiàn)場變壓器油中氣體進行的分析Tab.2 Result of gas-in-oil samples from field transformer

由于實際運行的變壓器特別是新投運的變壓器，油中氣體含量都很低，在烴類氣體濃度低于2 PPM時，光聲光譜與氣相色譜的偏差均低于0.5 PPM，高于2 PPM時偏差低于10%，達到了IEC和國家相關標準的要求。

4 結論

光聲光譜氣體檢測技術具有靈敏度高、檢測速度快、檢測范圍寬、不消耗被測氣體和載氣等優(yōu)點，被推薦應用于電力系統(tǒng)變壓器油中溶解氣體的在線檢測。分析了光聲光譜微量氣體檢測原理和變壓器油中溶解氣體的特征吸收光譜，根據(jù)特征氣體的吸收光譜特性計算油中各組分氣體含量，搭建了基于動態(tài)頂空脫氣和光聲光譜檢測的實驗平臺，與實驗室安捷倫氣相色譜儀對比測試了取自運行中的變壓器的同一油樣，測試了空氣濕度對檢測結果的影響，并結合現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)分析了濕度對檢測結果的影響并提出了可行的解決方案。同時研究了光聲光譜檢測器內(nèi)部和外部環(huán)境噪聲對檢測的影響。為進一步完善光聲光譜技術在變壓器油中溶解氣體檢測中的應用提供了技術支持。

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Research on the Detection of the Dissolved Gas in the Transformer Oil by Photoacoustic Spectroscopy

MaoZhixinWenJinyu

(Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China)

Photoacoustic spectroscopy (PAS) is a new method to detect the trace gas dissolved in the transformer oil.It utilizes the measurement of the electromagnetic energy absorbed by the transformer oil by means of acoustic detection.The PAS is characterized by high sensitivity，wide detective range，good selectivity and maintenance free.In this paper，the principle of PAS used for dissolved gas detection in transformer oil has been introduced first.Then the absorption spectral has been analyzed qualitatively and quantitatively.A dissolved gas detection system consisting of a dynamic headspace degasses and the trace gas meter with PAS has been built.Field test has also been conducted and the improvements have been made considering the effect of internal noise，environmental temperature and humidity.Experimental results demonstrate the accuracy of trace gas detection is well with the national and IEC standards.

Photoacoustic spectroscopy，dissolved gas in transformer oil，gas detection，humidity，influence factors

2014-12-17 改稿日期2015-01-19

TM406

毛知新 男，1972年生，博士研究生，研究方向為電氣設備智能在線監(jiān)測技術。(通信作者)

文勁宇 男，1970年生，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制，電能存儲與電力安全等。