基于高海拔地区变压器油中气体光声光谱分析系统设计.pdf

2023.7 下 EPEM 261电力装备Electric Equipment基于高海拔地区变压器油中气体光声光谱分析系统设计国家电投集团贵州金元威宁能源股份有限公司 田顺强 彭永飞 杨晓东 朱 波 张 青摘要：本文以光声光谱技术为基础，设计一款基于高海拔地区变压器油中气体光声光谱分析系统，并对系统的性能进行试验验证。关键词：变压器油；高海拔地区；溶解气体；气体光声光谱分析系统在充油电气设备故障预防方面，油中溶解气体分析（DGA）方法极为有效，备受业内认可，对变压器故障的提前预警及诊断分析，实时掌握变压器运行情况，调整变压器的供电负荷，提供合理依据实施状态检修，确保有效调整变压器的工作负荷等有着极其重要的意义1。当前，组件多、管路涉及较高复杂性的气相色谱技术中，仪器运行时难以实现可观的稳定可靠性，需要定期更换色谱柱，系统需要标气、定期置换载气，维护成本高；现有的传统光声光谱技术：由于高原环境、交叉干扰、工频振动等因素的限制，精确度不高。研制开发适用于高海拔地区，高性价比、高精度、高稳定性和高可靠性的变压油中光声光谱气体在线监测系统是非常迫切和必要的，在可靠供电、减少维护支出及延长使用寿命方面有着至关重要的意义。通过变压油中气体光声光谱分析系统及故障智能诊断分析模型的构建，实现变压器设备状态评价、风险预警、故障研判。1 充油电力变压器常见故障及绝缘油产气原理绝缘故障包含液体与固体两类。油浸变压器是现阶段电压变压器中应用最为广泛的一类，该变压器引入固体绝缘材料、固体绝缘材料、绝缘纸、纸板和木块等作为主要绝缘材料。在环境因素影响下，当有分解反应出现在材料中后，难免会影响绝缘强度，即为变压器绝缘老化。根据相关统计数据得知，变压器事故中，由于不同类型绝缘故障引起的超过85%。通过对变压器的维修管理，能延长绝缘材料的使用寿命，故而有必要落实绝缘系统的维护工作，定期开展变压器运维工作，以便为变压器的使用寿命提供一定保障，而预知性及预防性维护在变压器供电可靠性的提高及使用寿命的延长中体现着不可忽视的作用。1.1 绝缘油的分解绝缘油属于混合物，包含一系列碳氢化合物分子，分子中由 C-C 键为基础结合 CH、CH2、CH3化学基团。当出现电或热故障时，可能会引起部分 C-C、C-H 键断裂，从而生成活泼氢原子和不稳定碳氢化合物，如 C*、CH3*和 CH2*CH*等自由基，且在复杂的化学反应中重新化合后形成一系列低分子烃类气体，如乙炔、甲烷、乙烯、乙烷等，或形成氢气，或形成碳固体颗粒等。刚发生故障时，会形成部分气体，且能溶解于油；出现较大的故障能量时，可能会有自有气体聚集而成。低能量故障如局部放电等会引起离子反应，338kJmol 的 C-H 键断裂，大量氢离子经重新化合为氢气且可积累。能量（温度）较多的条件下，C-C键同样可能断裂，并历经607kJmol 的 C-C 键、720kJmol 的 C C 键 和960kJmol 的 CC 键等形式向烃类气体化合，该过程中涉及的温度与能量需求不断提升。相比甲烷、乙烷而言，乙烯的生成温度更高（约500），但温度偏低时也会生成一定量。8001200时，会有乙炔生成，且反应过程中如262 EPEM 2023.7 下电力装备Electric Equipment果温度一旦降低就会受限，再次化合为稳定产物。所以，电弧通道中会有大量乙炔产生。但是，不超过800的较低温度条件下同样也会生成少量的乙炔。油氧化反应中，会有少量能够长期积累的 CO、CO2伴随生成，因此也会成为显著数量。油碳化会生成500800的碳粒。哈斯特（Halsterd）在探索热平衡状态下温度与生成气体间关系的过程中引入热动力学平衡理。其研究中指出，会有少量烃类气体在电气设备故障后生成，同时伴随一定的其他产物。烃类气体生成量主要由故障释放的温度（能量）决定，油裂解程度同样如此。模拟试验中，假设各种生成物及相关产物的状态维持平衡，在热动力学模拟中，结合分解反应平衡常数，计算出不同气体产物分压，即温度函数关系：生成量最多的氢，与温度关联性可以忽略不计；乙炔虽明显可见，但其生成需要将近1000的温度条件；甲烷、乙烷、乙烯具备唯一性的依赖温度。热动力学是以理想平衡状态的构建为目标，故障情况下等温的平衡状况并不存在于故障周围，但揭示了一定的设备故障与热动力学模拟的相关性，确定部分气体组分或组分比值为特定故障的特征、并对设备内部故障温度加以估计是有价值的。1.2 固体绝缘材料的分解部分固体绝缘材料如木块、纸、层压纸板等分子内含大量热稳定性弱于油中碳氢键的葡萄糖甙键、弱 C-O 键和无水右旋糖环，且较低温条件下会重新化合。温度105的条件下，聚合物能够顺利裂解，但要想达到裂解完全及碳化的目标，则温度条件需超过300，不仅会有水生成，同时也会有少量烃类气体、呋喃化合物及大量 CO 和 CO2伴随而出，且油被氧化。当纸的湿度、油中氧含量及温度增加后，同样会增加 CO 和 CO2的生成量。在对流、扩散的作用下，生成的气体转为气泡并溶解至油中。故障类型及实际程度是生成气体组成、含量的决定性因素。所以，通过对油中溶解的气体展开分析能够判断潜伏于设备内的故障并开展对应的监管工作。变压器内，出现超过溶解速率的产气速率时，气体继电器、储油柜内会逐渐进入部分气体。通过分析气体继电器内的气体，同样能够有效判断设备状况。2 光声光谱气体检测系统的设计2.1 光声光谱检测原理强度经调制的一束单色光源向光电池中密封的气体上照射，气体吸收光能后通过释放热能退激发。气体及周边介质在释放的热的作用下，会产生与光的调制频率有关联的周期性加热，此时会有周期性压力波动出现在介质中。采用新型光声光谱探测器检测该压力波动时，灵敏度极高，且经放大后还能获取光声信号。各红外活性化合物表现出别具一格的红外吸收光谱，单色光波长变动出现后便能顺利检测光声信号，如此便能完成定量分析。每种特征气体都会按其特定频率吸收红外辐射，每种气体都有其独立的红外吸收频谱，吸收量的多少直接反映了气体浓度2-3。如果光源按一定频率调制为脉冲光，则产生的压力波可由极其敏感的微音器进行检测，来精确地检测混合气体。如图1所示。图1 检测工作原理图变压油中气体光声光谱分析系统的组成包含光声光谱数据采集器（现场监测单元）、监控软件及数据处理服务器（主站单元）。其中，现场监测单元的组成有通讯控制、现场控制处理、油样与数据采集、气体检测、油气分离及辅助等多个单元。2.2 部件优选方案在测量不同组分含量时，基于多样化的气室与检测器，红外辐射或特征气体经转化后会变成声压信号，而后基于微声检测器转化为电信号，经放大处理后，向数据显示装置中输入，检测即完成，其包含数据显示装置、试样室、检测器、红外光源、放大器、滤光片及滤波器4。优点：检测精度高、稳定性好、免维护、响应速度快、寿命长。综合分析各方案，以变压器运行实际情况为根据，因测试时间要求低于空间要求，且光声光谱法具备比气相色谱法更优异的性能，最终确定光声光谱法展开检测。在设计气路时，通过气室、电磁阀、光源及真空泵等展开自动采样分析。图2 工作流程图2.3 气室设计分析气室采用精加工钯镍合金复合工艺，两端2023.7 下 EPEM 263电力装备Electric Equipment装有透光窗口。并在腔内加装杯型隔离结构部件，避免了外界环境的干扰，增加了抗噪能力，提高了设备的准确性。气室的密封性要求：10kPa 正压气体，15min 压降小于0.2kPa。2.4 光源选择随着全球微机电技术的发展，微机电技术日臻成熟完善，出现了一些光源调制技术，笔者用电调制光源代替了传统的机械斩波器调光方式，光源调制质量大大提高，避免了机械斩波器造成的机械噪声，提高了测量精度，整个系统的机械寿命也大大提高。电调制脉冲光源用高熔点的金属材料，大幅度提高了光电转化效率，从而能在更低的供电功率时增加220m 红外辐射的输出功率，降低光学噪声。此外，该光源采用铜镀金的惠斯顿反射面设计，有效增加了准直效果，其黑体薄膜悬空，并将底部设计为弧形结构，可将底部反射的红外辐射有效利用，从而减少辐射转换为热能，提高红外辐射的光功率。3 检测系统的试验验证红外光谱通常由远红外区、近红外区和中红外区三个区域组成。通常情况下，三者的形成分别基于分子合频与倍频、个别分子转动光谱和基团振动光谱、分子基频振动光谱。在以光声光谱技术为基础研发的检测系统测 试 精 度 的 验 证 中，选 择 可 满 足 波 长 范 围 是7802526nm 的 MEMS 脉冲电调制光源。非谐振性作用下，基层的分子振动向高能级跃迁时会形成特定的光源区域，穿透能力相当强，旨在吸收含氢基团X=C、N、O 等 X-H 振动的合频与倍频，其内有机化合物具备多种类型的结构与组成。由于有机物存在不同基团且能级不一致，相同或不同基团在多种物理化学反应中支持吸收的近红外光也会有不同的波长。近红外光照射时，频率一致的基团、光线中会出现共振现象，光的能量在分子偶极矩变化的作用下传递至分子；不同于近红外光频率的样品振动频率不会对该频率红外光吸收。气体分子的吸收能量主要激发分子振动，这会导致平移能量的增加，从而导致测量单元中压力的周期性变化，使用 MEMS 麦克风进行测量不同气体分子吸收红外光谱后释放的声波。结合不同气体的红外波长吸收特性，需增加数据调整系数，即0.44nm/mA。在25、标准大气压环境下，光声池经检测后得知为1607Hz 的共振频率。以测试结果为基础，以检测系统为对象，围绕信号处理电路展开修复，表1为获取值、理论值对比情况。表1 测试结果气体成分光声光谱dGa实验室相对差值相对差值百分百氢气（H2）1.61.470.138.84%一氧化碳（co）71.465.865.548.41%甲烷（cH4）44.28-0.28-6.54%乙烷（c2H6）3.53.210.299.03%乙烯（c2H4）1.51.390.117.91%乙炔（c2H2）0.200.20二氧化碳（co2）456.5482.06-25.56-5.30%总烃9.28.880.323.60%氧气（o2）5829.8-氮气（n2）19338.3-根据表1得知，以光声光谱技术为基础研发的检测系统，实际应用中检测获取的实际数值与实验室测定值之差间存在的相对误差为：油中溶解气体超过10L/L 的浓度时，相对误差低于15%；浓度不低于10L/L 时，相对误差低于30%。通过数据比对，该装置监测数据误差与（GB/T17623-2017）绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法中有关精密度的相关标准相符合，可用于实际测量中。综上所述，为实时、精准、快速地检测油中气体浓度，本文在光声光谱技术的基础上研发了一款适用的检测系统。基于高海拔地区变压器油中气体光声光谱分析系统设计基于光声光谱技术平台开发的，该系统灵敏度高、响应快，能够在线、连续地对变压器油中溶解的9种故障气体及微水展开监测。通过故障智能诊断分析模型的构建，实现变压器设备状态评价、风险预警、故障研判。而且该系统具备相对简单的结构，无需校准、无载气、无辐射源、免维护。测量结果精准度高，支持潜在故障的准确、高效识别，在有线或无线方式的运用下，可将测量数据及诊断信息向用户终端及时传递。参考文献1 查申龙,刘锟,等.光声光谱技术在多组分气体浓度探测中的应用J.光子学报,2017,6.2曾毅,李志军,等.光声光谱技术在电厂变压器在线监测中的应用J.计算技术与自动化,2017,4.3 褚佳欢,占南,等.基于 TeflonAF/陶瓷复合膜和电化学传感器的变压器油中溶解气体的在线监测系统 J.理化检验(化学分册),2019,5.4王冬青,李刚,等.智能变电站一体化信息平台的设计 J.电网技术,2010,10.