光声光谱法在变压器油中气体分析的发展应用

刘 森，王 媛

(1.国核电力规划设计研究院，北京 100095；2.华北电力科学研究院有限责任公司，北京 100045)

变压器是电网系统的核心设备之一，它的运行状态对系统安全具有重要影响。随着对变压器运行维护要求的不断提高，变压器故障在线诊断技术的研究工作得到了越来越多的关注。油浸电力变压器在正常运行中和发生故障后，在热、电的作用下，其绝缘油及有机绝缘材料会分解出H2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2，CO和CO2等气体，这些气体可用于判断故障类型及故障部位。对特定油中溶解气体进行定性定量分析，可以直观、高效地预判出电力变压器的潜伏故障。目前应用最为广泛的气相色谱法试验环节多、操作手续繁琐、检测周期长的特点，限制了其在现场检测工作中的应用。将光声光谱技术应用于在线监测，可以实时监测变压器油中溶解气体和微水，较于传统气相色谱技术具有稳定性强、检测周期短、操作容易等优点。本文介绍了光声光谱技术的原理和发展状况，对其在变压器油中溶解气体在线分析中的应用进行了研究，并对其在实际工程中的运用和发展进行了讨论。

1 光声光谱法检测油中溶解气体的原理

1.1 光声光谱技术

光声光谱(Photo-acoustic spectrometry) 技术是基于光声效应来检测吸收物体积分数的一种光谱技术。该技术的优势为：①可实现非接触性检测，对气体无消耗；②无需分离气体，不同气体的成分和含量可直接通过光谱分析确定；③各器件的性能稳定，可实现在长期使用中免维护；④能够对气体吸收光能的大小进行直接测量，且比傅里叶红外光谱技术灵敏度更高；⑤测量的精度高，范围广，同时检测速度快,具有重复性和再现性。一般情况下，多数气体分子的无辐射跃迁主要处于红外波段，因而光声光谱技术对气体的定性定量分析，是通过对气体对相应于特征吸收峰的特定波长红外光的吸收量的测量来实现的。

1.2 光声光谱应用于油中溶解气体检测

在特定波长红外光的照射下，气体分子由基态跃迁至激发态，由于处于激发态的分子与处于基态的分子相互碰撞，经过无辐射弛豫过程，气体吸收的光能转变为分子间的动能，进而增强分子间的碰撞，造成气体温度的升高。在气体体积一定的条件下，气体压力随着温度的升高而增大。如果对光源的频率进行调制，分子动能便会随调制频率发生同样的周期性变化，从而引发气体温度和压强也随之周期性变化。在此过程中会产生周期性变化的压力波，可以利用微音器对其进行感应，并以电信号的模式输出。

气体无辐射弛豫传能过程所需时间决定于气体各组成部分的化学和物理性质。气体分子由激发态的振动动能经无辐射弛豫转变为分子碰撞的平动动能的时间，远小于光的调制周期，所以一般不考虑传能过程所用的时间。此时，光的调制相位即为光声信号的相位，光声信号强度同气体的体积分数及光的强度成正比。当光的强度一定，气体的体积分数可由分析光声信号的强度得出。在故障气体的分子红外吸收光谱中(图1)，有不同化合物分子特征谱线交叠重合的现象，因此应选择相对独立的特征频谱区域，从而避免检测过程中不同气体间发生干扰，以满足检测要求。

图1 故障气体分子红外吸收光谱图

1.3 在线监测单元工作原理

图2演示了光声光谱技术应用于在线监测装置中的原理。通过抛物面反射镜将光源聚焦，形成入射光。入射光的频率通过转动速率恒定的调制盘后，其频率得到调制，然后由一组滤光片进行分光，只有某一特定波长可以通过，滤光片的允许通过波长，同光声室内某特定气体的吸收波长相对应。波长经过调制后的红外线，在声光室内对某特定气体分子，以调制频率进行反复激发。气体分子被激发后，以辐射或非辐射的方式回到基态。就非辐射驰豫过程而言，分子动能体系能量转化结果为分子动能，从而导致局部气体温度升高，在密闭光声室内引发周期性机械压力波，随后由微音器对其进行检测。在此原理过程中，调制频率确定了光吸收激发的声波的频率，可吸收该窄带光谱的特征气体的体积分数体现于声波的强度，因此，通过明确气体体积与声波强度的定量关系，就可以得出气池中各气体准确的体积分数。

在上述过程中，通过更换不同滤光片，就可以明确光声室内气体的种类以及相应的体积份数。

图2 光声光谱在线监测装置原理简图

2 光声光谱在线监测系统的应用

结合前文所述，将光声光谱法应用于变压器油中溶解气体线监测之前，需要明确两个关键问题。首先，针对不同的气体分子，明确其相应的吸收光谱，从而通过调制红外光源的波长，对特定气体分子进行激发。其次，明确气体浓度和气体吸收能量后，由于退激而产生的压力波强度之间的比例关系。

通过选取适当的波长，并结合检测压力波的强度，不仅可验证某种气体是否存在，还可以确定其浓度。成功解决上述两个问题的基于光声技术的产品，便具备了可投入实际运用的条件。

2.1 光声光谱法的实用检测情况

2000年以来，致力于光声光谱技术研发的设备制造商陆续开发出一系列基于光声光谱技术原理的油中气体及微水在线监测装置[8]。为了验证光声光谱检测装置的可靠性，我们选用国外某公司的Transport-X型便携式油中溶解气体分析仪与常用气相色谱分析仪进行比较。在确定被检测的变压器之后，以每月为一个采样周期，每次用同样方法在同一位置取两瓶油样。利用Transport-X型便携式油中溶解气体分析仪，对其中一瓶样品进行现场检测；另一瓶在1小时内送到实验室，利用气相色谱分析仪进行分析监测。经过连续的三次试验后，利用光声光谱法和气相色谱法的对比情况为表1中数据所示。

从实验数据可见，基于光声光谱技术的便携式变压器油中溶解气体分析仪与实验室测试结果十分接近，同时两种不同检测方法也得到统一的油中溶解气体变化趋势。实验结果表明通过基于光声光谱技术的检测手段，可以得出油中溶解各类气体的异常情况。

2.2 光声光谱法在线监测设备的应用与发展

TRANSFIX系统是目前应用较为广泛、成熟的基于光声光谱技术的在线油中溶解气体分析监测设备。运用该设备可以在故障早期监测变压器状况，安全地将变压器输出最大化，计算变压器老化程度，同时根据分析结果区分故障类型。因其具有技术先进、无需耗材及极少维护等优点，该技术产品得到了业界广泛的认可，但其相对较高的初期投资价格，成为了其得到更为广泛应用的限制因素。

图3 “一拖三”在线监测单元系统安装示意图

MULTITRANS系统，即变压器“一拖三”在线监测系统，是新一代的在线溶解气体分析设备。仅需一台MULTITRANS就可以完成一组三相独立邮箱的大型变压器组的监控工作，而对于小型或次重要的变压器，一台MULTITRANS可同时完成三台变压器的监测。图3为该系统的安装示意图。

MULTITRANS与TRANSFIX两套系统具有相同的性能指标。在产品特性方面，MULTITRANS同样采用了内置改良型的动态顶空气脱气方法，用于配合光声光谱故障气体分析，从而确保监测的准确性。该系统不需要停电，即可完成系统的安装工作。

MULTITRANS在运行中，对所有的油箱进行依次采样，采样率可根据用户需求进行设定为每天到每小时。同时用户还可对报警门限值进行设定，具有较高报警状态的电路在调度中会有优先权。设备自带的全嵌入式处理器，可以储存超过两年的数据，用于设备的运行状态分析。通过先进的PERCETION软件包，可以实现多功能的图形趋势及结果的诊断分析。

表2 TRANSFIX和MULTITRANS设备报价单

对于某安装有两台具有三相独立油箱的大型变压器组，需要配置6台TRANSFIX设备来满足在线监测工作的需要，如果采用MULTITRANS设备，只需2台即可满足要求。表2为某公司针对上述两种设备的报价单。从该报价单可看出，单台MULTITRANS设备虽然较单台TRANSFIX价格较高，但是由于只需2台，因此在总价格上，可较配置6台TRANSFIX设备的方案节省近50%的投资费用。两种设备的后期维护成本均较低，二者间费用差异可忽略。

通过两者的比较可以看出，在同样满足在线监测技术要求的条件下，MULTITRANS“一拖三”在线监测系统提供了相对低价格的投资方案，可以推断该系统具有较好的市场前景。

3 结论

基于光声光谱法的气体在线监测装置在检测精度、灵敏度、稳定性方面，都具有很好的表现，为综合分析、诊断设备的状态提供了可靠依据，从而达到有效减少恶性事故发生的目的，减少了不必要的经济损失，同时可将传统的定期停电检修维护逐步转为状态维护，从而大大提高电网的安全稳定和经济运行水平。随着光声光谱技术的不断更新和发展，基于该技术的变压器在线监测产品的性能和造价都将得到进一步的优化，在实际中得到更广泛的应用。

[1]GB/ T7252－2001，变压器油中溶解气体分析和判断导则[S]．

[2]魏星，等．基于改进PSO－BP 神经网络和D－S证据理论的大型变压器故障综合诊断[J]．电力系统自动化，2006，30 (7) :46-50.

[3]熊浩，等．电力变压器故障诊断的人工免疫网络分类算法[J]．电力系统自动化，2006，30 (6):57-60.

[4]严璋．电器绝缘在线检测技术[M]．北京:中国电力出版社，1995．

[5]刘先勇，周方洁，胡劲松，等．光声光谱在油中气体分析中的应用前景[J]．变压器，2004，41(3):30-33

[6]SIGRIST M W．Trace gas monitoring by laserphotoacoustic spectroscopy[J]．Infrared Physics Technology，1995，36 (1): 415-425．

[7]ROTHMAN L S，JACQUEMAR D，BARBE A，et al．The HITRAN 2004 molecular spectroscopic database[J]．Journal of Quantitative Spectroscopy &Radiative Transfer，2005，96 (2): 139-204．

[8]张川，王辅．光声光谱技术在变压器油气分析中的应用[J]．高电压技术，2005，31 (2):84-86．

[9]唐新文，李宪栋．TransFix变压器油在线监测系统在小浪底水电站的应用[J]．水电自动化与大坝监测，2007，31 (5):36-39．