光声光谱技术在合蚌高铁牵引变压器故障诊断中的应用

■ 曹文雨 星成武

随着高速铁路对牵引供电系统的要求越来越高，牵引变压器检测和维护任务显得极其重要。通常在变压器的故障检测试验中做油气分析，因为在正常运行中起绝缘、散热、消弧等作用的变压器油，在长期运行和发生故障时在热和电的作用下，变压器油及器身内有机绝缘材料常分解出不同含量的H2、C H4、C2H6、C2H4、C2H2、C O、C O2等气体在变压器油中，通过定期分离和检测气体的含量便可以诊断和预测变压器中的故障。工程中常用的油气检测法如气相色谱法、气敏传感器法、傅里叶红外光谱法等，但在长期使用中发现，这些方法存在取样复杂、消耗载气、交叉敏感、长期稳定性差、检测气体组分不够齐全、实现连续性测量困难等缺点。光声光谱技术应用光声效应来检测微量气体的体积分数，具有灵敏度高、选择性好、检测范围宽、不消耗载气等优点。

1 光声光谱技术原理

光声光谱技术是基于光声效应，通过直接测量物质因吸收光能而产生热能的一种光谱量热技术。光声光谱检测仪主要由红外光源、滤光片、斩波器、光声池、声敏元件、放大器、微处理器等部分组成。在气体的光声效应中，从发光源射向气体样品池的光线经过调制和滤波，并由滤光片实现分光，由于每个滤光片容许透过一个窄带光谱，其中心频率分别与各被检测气体的特征吸收频率相对应，这样样品池中的气体分子受到被调制光线的反复激发，吸收光能到高能态，由于高能态极不稳定，分子随即以无辐射跃迁形式将吸收的光能变为热能而回到基态。由于光能是受周期调制的，这使得密闭于气池中的气体分子的热能也呈周期性变化，宏观上表现为压力的变化，即产生声波，可使用高灵敏度微音器来检测并将其转换为电信号。将检测到的电信号经过放大并由锁相放大器等提高信噪比（S/N）。因光声信号与光源强度成正比，如果光源的强度有波动，则光声信号的强度也因此而波动，为了避免由于光源波动而造成的测定误差，可根据射入光声池的光强度对光声信号进行归一化处理。由于声波的频率与光源调制频率相同，而其强度则与吸收气体的浓度有关，因此，建立气体浓度与声波强度的定量关系，就可以准确检测出气池中各种气体的浓度。

2 故障气体的光声光谱分析

2.1 故障气体分析的重要性

根据合蚌高铁某座牵引所牵引变压器检测报告，对2#主变人为地设置故障，在铁芯与底座之间放置一个长度约4 c m的薄金属片，在做预防性试验时未显示异常现象，变压器带电后对绝缘油做气相色谱分析得到H2、C H4、C2H6、C2H4、C2H2、C O、C O2、C1+C2各种气体浓度值，分析时发现C1+C2产气率高达2 1 7（％），超过规定的相对产气率1 0％，C2H2占总烃的大部分，之后消除故障再做油色谱分析，则结果正常。由此可见对合蚌高铁某牵引变压器油中溶解气体分析可发现常规试验中不能发现的故障隐患。

2.2 光声光谱法分析故障气体的要素

根据光声光谱技术的原理，大多数气体对红外光都有吸收，由于分子数目、原子间键角、键强度等因素的不同，吸收光谱带有所不同，在应用光声光谱法的油气分析中首先需要找到对应于每种气体的特征频率，要求避免相互吸收谱的重叠干扰，以及杂质气体如水蒸气的干扰。表1列举了变压器故障气体在红外区域的特征吸收频率及采用普通红外光源加滤光片的光声光谱仪在该频率附近获得的灵敏度。

表1 特征气体的频谱与灵敏度（分气子体量） 波数/c m-1 吸收系数 重叠影响 可测范围/c m-1 2 9 5 0 0.1 C2H6/C2H4 C H4（1 4）1 2 9 1 0.2 C2H2 0.7~1 0 0 0 0 1 2 5 4 0.4 H2O C H（3 0） 2 9 5 0 0.0 2 H2O 3~1 0 0 0 0 2 6 8 6 1 2.0 2 9 5 0 0.3 H2O C H（2 8）1 0 6 1 0.3 2.5~1 0 0 0 0 2 4 9 8 1 0.2 9 0 0 0.4 C O（2 8） 2 1 5 0 0.2 0.1~1 0 0 0 0 2 2 7 0 3.4 C O2（4 4）7 1 0 1.5 C2H2 1.9~2 0 0 0 0 6 6 8 0.1 1 2 9 1 0.5 H2O C2H2（2 6）7 8 3 0.3 1~1 0 0 0 0 7 1 0 0.2 H2（2）5~2 0 0 0 0

2.3 故障气体浓度检测

当确定了每种气体特定的分析吸收光谱后，可对红外光源进行波长调制使其能够激发某一特定气体，气体吸收能量后产生压力波，其强度用微音器检测。微音器的输出信号正比于气体的吸收系数和气体浓度，用S表示微音器的输出电压幅度，光声信号电压幅度与被测气体浓度的关系可表示为：式中：F为光声池常数；Pi为激光功率；a为气体的吸收系数；c为气体的浓度。在其他量已知的情况下，通过微音器测试输出信号的大小，可以计算得出所测气体的浓度。

需要注意的是测试中由于温度升高，会使光声池常数减小，气体吸收系数增大，气体吸收全线宽也增大，导致光声信号发射改变而影响测试结果，所以在测试时要求尽量保持恒定的温度。

2.4 牵引变压器油中溶解气体与故障分析

参照GB 7 2 5 2—2 0 0 1《变压器油中溶解气体的分析和判断导则》，针对故障性质与特征气体浓度的对应关系有相关说明，参考数据见表2，不同的变压器故障对应不同的特征气体含量，准确的检测结果是绝缘油中气体含量是故障分析的关键。

2.5 光声光谱法故障分析试验

用光声光谱法和常规的气相色谱法对合蚌高铁某牵引变压器油中溶解气体进行检测对比，在光声光谱法进行检测时采用宽频谱范围的电脉冲红外光源，并用6个窄带滤光片截取所需的光，其中心波长对应一种待测气体的特征频谱，用微音器检测声波。当变压器发生高温过热时进行试验气体的采集分析，并用气相色谱仪数据和试验结果进行对比（见表3）。

表2 故障性质与特征气体对应关系主要特征气体 C2H2/C1+C2 H2/ C1+C2+ H2 C2H4/C1+C2 故障类型高浓度H2，总烃不高，C H4为主要成分，＜6％ ＜5 0％ ＜5 0％ 局部放电有微量C2H2高浓度C2H2、H2，总烃不高 ＜2 0％ ＜5 0％ ＜5 0％ 低能量放电高浓度C2H2、H2和总烃较高 ＜2 0％ ＜2 5％ ＜5 0％ 高能量放电高浓度C2H4，总烃较高 ＜6％ ＜2 5％ ＜5 0％ 高温过热总烃较高，微量C2H2 ＜6％ ＜2 5％ ＜5 0％ 一般过热高浓度H2 绝缘受潮C O与C O2较高 固体绝缘故障

表3 气相色谱仪数据和试验结果对比气体成份 气象色谱分析结果（1 0-6）光声光谱测量结果（1 0-6）偏差/％1次 2次 3次 4次 均值C H4 4 2 1 4 4 8 4 4 9 4 4 8 4 4 7 4 4 8 6.4 C2H6 1 0 5 1 0 1 1 0 3 1 0 1 1 0 2 1 0 2 3.1 C2H4 1 0 8 1 1 0 7 2 1 0 7 3 1 0 7 1 1 0 7 1 1 0 7 2 0.8 C2H2 2 1 1 8 1 9 2 0 1 8 1 9 1 0.7 C O 3 4 0 3 3 4 3 3 5 3 3 6 3 3 5 3 3 5 1.5 C O2 1 7 2 0 1 7 3 6 1 7 3 8 1 7 3 8 1 7 3 7 1 7 3 7 1.0

从表3中看出，该实验用光声光谱法对故障气体共测量4次，用求平均法来减小测量误差，与气象色谱仪分析结果进行对比发现所受偏差较大，偏差达到1 0.7％，主要原因在于气体本身的基准浓度较小。由于水的部分红外吸收谱和有重叠，受待测气体中水蒸气影响，使得测量结果差值达到，若对待测气体进一步做干燥处理可减小误差。表中显示其他测量结果偏差小于6％，说明用光声光谱法测得的数据与气象色谱仪分析数据相似，如果在试验过程中加以误差控制措施，能够得到更准确的测试结果。

3 结论

高铁设计施工各个环节、各个专业要求都非常严格，标准高于普速铁路的要求，高铁牵引供电系统的供电可靠性要求也越来越高。试验表明使用光声光谱原理对牵引变压器油中故障气体在线监测，可实现对全部故障气体的高灵敏度宽范围的测量，光声光谱仪造价低、可靠性高、可维护性好，实时性强，应用在牵引变压器的故障监测和预警中，加强对牵引变压器的监控维护水平，对提高高铁牵引供电系统的供电可靠性、减小经济损失具有重要意义。

[1] 陈伟根. 光声光谱技术应用于变压器油中溶解气体分析[J]. 电力系统自动化，2 0 0 7(8).

[2] 刘先勇，周方洁. 光声光谱在油中气体分析中的应用前景[J]. 变压器，2 0 0 4(7).