光声光谱技术在变压器监测中的应用

摘要：本文介绍了电力变压器光声光谱和油色谱两种在线监测技术原理，并介绍了这两种在线监测技术相关的诊断方法，关键词：变压器油色谱光声光谱在线监测0引言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。

近年来，随着电力变压器在线监测技术得到迅速发展，加上计算机技术和通信技术使得电力变压器检测数据可以及时的处理与传输，并得到实时的运行状态数据，令在线监测技术成功应用于实际的工程中去。

然而，由于检测技术尚有一定的局限性，以及电力变压器内部故障存在的复杂性，当前应用中的在线监测系统的可靠性和稳定性仍显不足。

本文着重分析了电力变压器的光声光谱和油色谱在线监测技术，阐述了两种技术的原理，以及相应的诊断方法等。

1两种在线监测技术原理变压器是电力系统中的重要设备之一，其安全运行状态直接关系到系统的安全稳定。

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。

1.1电力变压器光声光谱在线监测原理1.1.1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。

光声光谱技术应用于变压器油中溶解气体分析陈伟根,云玉新,潘　翀,孙才新(重庆大学电气工程学院高电压与电工新技术教育部重点实验室,重庆市400030)摘要:变压器油中溶解气体在线监测装置中的色谱柱和气敏传感器存在消耗被测气体和长期稳定性差等不足。

光声光谱气体分析技术灵敏度高,不消耗被测气体,克服了传统油中溶解气体在线监测技术的缺点。

文中对其在变压器油中溶解气体在线监测中的应用进行了研究。

构建了用于变压器油中溶解气体分析的光声光谱平台,给出具有红外特征吸收峰的CH 4,C 2H 6,C 2H 4,C 2H 2,CO 和CO 2这6种主要故障特征气体的特征频谱,采用加权最小二乘法对2种混合气体中的CH 4,C 2H 6,C 2H 4,C 2H 2,CO 和CO 2进行了定性和定量分析。

分析结果与气体各组分体积分数真实值或气相色谱仪测量值的比较表明,光声光谱技术能有效地对变压器油中溶解气体进行分析。

关键词:变压器;光声光谱;油中溶解气体;多组分气体分析中图分类号:TM406;O433收稿日期:2006212215;修回日期:2007203206。

重庆市自然科学基金重点资助项目(CSTC2007BA3002)。

0　引言长期运行中和发生故障后的油浸电力变压器在热、电的作用下,其绝缘油及有机绝缘材料会分解出一些对判断故障类型甚至故障部位有价值的气体,如H 2,CH 4,C 2H 6,C 2H 4,C 2H 2,CO 和CO 2[1]。

分析油中溶解的这些气体是判断油浸电力变压器早期潜伏性故障最方便、有效的措施之一[123]。

目前,变压器油中溶解气体在线监测装置中所用的气体检测方法主要有气相色谱法[4]、气敏传感器法[5]、傅里叶红外光谱法等[6]。

但这些方法均存在一些不足[427],例如:①气相色谱法和气敏传感器法在检测过程中要消耗待测气体和载气;②色谱柱和传感器的性能在使用过程中会逐渐变化,为保证准确度,必须定期用标准气体进行校准,因此长期稳定性不好;③傅里叶红外光谱法在检测微量气体时,其气池体积较大,增加了对待测气体的需求量。

光声光谱微量气体探测在变压器健康监测中的应用黎敏，蔡洋，李玉林(武汉理工大学物理系，武汉，430070)摘要：利用电力变压器绝缘油中数种微量气体的存在和浓度，可以判定变压器健康状况，其中尤以乙炔（C 2H 2）气体的含量为标志。

以乙炔气体为样气，我们针对光声光谱技术中光声缓冲池的设计运用传输线理论进行了详细的讨论，仿真与实验结果都表明当缓冲池长度为1/4声波长时背景噪声最小，而缓冲腔的内径为3倍谐振腔直径时为最佳。

关键词：微量气体；光声光谱；四端网络；缓冲池光声信号的灵敏度由光声池的几何结构设计决定，其中缓冲池的设计直接影响高灵敏度微量气体探测的背景噪声，进而影响系统的探测下限。

我们首先运用四端网络模型（式1）对不同长度和直径的缓冲室结构进行理论计算, 得到能够实现缓冲池定量优化设计的理论模型，从而获得最佳缓冲池结构参数。

)]}/exp()/exp([{)(02l x B l x A I Z x U ⋅−⋅−⋅⋅⋅−⋅=βββ其中，β=(Z1/Z2)1/2，A 和B 可以利用计算机迭代从 Ui (x)推导出，最后的传输矩阵可用于表征光声过程和系统特性。

图1展示了光声缓冲池几何尺寸对光声信号幅值的影响。

图1 光声信号与缓冲池长度、直径的关系曲线 为了验证仿真结果，我们设计了一组不同内径和长度的铝环，通过将铝环逐一填充到缓冲池内减小缓冲池的体积，以得到设计的缓冲池尺寸。

图2为实验系统示意图。

实验结果表明：当缓冲池长度为30mm 时实验和理论结果的平均偏差为1.1%；当缓冲池长度为1/4声波长时背景噪声最小。

由于缓冲池内径大于3倍谐振腔内径时，光声信号幅值几乎不受缓冲池尺寸的影响，综合考虑工程中气体用量的限制，缓冲腔的内径的优化值为3倍谐振腔直径。

探析变压器状态检修中的多种在线监测技术应用摘要：在检修方式由定期检修到状态检修的转变时期，变压器的各种在线监测手段也得到了加大的提升，两者互相促进、共同发展，色谱分析、红外检测、在线干燥、冷却系统等在线监测等技术得到了成熟的应用，实时反馈了大量的监控数据，对判断变压器的运行状态，制定最佳检修策略，提供依据。

变压器在线检测技术的广泛应用，提高了变压器的运行可靠性和检修效率。

关键词：电力变压器在线监测色谱状态检修引言变压器状态监测，涉及到的主体部件为:磁路、绕组及固体绝缘、液体绝缘、和冷却系统。

拟诊断的故障为:过热性故障、放电性故障、过热兼放电故障、机械故障和进水受潮等。

常用的局部放电监测与诊断，多采用电脉冲信号法和超声法。

对电信号和声信号联合监测取得理想的定量和定位效果，根据视在放电量、分布图谱和放电源的定位，来判断故障。

目前，电力变压器的在线监测是国际上研究最多的对象之一，提出了很多不同的方法。

1. 变压器色谱在线监测系统的的应用在线监测的基本原则是：能够实时、自动、稳定地对变压器油中溶解气体进行监测，不能对变压器的正常运行造成安全隐患，同时要适应环境的变化。

从检测机理上讲，现有油中气体检测装置大都采用以下四种方法1.1气相色谱法变压器色谱在线监测系统的普遍工作流程图为：系统在微处理器控制下进行热油冷却、油中溶解气体萃取、流路切换与清洗、柱箱与检测器温度控制、样气的定量与进样、基线的自动调节、数据采集与处理、定量分析与故障诊断等分析流程。

变压器油在油泵作用下进入油气分离装置，分离出变压器油中的溶解气体，经过油气分离后的变压器油流回变压器油箱，萃取出来的气体在内置微型气泵的作用下进入定量管中。

定量管中的气体在载气作用下进入色谱柱，然后检测器按气体流出色谱柱的顺序分别将六组分气体(h2、co、ch4、c2h4、c2h2和c2h6)变换成电压信号。

色谱数据采集器将采集到的气体浓度电压量通过通讯上传给安装在主控室的数据处理服务器，数据处理服务器根据仪器的标定数据进行定量分析，计算出各组分和总烃的含量以及各自的增长率。

摘要：本文介绍了电力变压器光声光谱和油色谱两种在线监测技术原理，并介绍了这两种在线监测技术相关的诊断方法，关键词：变压器油色谱光声光谱在线监测0引言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。

近年来，随着电力变压器在线监测技术得到迅速发展，加上计算机技术和通信技术使得电力变压器检测数据可以及时的处理与传输，并得到实时的运行状态数据，令在线监测技术成功应用于实际的工程中去。

然而，由于检测技术尚有一定的局限性，以及电力变压器内部故障存在的复杂性，当前应用中的在线监测系统的可靠性和稳定性仍显不足。

本文着重分析了电力变压器的光声光谱和油色谱在线监测技术，阐述了两种技术的原理，以及相应的诊断方法等。

1两种在线监测技术原理变压器是电力系统中的重要设备之一，其安全运行状态直接关系到系统的安全稳定。

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。

1.1电力变压器光声光谱在线监测原理1.1.1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。

充油式电力变压器在运行过程中内部发生热故障、放电性故障或者油、纸老化时，绝缘油将裂解产生氢气（H2 ）、甲烷（CH4 ）、乙烷（C2H6 ）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2 ）、一氧化碳（CO ）、二氧化碳（CO2 ）等故障气体，故障气体的含量与故障类型和严重程度密切相关。

通过对变压器绝缘油中微弱故障气体含量在线监测，分析溶解于变压器油中气体，可及早发现变压器内部早期潜伏性故障，掌握故障发展态势。

当前，变压器油气在线监测已提出多种方法，如油色谱技术、红外宽谱光源光声光谱气体检测技术。

长期使用中，这些方法存在结构复杂、消耗载气、色谱柱受油污后精度下降以及测量气体之间交叉干扰等弊端。

武汉豪迈光电科技有限公司从多个角度对油气监测技术缺陷进行改善，开创性地将半导体激光器技术与光声光谱技术相结合，推出PASL-3000 激光光声光谱变压器油中气体在线监测系统，进一步提高了主变初期缺陷发现率，降低了故障发生率和运维成本。

光声光谱气体检测技术原理：光声光谱技术是基于光声效应的一种光谱检测技术，光声效应是由气体分子吸收特定波长的电磁辐射（如红外光）所产生。

气体吸收辐射后导致温度上升，此时如将气体置于密闭容器，温升相应导致气体压力增高。

如采用脉冲光照射密闭气体，利用灵敏的微音器即可探测到与脉冲光频率相同的压力波动。

将光声效应用于实际检测首先需要确定每种气体特定的分子吸收光谱，从而可对红外光源进行波长调制使其能够激发某一特定气体分子，其次要确定气体吸收能量后受激产生的压力波强度与气体浓度间的比例关系。

因此，通过选取待检测气体的红外吸收波长的光信号激发气体并检测压力波的强度，可验证某种气体是否存在并确定其浓度，甚至对某些混合物或化合物也可做出定性、定量分析。

△激光光声光谱油气检测系统流程示意图激光光声光谱油气检测技术优势传统红外宽谱光源在使用中需要采用滤光盘过滤成几十纳米到几百纳米的单色光，调制盘（斩光器）将连续光信号调成脉冲信号，该过程存在以下问题：△宽谱光源滤光片结构示意图1）采用宽谱光源进行测试时，不同组分气体间由于频率接近，容易产生干扰。

光声光谱法在变压器油溶解气体检测中的应用
光声光谱法在变压器油溶解气体检测中的应用
高树国1 ,秦九渠2 ,刘伟1 ,杜黎明1
【摘要】摘要:介绍基于光声光谱法的便携式油中气体分析仪测量油中气体含量的原理和方法,通过对某变压器油的跟踪检测证明了该方法的准确性;通过与光声光谱法进行比较,分析光声光谱法的优缺点,并对该方法的使用提出建议。

【期刊名称】河北电力技术
【年(卷),期】2010(029)002
【总页数】3
【关键词】关键词:变压器油;光声光谱法;气相色谱法;气体含量
绝缘油溶解气体检测是有效诊断油浸式变压器故障的手段之一。

当变压器内部发生过热、放电等故障时,将导致故障附近的绝缘油分解,分解产生的气体会不断地溶解于油中,不同性质的故障所产生的特征气体不同,即使同一性质的故障,由于故障的程度不同,产生的气体含量也不相等,因此,对油中溶解气体的色谱进行分析,可以及早发现变压器内部潜伏性故障的性质、程度和部位,以便及时处理故障,避免事故的发生。

目前,检测变压器油中溶解气体的常用方法是气相色谱法,但此方法试验环节多、操作手续繁琐、检测周期长,不适用于现场检测。

光声光谱法是检测变压器油中溶解气体和微水的一种新技术,可完成现场或在线检测,与传统气相色谱技术相比具有操作容易、稳定性强、检测周期短等优点。

以下介绍英国凯尔曼公司研制的基于光声光谱法的便携式变压器油中溶解气体分析仪的原理、应用情况,及其优缺点。

1 光声光谱法检测变压器油溶解气体原理
1.1 光声效应。

基于光声光谱技术的变压器故障特征油气检测摘要：保护变压器的正常运行和加强对绝缘系统的合理维护，很大程度上可以保证变压器具有相对较长的使用寿命，而预防性和预知性维护是提高变压器使用寿命和提高供电可靠性的关键。

因此针对油中溶解故障特征气体的检测与变压器故障诊断的研究显得尤为重要，由于常见检测手段无法同时满足油中溶解气体的高灵敏度和无损耗检测，因此无法实现对油中溶解老化特征气体的长期可靠的在线监测。

利用光声光谱法的优势弥补这些缺陷，进行光声光谱技术在变压器油中溶解故障特征气体的研宄，进而为真正实现变压器油中溶解故障气体准确检测和诊断打下基础。

关键词：光声光谱技术；变压器故障特征；油气检测1变压器故障特征气体产生机制变压器故障的呈现主要是在内部绝缘材料的变化，而其绝缘材料主要由绝缘油和固体绝缘物组成；其中绝缘油为原始石油经精馏得到，由各种碳氢化合物组成，主要成分有环烷烃、烷烃和芳香烃三种烃类，其中环烷烃所占比例最大，芳香烃最小。

当变压器油受到外界因素(如电和热的变化)影响时，便会发生氧化分解。

变压器故障特征物的产生过程其实就是大分子链解旋和裂解，并且有些特征物的产生有很明确的指向性，如糠醛的产生完全由绝缘油中的环烷烃发生的解旋。

因此，通过对特征物浓度的检测可以直接判断变压器具体老化状态或故障原因。

目前较为公认的故障特征物主要是气体，其中包括一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、乙炔、乙烯和氢气，并形成极为规范的判定标准。

通过前面对变压器内部故障类型的具体分类和原因分析，可以清楚地看到伴随故障发生的最直接特征物是各种气体特征物。

如高能量放电过程中，电弧附近绝缘油会因高能量放电发生碳氢键的断裂，主要形成气体为乙炔和氢气，还有少量的乙烯和甲烷气体产生;如果电弧放电发生在固体绝缘物附近，则会伴随着一氧化碳气体的产生。

因此，在变压器运行状态监测中，发现一氧化碳气体含量的短期大幅度上升，则可以推断变压器内部发生过电弧放电现象，且极有可能在固体绝缘物附近。

新仪器新设备光声光谱技术在变压器油气分析中的应用张川,王辅(英国凯尔曼有限公司上海代表处,上海200233)摘要:针对传统的变压器油中故障气体气相色谱分析存在较多缺点的问题,英国凯尔曼有限公司利用光声光谱技术原理开发了一系列用于检测变压器油中故障气体的产品,该技术利用不同波长的红外线激发不同的气体分子,在密闭容器中产生强度对应于气体体积分数的压力波。

光声光谱技术与传统气体色谱的技术特点对比和实测的数据分析表明,光声光谱技术气体监测设备性能优于传统的气相色谱仪且精度完全符合要求。

关键词:电力变压器;光声效应;光声光谱;油中溶解气体分析中图分类号:TM406文献标识码:B文章编号:100326520(2005)022*******Application of Photo2Acoustic Spectroscopy Technology to Dissolved Gas Analysis in Oil of Oil2Immersed Power TransformerZH ANG Chuan,WANG Fu(Kelman Ltd.Shanghai Representative Office,Shanghai200233,China)Abstr act:Dissolved gas analysis is the efficient method to analyze the status of a transformer.But there are some disadvan2 tages in dissolved gas analysis in oil of oil2immersed power transformer,which is based on traditional gas chromatography technology.Photo2Acoustic Spectroscopy is one of the spectroscopy technology,which is based on photo2acoustic effect.In absorbing the appropriate wavelength radiation(eg infrared light),the temper ature of the appropriate gas will increase and, if the gas is in a sealed container,this temperature rise will cause a proportional r ise in pressure.The volume of the gas can be calculated by measuring the level of pressur e.Accor ding to the Photo2Acoustic Spectroscopy technology,Kelman has de2 signed a series of DGA products.This paper compares the characteristics between the Photo2Acoustic Spectroscopy and Gas Chromatography.By analyzing the testing results,It is concluded that the performance of the equipment based on Photo2A2 coustic Spectroscopy is better than that based on gas chromatography.Key words:electric power tr ansformer photo2acoustic effect photo2acoustic spect roscopy dissolved gas analysis in oil0引言油中溶解气体分析(DGA)是检测、分析变压器潜伏性故障广泛应用的常规方法[1]。

变压器作为电力系统的枢纽，运行状态直接关系着电力系统的安全稳定。

在运行过程中，变压器内部发生热故障、放电性故障或者油、纸老化时，会产生H 2、CH 4、C 2 H 6 、C 2 H 4、C 2 H 2、CO、CO 2等故障特征气体，故障气体的含量是变压器内部故障类别和严重程度的重要标志。

为实现油中气体的在线监测，目前已提出多种方法，如气相色谱、气敏传感器、红外光声光谱等。

但长期使用中，这些方法存在取样复杂、交叉敏感、长期稳定性差、检测气体组分不够齐全等问题。

为此，我司开创性地将半导体激光器技术与光声光谱技术结合，研发生产了PASL-3000 激光光声光谱变压器油中气体在线监测系统，具有准确度高，稳定性好、无需更换载气，无气体交叉干扰等优点。

技术特点：光声光谱是基于光声效应的一种光谱技术，气体分子吸收特定波长的调制光辐射能量，由振动基态跃迁到激发态，然后通过快速的辐射跃迁或者无辐射跃迁过程回到基态。

气体分子通过无辐射跃迁过程回到基态会产生热能，导致气体温度的变化，相应地引起气体压强的变化，从而产生声音信号，信号的强弱与入射光强和气体吸收大小成正比，检测声音信号即可间接测定气体浓度。

气体既是检测对象气体，又是吸收光辐射的探测器，利用同一光声池检测装置，只要改变光源的波长即可对多种气体进行检测。

可调谐半导体激光器凭借其带宽窄、连续可调、体积小、重量轻、可在室温工作、能与光纤藕合等优点，近年来成为光声光谱系统光源的理想选择。

通过多波段可调谐半导体激光器的组合，可满足变压器油中溶解气体和微水的测试要求。

技术优势：（1）非接触性测量、不消耗任何标准气体；（2）不需要分离气体、直接确定气体的成分和含量、检测速度快、可实现连续测量；（3）直接测量气体吸收光能大小，探测灵敏度高，气室体积小；（4）采用半导体激光器，直接电调制，系统性能可靠，稳定性好；（5）只需分别驱动不同波长的半导体激光器即可用于多种气体的测量。

光声光谱技术在变压器油中气体在线监测中的现场应用发布时间：2022-02-15T08:53:50.234Z 来源：《电力设备》2021年第12期作者：刘丽荣[导读] 介绍了光声光谱检测技术原理，提出了基于光声光谱原理的变压器油中溶解气体在线监测系统典型结构，经现场实际应用验证，与传统气相色谱在线监测相比精确度高，维护量少，系统运行稳定，具有广阔的应用前景。

（广东电网有限责任公司东莞供电局 523000）摘要：介绍了光声光谱检测技术原理，提出了基于光声光谱原理的变压器油中溶解气体在线监测系统典型结构，经现场实际应用验证，与传统气相色谱在线监测相比精确度高，维护量少，系统运行稳定，具有广阔的应用前景。

关键词：光声光谱监测技术、在线监测系统、气体组分Field Application of Photoacoustic Spectroscopy Technology in On-line Monitoring of Gas in Transformer Oil Abstract：this article introduces the principle of photoacoustic spectroscopy detection technology, and proposes a typical structure of an online monitoring system for dissolved gases in transformer oil based on the principle of photoacousticspectroscopy. It has been verified by field applications and has higher accuracy and less maintenance than traditional gas chromatography online monitoring. The system runs stably and has broad application prospects.Key words：photoacoustic Spectroscopy Monitoring Technology,online monitoring system,gas composition0引言油中溶解气体分析（DGA）技术是基于油中溶解气体组分与内部故障类型、故障性质、故障程度的对应关系，根据气体的组分和各种气体含量判断变压器内部有无异常情况，以诊断其故障类型、部位、严重程度和发展趋势，对变压器故障进行早期和实时的诊断识别非常有效，方便用于在线监测。