变压器绝缘油色谱在线监测

KTH3000型变压器油色谱在线监测及诊断系统说明书一、概述随着公共电力事业企业化的深入，电力行业面临降低运行成本、提高设备利用率及可靠、安全供电的挑战，这就要求运行人员能随时掌握主要发送电设备的运行情况。

早期检测变压器中存在的潜伏性故障就显得尤为重要。

高压和高温使油浸式电力设备中的绝缘油产生微量的各种低分子烃类及二氧化碳、一氧化碳、氢气等气体，这些气体大部分溶解在油中。

当存在潜伏性过热或放电故障时，就会加快这些气体的产生速度。

分解出的气体形成的气泡在油里经过对流、扩散、不断的溶解在油中。

故障气体的组成和含量与故障的类型和严重程度有密切关系。

常规采用的检测手段是对绝缘油进行定期取样和分析，典型取样周期为六个月。

根据绝缘油中溶解气体的成分和含量确定变压器内部故障的类型及其严重程度，该方法对变压器内部故障的判断是静态的，在这种意义上它是有效的。

事实上变压器安全状况是在不断变化的是动态的，在长达六个月的定期分析间隔周期内，变压器内部的任何状况变化都不会被检测到，这正是一些变压器发生灾难性损坏的原因。

因此，如果能够在线监测溶解于油中故障气体的含量和产气速率，就能尽早发现设备内部存在的潜伏性故障并可随时掌握故障的发展情况，以便采取防范措施，避免突发性事故的发生。

对于变压器油中溶解气体色谱分析的在线监测方法，虽然仍以油中溶解气体为反映故障的特征量，但它是直接在变压器现场实现油色谱的定时在线智能化监测与故障诊断。

二、工作原理由于含有不同化学健结构的碳氢化合物有着不同的热稳定性，所以绝缘油随着故障点温度的升高依次裂解生成烷烃、烯烃和炔烃。

每一种烃类气体最大产生率都有一个特定的温度范围，故绝缘油在不同的故障性质下产生不同成份、不同含量的烃类气体，如出现电晕放电时主要是氢气，电弧放电时主要是乙炔，高温热点主要是乙烯。

这些气体在绝缘油中饱和溶解度很大，所以有相当数量的气体溶于绝缘油中。

用分析油中含气成份检测异常的方法，根据气体的组分和各种气体的含气量及其逐年的变化情况等，以判断故障的种类、部位和程度等。

精心整理GS101H变压器油色谱在线监测系统产品及安装说明1、欢迎使用本公司GS101H变压器油色谱在线监测系列产品。

2、本手册属上海菲柯特电气科技有限公司知识产权，未经许可，任何单位及个人不得翻录。

3、本手册是GS101H型变压器油色谱在线监测系统产品及安装指南,使用产品前请仔细阅读。

4、一、1、系2、系3、4、技5、6、日7、常二、1、安装前要了解的内容-------------------------------------------------------------102、系统标准配置-------------------------------------------------------------------123、安装要求-----------------------------------------------------------------------124、变压器信息---------------------------------------------------------------------135、系统安装-----------------------------------------------------------------------136、系统调试-----------------------------------------------------------------------17附件1：氮气技术要求-------------------------------------------------------------17附件2：现场安装要求-------------------------------------------------------------18 附图1：安装示意图---------------------------------------------------------------18 附图1：系统示意图---------------------------------------------------------------21 一、产品说明1体（如（IEC2H6 )、乙烯(C2检修。

变压器油色谱在线监测技术的发展与市场分析1、变压器油色谱监测的必要性变压器的内部故障主要有热性故障、电性故障。

至于变压器的机械性故障，除因运输不慎受到震动，使某些紧固件松动、线圈位移或引线损伤等外，也可能由于电应力的作用，如过磁振动造成，但最终仍将以热性或电性故障形式表现出来。

在国内对359 台故障变压器故障类型的不完全统计分析中，过热性故障变压器为226 台，占总故障台数的63%；高能放电故障的变压器为65 台，占故障总台数的18.1%；过热兼高能放电故障的变压器为36 台，占故障总台数的10%；火花放电故障变压器为25 台，占故障总台数的7%；其余7 台变压器为受潮或局部放电故障，占故障总台数的1.9%。

从以上统计的结果来看，过热故障占变压器故障率最高，会加速变压器绝缘老化，一般认为，过热故障除某些特殊故障（如漏磁通在某一部位特别集中，或者在线圈内部有较大的涡流发生源），一般其发展不易很快危及设备的安全运行，因此监视故障的发展便可以及时安排检修进行处理，这样对主要特征气体的变化趋势的监测就尤为重要。

变压器油色谱在线监测具有实时性和连续性等特点，能及时发现被监测设备存在的故障，作为变压器油气相色谱分析的补充和发展，安装成熟的油气在线监测装置实时监测变压器的运行状态，对保障大型变压器乃至电网的安全可靠运行是必要的，是变压器从计划检修向状态检修的过渡，是提高其运行可靠性的重要技术手段。

2、变压器油色谱在线监测技术的发展以色谱分离技术为基本原理的在线监测装置在20 世纪80 年代初已在国外一些电力工业发达的国家研制成功并投入使用。

近年来随着国内外色谱分离技术的发展，可检测H2、CO、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、CO2等7 种组分含量的色谱在线监测装置，使色谱技术有了新的进展。

随着变压器油色谱在线监测技术的发展和装置需求的增加，一些新型、先进的检测原理和方法将不断出现，变压器油色谱在线监测装置的可靠性、准确度、灵敏度会进一步提高，将朝着气体种类全面化、监测对象综合化、诊断技术智能化、与其他自动化技术一体化的方向发展。

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。

变压器油色谱在线监测装置应用与管理摘要：变压器是电力系统重要的核心设备，其是否安全稳定运行对电网至关重要。

油中溶解气体在线监测装置通过实时监测和分析变压器绝缘油中溶解气体来反映变压器绝缘油及运行参数变化情况，由此可发现变压器设备的潜伏性故障隐患并判断出其故障种类，为实时跟踪变压器的安全运行状态提供重要数据，从而确保变压器及电网系统安全稳定运行，鉴于此，文章重点针对变压器油色谱在线监测装置应用与管理进行了分析，以供参考。

关键词：变压器；油色谱在线监测装置应用；管理措施1导言随着智能化电网的发展，根据电网新设计、新技术和新设备技术要求，其检测手段和试验方法也需要同步更新，新的检测技术给传统的试验分析带来新的挑战。

在智能化电网发展的变革中，我们应始终坚持以精准、科学有效的数据来“丈量”每一台大型电力变压器的实时运行状态，提升检测流程，完善在线监测管理，并依据国家标准标和企业规范，科学调配人力、资源，实现数据“双重化”规范管理，提升了设备检测水平，同时也提高了检测准确率，并树立了良好的企业形象。

2油色谱在线监测装置组成及工作原理为确保变压器及其它充油电气设备安全运行，采用气相色谱检测绝缘油中溶解的特征气体，以预测充油电气设备可能存在的故障并监视设备的运行。

若变压器内部存在故障，则在热和电的作用下绝缘油和有机材料会发生化学反应，产生少量的低分子烃类气体、二氧化碳及一氧化碳等气体，并溶解于变压器绝缘油中。

由于变压器绝缘油中溶解气体的含量及产气速率与设备内部故障类型及故障严重程度有很大关系，因此分析溶解在绝缘油中气体含量及产气速率，就可粗略判断出变压器设备内部是否存在故障，存在的故障属于热故障还是电故障以及严重程度，还可随时监测变压器内部故障的发展状态。

变压器油中溶解气体在线监测装置主要包括气体检测、油色谱分析、油气分离、控制电路、监测器、无线通信及主机故障诊断等。

油色谱在线监测装置工作流程如图1所示。

图1 油色谱在线监测装置工作流程图油色谱在线监测装置工作流程：用户设定的检测时间到后，系统打开进油阀，变压器油依靠自身油压经取油阀口进入油气分离器，溶解在油中的故障特征气体被分离出来，残油经油循环进入油箱，分离出的特征气体随载气进入色谱检测器。

STOM-800变压器油色谱在线监测系统使用说明书上海锐开电气有限公司2013年8月20日目录概述1、产品介绍 (4)2、技术指标 (6)2.1功能指标 (6)2.2检测指标 (6)2.3外部配置 (7)2.4使用环境 (7)2.5系统配置 (7)3、设备安装 (7)3.1发货清单 (7)3.2货物检查 (8)3.3安装准备 (8)3.4设备安装 (8)4、电缆连接 (10)4.1电源线连接 (10)4.2通讯线连接 (11)5、载气连接 (12)5.1载气 (12)5.2载气压力调整 (12)5.3系统气路检漏 (12)6、调试 (12)6.1系统初步检查 (12)6.2载气压力检查 (12)6.3电源检查 (13)6.4油路检查 (13)7、设备维护 (13)7.1日常维护 (13)7.2报警维护 (13)7.3停机维护 (13)7.4其他问题 (13)8、注意事项 (13)9、软件使用说明 (14)9.1功能 (14)9.2应用软件介绍 (15)10、STOM-800系统网络图 (20)产品支持有关使用上海锐开电气有限公司产品STOM-800变压器油色谱在线监测系统的问题，可以通过以下方式联系上海锐开电气有限公司。

服务热线86-(0)21-54772515移动电话86-(0)185****8897传真86-(0)21-54703950邮箱**********************服务支持请与上海锐开电气有限公司或销售中心联系欲获得全国各地服务中心的地址列表，请访问我公司的网站网址公司名称上海锐开电气有限公司通讯地址中华人民共和国上海市闵行区春东路689号邮编201108股票代码002028修订日期2013.11.20说明书版本号V1.0上海锐开电气有限公司. 2000～2015 版权本说明书所有披露信息受版权法保护。

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电力变压器油色谱在线监测系统摘要：随着经济和电力行业的快速发展，变压器的安全运行由其自身所配备的保护承担，当其内部发生隐患或故障时，须由工作人员对其检查初步判断，再根据需要采取进一步分析措施，并根据实验室化验分析结果来确定故障部位及故障原因。

这样的模式及时性差，不能快速诊断出其内部故障。

而在线色谱分析系统可以快速准确的分析故障，并能实现24小时检测，在发生故障时及时报警。

关键词：电力变压器；油色谱；监测系统引言：我国是电力大国，电网的安全稳定对社会发展、企业生产、人民生活起着至关重要的作用。

要保证电网的安全稳定运行，就对电网设备的安全运行提出了更高的要求，变压器作为电网中的承上启下的重要组成部分，其安全性尤为重要。

目前电网已经进入“智能化、自动化”时代，就需要对运行设备提供24小时的安全保障。

本文对变压器的日常巡检、故障诊断、故障处理进行探讨，对运用色谱在线分析系统辅助变压器的安全性、可靠性运行提出想法，为电力系统的安稳长周期运行奠定了坚实的基础。

1 油色谱在线监测的意义和重要性电力行业中传统的计划经济模式，正在逐渐被依据运行状态来计划检修模式取而代之，该模式来源于设备运行状态正式智能在线监测系统。

通过设备运行状态检查与维修工作的开展，在对计划检修局限性进行攻破的同时，还能对设备运行中隐含的问题进行迅速发现，进而采取相关措施，迅速开展设备故障维修工作，最大限度减少事故的发展，增加机械设备的使用时间。

通过变压器油色谱在线监测系统，能够在工作现场，直接对变压器开展油色谱在线监测工作，并判定相关故障问题，系统在对变压器运行情况进行第一时间掌控的同时，还能察觉其所存在的问题，针对这些问题专家系统还会开展自主分析工作，为运行工作人员故障处理工作提供便捷。

相比较于传统的油色谱分析，利用油色谱在线监测系统，能够实现分析结果误差的明显减少，提升故障分析诊断结果的可靠性能。

利用该系统，主控室能够在线检测各台主变油色谱分析巡回与电气异常的多征量，并诊断分析所存在的问题。

变压器油色谱在线监测系统产品及安装说明 Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998GS101H变压器油色谱在线监测系统产品及安装说明1、欢迎使用本公司GS101H变压器油色谱在线监测系列产品。

2、本手册属上海菲柯特电气科技有限公司知识产权，未经许可，任何单位及个人不得翻录。

3、本手册是GS101H型变压器油色谱在线监测系统产品及安装指南,使用产品前请仔细阅读。

4、本手册若有任何修改恕不另行通知。

目录一、产品说明1、系统概述------------------------------------------------------------------------32、系统构成------------------------------------------------------------------------33、结构与原理----------------------------------------------------------------------44、技术指标和特点------------------------------------------------------------------65、运行使用------------------------------------------------------------------------76、日常维护------------------------------------------------------------------------97、常见问题-----------------------------------------------------------------------10二、安装说明1、安装前要了解的内容-------------------------------------------------------------102、系统标准配置-------------------------------------------------------------------123、安装要求-----------------------------------------------------------------------124、变压器信息---------------------------------------------------------------------135、系统安装-----------------------------------------------------------------------136、系统调试-----------------------------------------------------------------------17附件1：氮气技术要求-------------------------------------------------------------17附件2：现场安装要求-------------------------------------------------------------18附图1：安装示意图---------------------------------------------------------------18附图1：系统示意图---------------------------------------------------------------21一、产品说明1、系统概述准确了解变压器的运行状态是维护电力系统安全运行的关键。

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;1.1.2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1.1.3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1.2电力变压器油色谱在线监测原理分析电力变压器绝缘油中溶解气体的组分含量,是大型变压器故障诊断的最有效的方法之一;传统的实验室油色谱分析有周期长、从取样到运送测量环节多等缺点,而在线监测技术很好地弥补了这个缺点,能够在线持续地测量变压器油中的气体情况、长期储存测量结果、提供变压器某一时间段的油中气体的趋势,对于及时发现变压器潜伏性故障,避免发生电力系统重大事故有重要作用;目前,国内外生产的变压器油色谱在线监测设备大体分为2类：一种是监测某种单独气体或以某种气体为主的几种气体综合浓度的单组分油色谱在线监测设备；一种是测量油中多种气体的多组分油色谱在线监测设备;1.2.1色谱简介色谱是一种分离技术,当这种分离技术应用于分析化学领域中,就是色谱分析;它的分离原理是使混合物中各组分在两相间进行分配,其中一相是不动的,叫做固定相；另一相则是推动混合物流过固定相的流体,叫做流动相;当流动相中所含有的混合物经过固定相时,就会与固定相发生相互作用;由于各组分在性质与结构上的不同,相互作用的大小强弱也有差异;因此在同一推动力的作用下不同组分在固定相中的滞留时间有长有短,从而按先后不同的次序从固定相中流出;这种借在两相分配原理而使混合物中各组分获得分离的技术,称为色谱分离技术或色谱法;色谱法有许多化学分析法无可与之比拟的优点：1 选择性好,分离效能高;2 速度快;用几分钟或几十分钟就可完成一项含有几个或几十个组分的样品分析；3 样品用量少;对气体样品一般只须 1～3ml 甚至更少,即可完成一个全分析；4 灵敏度高;通常样品中有十万分之几或百万分之几的杂质也能很容易地鉴别出来；5 适用范围广;作为色谱流动相的有气体或液体;当用液体为流动相时,称为液相色谱：当用气体为流动相时,称为气相色谱;对色谱固定相而言,也有两种状态：即固体吸附剂和在固体担体上载有液体的固定相;综合两相的状态,可把色谱进一步分为四类：气固色谱、气液色谱、液液色谱、液固色谱;1.1.1气相色谱法气相色谱法是目前多组分在线监测设备中最常用的气体检测方法,也是目前发展最为成熟的方法;它与实验室油色谱原理相同,通过色谱柱中的固定相对不同气体组分的亲和力不同,在载气推动下,经过充分的交换,不同组分得到了分离；分离后的气体通过检测转换成电信号,经A/D采集后获得气体组分的色谱出峰图,根据组分峰高或面积进行浓度定量;目前常用的经分离的混合气体进行气体含量检测的传感器主要有热导式传感器TCD、氢焰离子化传感器FID和半导体传感器等;在这几种传感器中,FID传感器由于需要氢气作为载气,在线设备安装现场条件很难满足,故很少采用;因此,目前在线监测设备较常采用的是TCD和半导体传感器;在TCD传感器和半导体传感器中,TCD传感器测量精度较半导体传感器低,但测量的线性度却比半导体传感器好,检测速度也较半导体传感器快;2两种在线监测技术诊断方法1.1光声光谱在线监测诊断方法1.1.1基于光声光谱法的变压器在线检测系统的结构设计根据光声光谱法的检测原理,基于光声光谱法的变压器在线监测系统主要由油气分离模块,光声模块,信号处理模块,油路及气路系统,PLC 控制模块,计算机通信及故障诊断模块等构成;文献3给出了4种设计方案;这四套系统具有共同的运作流程,即首先从变压器中提取少量油样,流入到油气分离室内,然后经过油气分离室的油气分离处理后将分离出来的气体导入到光声腔内,同时在气体循环泵的循环抽动下,使得故障气体在光声腔与油气分离室间循环流动,同时用微音器监测故障气体里的各种气体成分的含量,微音器检测到的信号首先经过差分放大处理后然后再输入到锁相放大器里进行锁相放大,从噪声中提取出微弱的有用信号,然后将信号经过数据采集卡输入到计算机中去,进一步对故障的类型进行诊断;四套系统的区分就在光声模块的不同;图3 结构设计图方案一在线式应用如图3a所示,其光声模块图中虚线框的主要特征在于,一个波长覆盖 1-20μm 的带球面反射镜的红外光源,6 个滤光片的特征波长分别为对应变压器油中溶解的 6 中故障气体的特征吸收波长,即μm,μm,μm,μm,μm,μm;将他们分别嵌套在一个滤光盘上,这个光盘的中轴将与一台步进电机相连接,并且可以在步进电机的带动下旋转,而机械斩波器在另一台步进电机的驱动下工作;光声腔则采用差分式的,各个部件的连接方式如图所示;基本工作原理为：红外光源发出的红外光,首先经过滤光片滤光,选出与某种故障气体成分相对应的红外光,然后在机械斩光器的调制作用下将连续的红外光变为断续的红外光,经过透镜将红外光会聚成更小的光斑,然后射入到光声腔的谐振管内,整个装置涉及到的机械结构偏多,控制较复杂,引入的干扰也更多,体积也偏大,但是由于其成本低廉,技术相对成熟,从而成为目前现有光声光谱技术应用的首选;方案二如图3b所示,调制采用电源直接调制,即设计一个频率脉冲发生器,然后在该频率脉冲电源的作用下使得光源与直流电源不断地接通与关断,从而实现红外光源的脉冲调制;但是,滤光片还是不可省去,仍然需要将红外光源经过滤光片分光,并提取出所需波长的红外光,经透镜聚集后射入到光声腔的谐振管中;由于这个光源独特的工作特性,导致可以采用直接的电源调制光信号,从而可以让我们省去机械斩波器的设计,一方面可以减少机械振动噪声的干扰,另一方面使得控制更加简单,只需要设计对应的一个频率发生器即可,控制精度相对有了进一步的提高,成本又可以降低一些;然而,这种方案所存在的问题是：首先由于光源自身特性所决定的,在这种工作方式下,光源的调制频率不能太高,不超过 100Hz,由于该型号光源的调制深度随着电源调制频率的增加而衰减;而且,这种调制方式下,红外光源的寿命相对较短,从而造成整套故障检测系统的寿命的缩短;方案三如图3c所示,采用可调谐级联反馈式二极管激光器,此时,我们则可以将上述方案中的单一红外光源替换为对应 6 个不同波长的二极管激光器,这样就省去了机械斩光器和滤光片,机械结构从而大大简化;将 6 个激光器固定在一起,然后将它们与光纤准直器相连,通过光纤准直器,可以将各个二极管激光器所发出的红外光准直到光声腔中;调制则采用电源直接调制,并且专门设计时序切换开关,在 6 个管子之间切换;由于省去了机械斩光器和滤光片的机械结构,一方面大大缩小了光声模块的体积,另一方面大大抑制了机械噪声的干扰,同时由于二极管激光器的高单色性等优良特征,使得检测精度也得到了进一步的提高;然而唯一的不足是：成本相对较高,由于目前激光器的价格很昂贵,从而导致整套设备下来的成本的提高,但是它的优良特性必然是今后光声光谱设备发展的趋势;方案四如图3d所示,是基于微机械化MEMS光声传感器和近红外激光二极管的在线式电力变压器故障监测系统;前三种方案中的光声传感器的体积相对第四种 MEMS 光声传感器都比较大;半导体微机械技术的快速发展,为光声传感器的设计指引了方向,那就是 MEMS 化;采用 MEMS 化的光声传感器可以批量生产,降低成本,同时由于其更小的体积,更有利于提高检测精度,同时采用 MEMS 化,我们甚至可以将红外激光光源,微音器以及光声腔三者有机结合在一起;美国麻省理工采用半导体激光器作为红外光源,通过微机械技术加工制成微型光声腔,同时实现了对微量气体成分的检测,检测灵敏度可达 10ppm.同时制作了金属黄铜腔体,并且利用实验数据比较分析了两者的优缺点;具体结构如图所示;具体结构设计为,去掉机械斩光器,去掉滤光片,去掉激光合束器,将每一个 MEMS 光声腔都镶嵌一个对应波长的红外激光二极管,并且将二者集成化;将混合气体依次通入每个 MEMS 光声腔,从而完成各种气体浓度含量的实时监测;由于,明显少去了复杂的机械调制措施,光声模块整体的体积和重量也大大减小,更方便于安装和应用;1.1.2油气分离装置图4 油气分离装置结构示意图文献3给出了一种油气分离装置的结构示意图;该油气分离装置的基本工作过程为：①抽真空：首先,关闭注油阀,关闭回油阀和回油泵,开启气体止回阀1,2,同时关闭电磁阀1,开启电磁阀2,同时启动真空泵,开始抽取气体排出到外界空气中去,形成一个负压的环境;②注油：关闭回油泵和回油止回阀以及气体止回阀,开启注油阀,向油气分离室中注油,同时经过流量控制器进行计量,当注入的油量达到一定量时,关闭注油电磁阀,作为油位高度的后备保护,我们还在油气分离室 1/3 高度处设置有油位液面传感器,当油位高度达到这个高度时,将触发传感器,强制关闭注油电磁阀,停止注油;③振荡脱气：启动超声振荡器,气体止回阀1,2,开启电磁阀1,关闭电磁阀2,启动真空泵用作气体循环泵,同时将脱好的气体输入到被检测光声腔内;④回油：当脱气检测完毕时,关闭气体止回阀1,2,关闭真空泵,关闭超声换能器,开启回油阀,开启回油泵,将已经脱气完毕的油注回到变压器中去;回油完毕后,就相当于一次脱气过程完毕;质量控制阀,可以控制气体的流量速度,为了更好的满足光声腔对该气体的检测效果,一般将气流速度限制为 20ml/min;1.1.3光声池的设计4光声光谱检测系统中,光声池作为光声信号的信号源,是系统中最为关键的部分,其特性很大程度上决定了系统的分辨力、信噪比和检测极限等关键性能;不同形式的光声池具有不同的特点;①非谐振气体光声池如果入射光均匀的分布于整个光声腔中,调制频率ω低于腔体的最低阶的简正频率时,光声池就工作在非谐振状态,这时池内的光声信号几乎是同相的;非谐振式气体光声池结构简单,体积较小,调制频率低,在仪器小型化时具有自己的优势,但信噪比较低,且不能对流动状态的试样进行检测;②谐振气体光声池当入射光的调制频率ω正好等于光声腔的某一谐振频率时,光声池工作在此谐振模式;谐振式光声池的原理是声波在腔体中传输,通过调制光源照射频率使其与声波在腔室中传播的本征频率重合形成共振,这样可以将光声信号进行共振放大;在谐振光声池中,对声波进行放大可以采用两种方式;一种是基于赫姆霍兹Helmholtz共振原理,使用共振腔放大光声效应激发出的声波；基于Helmholtz共振原理设计的光声池称为Helmholtz光声池,它一般由一根细长圆柱形管道连接两个不同体积的空腔组成;Helmholtz光声池工作时,光束透过下端空腔端面的窗口片入射到空腔中,以激发起光声效应,而微音器则安装于上端空腔,以检测气体的压力变化;Helmholtz光声池的主要优点是,只要简单地改变管道的面积和长度,共振频率便有相当大的变化,适当地设计管道的大小,即可获得总气体体积较小而 Q 值相当高Q~100的共振条件;但是由于管道中气体振子的摆动幅度很小,Helmholtz光声池对光声信号的放大能力有限;另一种放大声波的方式是：通过合理设计光声池,使光声效应产生的声波在光声池中形成驻波,利用驻波放大作用使光声信号得到共振增强,在此称这类光声池为空腔式光声池;空腔式共振光声池具有以下优点：1光声池的共振频率一般在1kHz以上,因此,随着光声池共振频率的升高,系统的低频噪声将显着降低；2声场在光声池中呈简正模式分布,因而可以将气体的进出口设置在声波波节处,以减弱气体流动对声场的干扰,这就解决了非共振光声池不能检测流动气体的问题；3利用光强分布I r ,ω和简正模式Pjr之间的耦合关系,可以增强光声信号并抑制噪声信号,从而提高系统的信噪比;1.1.4锁相放大器图5锁相放大器结构示意图锁相放大器的基本结构如图所示,包括信号通道、参考通道、相敏检测器phase-sensitive detection, PSD和低通滤波器Low-pass filter,LPF等;信号通道由低噪声前置放大器、各种特性的无源或有源滤波器、宽带放大器等部分组成；它的作用是对调制正弦信号输入进行交流放大,将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作的电平,并且滤除部分干扰和噪声,以提高相敏检测的动态范围;参考通道是锁相放大器区别于一般放大器的一个重要组成部分,它的主要作用是对参考输入进行放大或衰减,为相敏检测器提取被测信号的频率特征提供一个适合幅度的与被测信号频率相关同步的信号;参考输入一般是等幅正弦信号或方波开关信号,它可以是从外部输入的某种周期信号,也可以是系统内原来用于调制的载波信号或用于斩波的信号;相敏检测器又称相关解调器,它是锁相放大器的核心单元;相敏检测器是基于互相关检测原理,利用噪声信号与周期信号不存在相关性的特点,通过直接计算待检信号与参考信号在零点的相关值的方法来抑制噪声并提取有效信号;在原理上,相敏检测器相当于一个乘法器和积分器的组合;低通滤波器的主要作用是改善锁相放大器的信噪比,其时间常数RC 越大,锁相放大器的通频带宽越窄,抑制噪声的能力越强;1.2油色谱分析诊断方法1.2.1油色谱法在线监测系统基本结构图6油色谱法在线监测系统结构示意图系统的基本工作原理是：油气分离单元安装在变压器放油阀上,油中的故障气体通过透气膜进入气室;载气把气室中的故障气体吹入色谱仪中进行检测,气体检测器输出模拟信号；数据采集板把模拟信号变成数字信号,进行处理后,把数字量传送给工作站中的在线监测信息系统；在线监测信息系统对数据作进一步的运算,并根据处理结果进行故障诊断;1.2.2电力变压器油色谱分析诊断方法电力变压器油色谱分析诊断方法主要有三比值法、气体组分分析法、TD 法、四比值法、模糊理论法、神经网络法和专家系统法等5;1.2.2.1气体组分谱图法该种方法实质是一种直观的表现形式;将变压器每次的油色谱数据分别画在直角坐标系上;纵坐标表示各种气体的浓度比或浓度百分比,横坐标表示气体组分;利用这个图形,有助于确定故障类别;图7气体图形法故障例图1.2.2.2TD图法这种方法是基于三比值编码;当变压器内部存在高温过热和放电性故障时,绝大部分的C2H4/ C2H6>3,则选择三比值中的其余两项构成直角坐标系,以CH4/H2作为纵坐标,C2H2/ C2H4作为横坐标,形成TD分析判断图;该方法主要用于判断是过热故障还是放电故障;图8 一台 220kV 变压器油色谱分析结果的 TD 图1.2.2.3总烃安伏曲线法本方法仅仅适用于过热故障;按变电运行日志提供的电流、电压数据,得到每日变压器电源电压、电流的平均值,再加上每日的总烃含量为纵坐标,日期为横坐标,三条曲线进行分析判断,可以得出过热故障发生在导电回路还是非导电回路;判断依据为：1、取油样较为密集时,当 C1+C2 曲线的变化形式与电压曲线的相近时,为磁路故障；与电流曲线相近时,为电路故障,其中甲烷简写为 C1、乙烷、乙烯、乙炔简写为 C2；2、若电压升高,C1+C2 上升速度加快,电压降低,C1+C2 上升或下降速度变缓此时与电流关系不大,则为磁路故障；3、若电流增大,C1+C2 上升速度加快,电流降低,C1+C2 上升或下降速度变缓此时与电压关系不大,则为电路故障；4、特别注意电压与电流变压趋势差别比较大时,C1+C2 的变化;这是判断的关键,在发生此类情况时,进行重新取油样进行离线试验;在使用过程中,也有一定的注意事项：1、故障点可能出现缓慢发展,且受产气规律、油运行方式的影响,色谱试验存在一定的误差；2、取样不少于 3 次；3、精确计算平均值,作图时要尽量将单位长度线段取长,便于比较；4、此方法仅适用于过热型主变本体故障回路的判断；5、适用该方法进行故障判断后,还要进一步进行电气试验;1.2.2.4四比值法四比值法是将五种特征气体两两相除,得到四个数据编码,编码与判断结果如下：图9四比值法编码表。