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光声光谱法监测变压器油中气体含量可行性研究报告


基于光声光谱法的变压器油中气体含量在线监测系统

可行性研究报告

一、 目的和意义
为保证电网的安全,必须保证电气设备健康、稳定地运行。检测电气设备的方法有常 规的预防性试验和在线监测技术。预防性试验实际上是对电气设备进行定期停电试验、检 修和维护。在电气设备故障诊断、防止设备事故发生、保证安全可靠地供电方面,这种计 划的维修

体系无疑起着很好的作用,但随着电力系统电压等级的不断提高,这种试验方法 诸多的弊端便显露出来。预防性试验的电压等级很低、检测周期也比较长,其试验结果对 长期运行的电气设备缺乏真实性的评判。而且大部分的电气设备需要进行停电检修,造成 大量的经济损失。另外,对设备进行定期检修,具有很大的盲目性和强制性,因而可能造 成过度检修,在过度检修的同时也可能给设备埋下新的隐患。 考虑到预防性维修体系的局限性,为降低停电和维修费用,提出了预知性维修或状态 维修这一新的概念,其实际就是对电气设备进行连续的在线监测。这样就能及时发现设备 运行中的事故隐患,及时报告给检修人员;避免盲目性地维修设备,造成经济损失;对于 已有隐患的设备,也能跟踪其潜伏性故障,最大限度地利用设备,提高使用效益。 电力变压器油中气体含量的检测通常采用色谱检测法,离线式的色谱监测仪存在一系 列的不足之处,脱气作业存在人为误差,检测曲线的人工修正也会加大误差;从取油样到 油气分离再到实验室分析,作业程序复杂,花费时间长;另外,绝缘劣化的发展有快有慢, 预防性试验不能实时地发现故障,对电力变压器油中气体含量实施在线监测已成为迫切的 需要。 目前,对电力变压器进行故障判断的方法主要有局部放电诊断法和绝缘油中气体含量 的监测法,局部放电的监测判断法容易受到现场的电磁场干扰,放电信号难以提取,对变 压器故障判断的有效方法还是绝缘油中气体含量监测法。由于电力变压器、电抗器、套管 等电气设备均选用油或油纸和纸板组成绝缘结构,当设备内部发生热故障、放电性故障或 油、纸老化时,会产生多种气体。这些气体会溶解于油中,不同类型的气体及浓度可以反 映不同类型的电气故障。 绝缘油中气体含量的检测方法可分为离线式和在线监测式两种,离线式的气相色谱仪 具有选择性好、分离性能高、分离时间快、灵敏度高和适用范围广等优点,但是 ,色谱分 析仪是一套精密而复杂的检测装臵 ,整个分析时间长、需要熟练的试验人员、对环境条件 的要求较高,整套设备体积较大,只适于在实验室内进行检测;在线监测式的气相色谱监 测系统很好地解决了离线式色谱仪的检测周期长、分析时间长等缺点。但是目前大部分在 线式的监测系统检测精度低、不稳定、后期维护量大,安装运行后不久便停止使用。因此, 研制一种既能取代离线式色谱仪,又能够长期稳定运行于现场的在线监测设备极为必要. 近几年来,随着电力电子技术、传感技术、现场总线技术、专家系统、神经网络诊断 系统等技术的快速发展,电力系统在线监测技术日趋成熟。实现电力变压器油色谱在线监 测的方法可分为传统气相色谱法、傅立叶红外气体分析法、光声光谱法、传感器阵列检测 法。这些方法中各有优缺。气相色谱法在线监测系统的原理是先从变压器油阀取出一定量 的油,使用高分子薄膜、分子筛实现油气分离,将分离后的混和气体送往色谱柱实现组分 分离,依靠检测器检测出各种气体的浓度。其检测气体种类、精度、范围,根据系统使用 的检测器有关。这种方法应用于在线监测技术检测精度高,但是需要定期进行维护,稳定 性差。傅立叶红外气体分析法是利用不同的气体在红外有其特性吸收峰值的原理,具有检 测速度快、准确度高、非接触性检测、容易维护等特点,但不能检测氢气,价格昂贵,难 以广泛普及。传感器阵列检测法是用多个气敏传感器组合在一起组成传感器阵列,不使用 色谱柱分离气体,直接把传感器放入到混合气体中检测,然后采用信息融合技术提取各中 组分气体的浓度,解决了传感器交叉敏感无法定量的问题,但该方法存在检测灵敏度不高,

恢复时间长等缺点。 气体光声光谱法是通过检测气体分子对激光光子能量的吸收来定量分析气体的浓度, 它属于测量吸收的气体分析方法,相对于直接测量光辐射能量的检测方法增加了把热能变 成声音信号的过程,也属于热测定的方法。如果把光源用某种声频进行调制,在一个特制 的光声池中就可以通过微型拾音器探测到与频率相同的声音信号,这就是待测的物质光声 信号。如将光声光谱法应用于变压器油中气体含量在线监测,具有检测灵敏度高,需要的 样气极少,从而大大地减少油气分离时间,缩短了测量周期;对比傅立叶红外光谱 法,除了常规的烃类气体外,还能检测氢气,且测量精度更高;无需任何载气,方 便设备的维护;无需定期标定;无需预热、检测时间快;稳定性好,使用寿命长等。 从这些特点看出,光声光谱法应用更适合应用于变压器油中溶解气体含量在线监测 系统。因此,我们研制基于光声光谱法的变压器油中气体含量在线监测系统, 致力 于 提 高 该 类在线监测系统的性能 , 为变压器绝缘故障诊断技术提供更可靠的诊断数 据。 目前,国内尚无此类自主知识产权的产品,国外同类产品价格 为每套 120 万元 , 价格昂贵。研制基于光声光谱法的变压器油中气体含量在线监测系统,使用较低成 本研制出性能稳定、测量精度高、选择性好的设备,将有效地抑制国内外变压器在 线监测设备的价格,为我国的电力建设事业节约大量资金。 通过本项目的研究开发,将解决目前绝缘油中气体含量在线监测类产品检测精 度低、稳定性能差、现场维护困难的问题;形成一套具有自主知识产权的变压器油 中气体含量在线监测系统。

二、 国内外研究水平综述
近年来,国外普遍开展了在线监测变压器油中溶解气体的研究。 较典型的有加拿大Syprotec公司的法拉第变压器看护单元(Faraday? Transformer Nursing Unit? ,简称TNU)、Hydran?201i智能型在线式变压器早期故障监测装臵:该装 臵是使用了可透气浸润薄膜分离气体,使用燃料电池型检测器,以检测H2为主,实际测量 的是H2、CO、C2H6及C2H2的总和。 美国Serveron公司的TrueGas气体在线监测仪。以99.9999%的超高纯He为载气,以热 导池为检测器,可测量8种气体,包括H2、CO、CO2、O2、CH4、C2H6、C2H4和C2H2。测量结果可 由软件以图表方式直观显示,与之相关的变压器内部状况的诊断结果可以直接给出。对 C2H2、C2H4、CO、CO2的测量灵敏度可达1?L/L或10%(取大者),其他4种气体的测量灵敏度可 达10%。其工作环境温度范围很宽,可从-40℃~+55℃。建议的采样周期为24小时。但是, 其采样的周期长,消耗载气,而且精度相对PAS法的DGA监测仪不高。 加拿大Syprotec公司早在二十世纪七十年代就研制了Hydran在线H2检测仪。可以连续 监测油温、负载、绕组温度等参数。应用循环回路采取油样,油样连续流过浸润薄膜时, 油中溶解气体脱出进入气室;气室的氢气由Syprotec公司的HYDRAN传感器测定;其它气体 由FTIR分析,依据每种气体对其特征波长的吸收量测定。Syprotec声称它已成功避免了约 100次变压器灾难性事故。日本日立、三菱公司研制了能在线监测H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、 C2H2六种气体的装臵,但其检测周期长达7~10天,精度为15~20ppm。 由于PAS法灵敏(对于微弱气体的含量可以精确到1ppm)、快速、准确和测定范围广 的优点,故在微量气体的科学研究中发挥了重要的作用。随着现代微弱信号测量技术的发 展以及激光器和微音器的发明,使得PAS技术被广泛运用在各方面。近十年来光声池的运 用,更推动PAS技术走向一个新的台阶。

20世纪70年代初,国外红外傅里叶变换(FTIR)开始广泛应用,但是直到2003年,英 国的Kelman公司才推出了基于光声光谱的便携式DGA,2007年该公司推出了基于光声光谱 技术的TRANSFIX DGA在线检测仪。 该设备可以检测8种故障气体(包括C2H2、 C2H4和H2)和微水, 无需载气或标气,多种本地和远程通讯选项(有可编程报警系统) ,易于安装,实时测试 DGA结果可达到每小时一次,具有window特征气体分析软件。可是由于国内国际标准不统 一,而且该设备测量乙炔气体的精度不高,影响现场诊断变压器故障的准确性,导致国内 用户对该设备并不看好。 由于国内变压器油与国外变压器油成分不完全相同, 因此在使用国外监测设备时均 存在仪器测试数据转换存在误差等问题,使用时需要积累一定的数据和经验,才能应用 测量结果对变压器性能做出初步判断。 国内的有东北电力科学研究院的大型变压器色谱监测装臵1994年投入运行,主要针 对500 KV以上大型变压器。上海思源电气股份有限公司研制了TROM-600变压器油色谱在线 监测系统。要采用特殊材料制造的色谱柱作为特征气体分离的主要元件,才能保证测量的 灵敏度。宁波理工监测设备有限公司的MGA2000-6型变压器色谱在线监测仪。它的油气分 离单元采用了玻璃态聚合物的M40油气膜和气体多组分检测传感器(包括热导池、半导体 气敏传感器) 。热导池测量范围可达100%,以进口高纯He作载气,在实验室也只能检测出5 μL/L以上的C2H2;这是其致命的弱点,因为它不能检出预试规程规定的1μL/L的C2H2注意 值。 半导体气敏传感器能够测量低浓度的多种气体,在油蒸汽中、高湿度和温度变化中 能保持长期的稳定性。其缺点是反应输出非线性,而且必须工作在氧化环境中,否则气敏 反应的恢复时间会达到30s以上,使各峰出现严重拖尾现象,强峰后的弱峰因严重的非线 性干扰而难以准确测量,这使得对保留时间相近的两峰中的后峰的测量特别困难。 国内的研究状况有如下几个特点: (1)原理性研究的居多。变压器油的气相色谱法的技术理论和实验技术基本上已经 成熟,可以比较容易地实现,而且已经应用到现场,但是光声光谱的DGA在线监测很少有 人涉足,且也只是一些单位,尤其是高校等研究机构通过各种渠道申请到项目,做一个实 验样机,在实验室环境下组织一个鉴定就算完成任务,但这样的系统离实际应用的水平还 相差甚远。 (2)技术指标相对落后。国内在线监测系统的技术指标相对国际水平来说还比较差, 尤其是在可靠性和分辨率等关键指标上还不能满足现场苛刻条件使用的要求。对于FTIR技 术,目前已经不少国内厂家生产的红外FTIR光谱仪可以同国外媲美,如北京瑞利公司出品 的WQF-510/520和北京华夏科创仪器技术有限公司的傅立叶变换红外光谱仪等。但是,对 于PAS技术国内的生产厂家还相当不成熟,几乎为零。 (3)产品的抗干扰和可靠性差。大多数产品在实验室使用是效果还可以,测量的数 据结果可以接受。但是拿到现场使用时,测量的数据可靠性和重复性都很差,精度不高。 甚至遇到略大一些的电磁干扰后,则完全无法工作或者测出的数据杂乱无章。 (4)测量手段停止不前。大多数研究变压器油色谱在线监测的科研人员,都是仅仅 局限于研究薄膜脱气材料如何快速脱气、采气池的结构设计等局部性问题,而没有全面考 虑是否可以采用全新的测量方法(如光声光谱等)。可喜的是,有些研究单位(如浙江大 学、清华大学)已经着手研究光声光谱等方法在线监测变压器油的问题。 (5)代理国外技术较多。由于光声光谱技术的应用领域和市场日益成熟,国外的厂 商都把目光瞄向中国市场,一批代理商应运而生,纷纷将国外的优秀产品推向中国市场, 还有专门研究FTIR色谱仪如何使用和保养的技术人员。

(6)应用领域正在扩大。现在很多研究单位都在试图将光声光谱测量技术应用于各 个领域,不仅在微量气体分析和环境监测方面,现在正逐渐应用到电力系统中。 总之,目前基于光声光谱技术的 DGA 在线监测技术国际上还不是很成熟,几乎属于首创。 而国内无同类产品。

三、 项目的理论和实践依据
3.1 理论依据及原理阐述 光声效应,是基于物质吸收调制光后通过无辐射弛豫放热而激发出声波的效 应。早在 1880 年美国著名科学家 BELL 等就发现了光声效应,他们在用断续光照射 密闭池中的固体材料时,与池相连的声探测器检测到信号,Bell 正确地指出光吸收 与光声效应内在的依赖关系。但由于光强太弱,光声效应的应用发展缓慢。后来, 由于微弱信号检测技术和激光技术的发展,光声光谱技术也得到了快速的发展, 1971 年, Kreuzer 在光声气体检测方面做了开创性的研究工作,他利用可调谐激光 做光源,测得浓度低至 10?7 ?g / L 的气体吸收光谱,并理论上分析了使用激光做光源 和高灵敏度的微弱信号探测器可对气体光声光谱检测出限数 量级达到 10?13 。光声光 谱法的高灵敏度得到了人们的极大关注,并使它得以迅速发展。 其气态的光声原理如图 1 所示。 激光器发射出的激光通过斩波器后,调制成为不同频率的激发光,然后进入光声池, 被激发的气体分子会通过辐射或非辐射两种方式回到基态;对于非辐射驰豫过程,体系的 能量最终转化为分子的平动能,引起气体局部加热,从而在气池中产生压力波(声波)。 使用微音器可以检测这种压力的变化。光声技术就是利用光吸收和声激发之间的对应关 系,通过对声信号的探测从而了解光吸收过程。由于光吸收激发的声波的频率由调制频率 确定;而其强度则只与可吸收该窄带光谱的气体的体积分数有关,因此,建立气体体积分 数与声波强度的定量关系,就可以准确计量气池中各气体的体积分数。
光斩波器 进气和出气口

激光源

微音器

光声池

图 1 ,气态的光声原理 一个长度为 L ,池半径为 R 的光声池,样品吸收光能后产生的压力分布可表示 为 Pj, p j (r, ?, z, t ) ? C j cos(m?) cos(k?z / L) J m (am,n?r / R) exp(? j? j t ) 光声池的共振频率: ? j ? ??[(K / L) 2 ? (am,n / R) 2 ]1/ 2 ( 1-1 ) ( 1-2 )

式中, k , m, n 为轴向、方向角及径向的模次数(去正整数) ; J m (am,n?r / R) 为 m 阶第一 类贝赛尔( Bessel )函数; C j 为标准化常数; am,n 为在池壁面( r ? R )处满足径向 声压变化为零的临界条件: dJm / d r ? 0 时的 n 次方根。 考虑到粘滞与传导损耗,当激光沿池中心轴入射,且气体吸收很弱时,如用角 频 率 为 ? 的 斩 波 器 调 制 的 激 光 照 射 , 当 光 斑 直 径 远 小 于 池 内 径 (1/3 以 下 ) , 当

? << ? j ? ?Va 0 j / R ( j 次共振频率 ) 时,在 r ? R 池壁处声压大小可用下式表示:
pabs (r ? 1 ) 1 ( 1-3 ) {1 ? }?1 / 2 V? (??T ) 2 式中, pabs 为吸收功率可用池内吸收光峰值功率的 1/2 给出; V 为光声池内容 p(? ) ?

积 ; ? T ? Q0 / ? 为 光 声 池 热 弛 豫 常 数 ( Q0 为 零 次 模 共 振 Q 值 ) ,它与气体热扩散率

? ? K / ?CP ( K 为热传导度, ? 为密度, C p 为压电比热 ) 的关系为 ? T ? R 2 / 2.5? 。在标
准状态下 ? ? 0.3cm2 / s ,当光声池内径为 1cm 时, ? T ? 0.3s 。考虑调制频率远小于腔 最低简正模频率时(即 ? << ? j )为非共振情况, pabs ? CI 0 L , 则基频成分声压:
aCI ?2 1 / 2 D (? ? ? T ) 当用矩形调制光时可得公式 0.2293 aCI0 p(? ) ? 2 2 ?2 1 / 2 D (? ? ? T ) p(? ) ?
2 2

(1-4)

( 1-5 )

式中, a 为分子的吸收系数, atm?1 ? cm?1 ; I 0 为断续入射光功率,J;D 为光声池 腔体内径, cm ; C 为样品气体浓度, atm。 声压 p (? ) 被微音器检出后产生光声信号 Vs , 若其响应率为 Rm 时有 ( 1-6 ) Vs ? Rm p(?) 将式( 1-5 )代入则 0.2293 Rm Vs ? 2 2 aCI0 2 1/ 2 D (? ? ? T ) 0.2 2 9 3 Rm 其中 R ? 2 2 可称为仪器常数,则 2 1/ 2 D (? ? ? T )
? Vs ? ?? I 0 ? 做出样品工作曲线即可进行定量分析。 C? 1 ? Vs ? aR ? ? I0

( 1-7 )

(1-8)

3.2 实践依据 英国凯尔曼公司已应用该方法于变压器油中气体含量在线监测系统。

四、 项目研究内容和实施方案
4.1 项目内容 本项目主要进行三个方面的研究,光声光谱法应用于变压器油中气体含量在线监测系 统的关键技术的研究;光声光谱法变压器油在线监测系统的开发研制;变压器油中气体含 量的离线检测与在线监测技术的对比研究。 4.1.1.光声光谱法变压器油在线监测系统的开发研制 基于光声光谱法的变压器油中气体含量的在线监测系统按分布式设计,积木式结构, 具有很强的可扩充性。其基本框架按三层体系结构设计,具体包括:局方管理系统;站方

监测系统;变压器现场监测系统。其系统框图如下图 2:

远程维护 中心 局方管理系统 TCP/IP 网 络

站方监测 系统

Lon works 网络

变压器 现场监 测系统 I

变压器 现场监 测系统 II

变压器 现场监 测系统 III

…..

变压器 现场监 测系统 N

图 2 ,变压器现场监测系统系统框图 局方在线监测系统包括数据库服务器和应用服务器以及 WEB 查询工作站三大部分,数 据服务器完成数据的存储、数据的维护以及与其他系统接口的功能,应用服务部分主要完 成数据的处理、查询、分析和诊断。 站方监测系统完成对终端装臵的通信管理、数据收集、数据处理、存储;数据的查询 显示、注意值阀值设臵、分析诊断功能;并将有关数据上传局方主站系统。 现场监测系统完成变压器的油中的气体采样控制、气路流动控制、气体浓度测量、数 据通信等。现场监测系统由 油 气 分 离 单 元 、 气 路 控 制 单 元 、 光 声 检 测 单 元 、 现 场 控 制 单 元 组 成 , 图 如 下 图 3。

激光源 变 压 器 油 阀 门 油 气 分 离 装 臵 光声检测单元 气 路 单 元 斩波器

光 声 池

前臵 放大 器

锁 相 放 大 器

A/D 转 换 单 元

DSP 数 据 发 送

油气分离

微音器

LONWORKS 现场控制单元

站方工 作站

图 3,现场监测系统框图 油气分离单元主要实现对变压器油中溶解气体的采样功能。采用最新的真空定量脱气 方法进行脱气,其脱气率高达 98%,脱气时间短,只要 5 分钟,解决了以往油气分离装臵 脱气时间长,可重复性差的缺点。 气路控制单元,把油气分离后的样气,取定量的样气均匀地送到光声检测系统的光声 池。 光声检测单元检测原理是 , 当把样气送入气体池后,关闭气体池阀门,激光源产生 连续激光,通过斩波器调制成一定频率的脉冲光,光辐射到气体池,气体通过吸收光脉冲, 产生声波,通过高灵敏度微音器检测其强度,然后信号通过前臵放大、锁相放大后,用高 精度 AD 和高速 DSP 采集其数据,并储存。 光 声 检测系统由光源、调制器、光声池、微音器(声传感器) 、前臵放大、 锁 相放大、数据采集等单元组成。 光源,由于大部分气体分子的特征谱线出现在近中红外波段,因此在这个波段的可调 辐射源就比较适用于气体探测器,按工作方式,光辐射源可分为脉冲和连续辐射两类,为 了使连续辐射的光束变成强度时变的光束,通常还需要各种相应的调制技术,如果按辐射 本身的特性来分,辐射光源又可分为非相干光源和相干的激光光源两类。激光光源的单 色性好,光谱功率密度大,用于光声光谱分析具有灵敏度高,分辨率好等特点,缺 点是目前可用于光声光谱分析的近中红外激光器的种类有限,单一激光器的波长覆 盖范围窄,并且价格昂贵。非相干光源主要是指 红外热辐射光源,近年随着热光源 材料和光源制作工艺的发展,宽带、高光谱功率密度的红外光源也在光声光谱分析 中得到应用,特点是光谱覆盖范围宽,结合窄带红外滤光片,可实现对多种气体成 分的测量和分析。本项目将根据检测气体种类和检测灵敏度要求,通过实验比较, 选择适当的光源。 调制技术,内调制脉冲光源不需要外加调制器即可直接使用。使用连续谱光源时,

则需要进行光束调制。光调制技术有振幅调制和频率调制。振幅调制较为常用,调制方法 有机械斩波器、声—光调制和电—光调制器。本项目拟根据光源的选择、光声池的设计和 光声信号的检测方式,对内调制、外部机械调制和频率调制方式进行研究比较。 光声池,光声池有谐振式和非谐振式两种,谐振式的光声池可以利用自身的特殊结 构,对噪音信号进行抑制,另外也可以避免因池壁和池窗等结构产生光声光谱信号;其缺 点是: 谐振腔需要闭环电路控制调制频率来保持探测器的校正, 这使得系统复杂程度提高, 稳定谐振频率的温度稳定系统也使得谐振池体积和重量大大增加。非谐振式的光声池,其 结构简单,体积可以做得很小,但噪声抑制能力差,不能连续流动式采样。因而需要综合 考虑油中溶解气光声测量系统的技术要求和测量环境等多方面的因素优化设计光声池。 微音器,微音器作为光声捡测中的能量转换元件,应能准确地反映光声池内声压的微 小变化。目前光声测量所用的微音器主要有电容式和驻极体式两种。这类微音器的结构简 单,体积小,便于安装和组成阵列使用。近年来出现的光纤声波传感器具有高于电子式微 音器一至两个数量级的灵敏度和信噪比,并且不受电磁场干扰,是一种极有应用前景的微 声波传感器件。本项目将在采用高灵敏度低噪声电子式微音器的基础上,研制光纤式声波 传感器,并应用于油中溶解气光声检测系统。 多种气体分析的物理数学模型和在线快速计算方法也是本项目的重要研究内容,油气 分析通常需要对甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳、氢气和微水等多种气体 成分进行测量和分析,研究各种气体的红外光谱吸收特征和其它物理特征,结合光源和滤 光片的工作特性,对这些气体进行高分辨的光谱识别和定量浓度计算。通过理论和实验上 对各种气体的红外光谱特性研究,建立准确的数学模型,研制能够快速在线计算分析的计 算机软件程序。 光声光谱在线现场监测系统研究还包括现场监测控制单元,该单元实现对整个现 场监测系统的控制和实现数据通信功能。现场 的控制包括油气分离装臵的样气采集 控制、气路控制系统的控制、光声测量系统的气体浓度测量控制、数据通信等。 4.1.2.变压器油中气体含量的离线检测与在线监测技术的对比研究。 目前,变压器油中气体含量的诊断根据《GB/T 7252-2001 变压器油中溶解气体分析 和判断导则》和《GB/T 17623 –1998 绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法》 。 电气设备检修人员在进行变压器检修时采用传统的气相色谱仪进行检测、分析、判断,而 在线监测的色谱系统仅作为一个辅助判断的依据。由于离线和在线监测系统的检测原理的 不同,导致离线的设备检测的数据与在线监测的数据往往不符。在线监测设备本身没有自 己的分析和判断导则,在对变压器油中的气体组分含量分析、判断是根据离线设备的判断 导则。国内在变压器离线式的色谱分析和在线式的分析均做过相关的研究,本项目将离线 式的色谱分析和在线式的分析进行对比性研究。 其内容包括: 1)收集国内外电力变压器非故障状态下和故障状态下的离线式的色谱分析数据和在 线式的色谱分析数据; 2)将本系统与离线的气相色谱议数据的分析进行对比。 3)将本系统与其它在线式的监测系统进行数据对比。 4.1.3.光声光谱法应用于变压器油中气体含量的在线监测系统的关键技术和难点
见下文关键技术 4.2. 技 术 关 键

光声光谱法实现变压器油中溶解气体在线监测的技术关键在于研制光声光谱检 测单元、研制油气分离单元和现场监测系统的稳定性问题。

( 1 )光声检测单元的技术关键包括:高灵敏度、低噪声声波传感技术;宽带可调谐 近中红外大功率激光光源/宽带高光谱功率密度的红外热辐射光源研究;高灵敏度、低噪 声、小容积光声池设计;光声信号相关检测技术及基于 DSP 的信号采集和实时处理系统; 多种气体分析物理数学模型及快速在线计算方法;微量乙炔和氢气的检测; (2)故障气体吸收光谱及选择 变压器油中溶解气体的内的气体有乙炔 , 乙烯 , 甲烷 , 乙烷 , 一氧化碳 , 二氧化碳 和水。每一种气体分子均有其吸收峰值,不同的气体的吸收峰值不同,但也有在某 些区域有重叠吸收峰值,导致用该波段的光分析气体时会发生气体间的交叉影响。选取 吸收峰值应尽量避免有重叠的吸收峰值,峰峰值尽量大。尽量与水也分开,避免造成交 叉影响。 既要选择吸收峰值大,又要求没有交叉影响,选择出这六种气体的吸收峰值如 下表所示。 表 1 选取后的各种气体的吸收峰值 气体组分 分子量 特征波数/(cm-1) 特征波长/ ?m 交叉影响 甲烷 16 1254 7.974 水 乙烷 30 861 11.614 水 乙烯 28 1061 9.425 水 乙炔 26 783 12.771 水 一氧化碳 28 2150 4.651 水 二氧化碳 44 668 14.970 水 由表1 可见,C2H6 ,C2H4 ,C2H2 ,CO 和CO2 在表中所列的特征波数处都有较强的吸收峰, 而且各气体间不存在交叉干扰,也不会受到变压器油中H2O 的影响。CH4 在1254 cm-1 处虽 然能避开其它气体的特征频谱,但是处在H2O 的吸收谱带中,会受到H2O 的影响。 ( 3 )研制油气分离单元 在同类的油中溶解气体在线监测装臵中,使用过的油气分离方法有全自动真空 进样、鼓泡法、振荡脱气、动态顶空脱气和膜分离等方法,这些方法各有各的优缺 点,使得油气分离系统工作效益低,性能不够稳定。降低了整个在线监测系统的性 能,需要研制高效益的油气分离单元。 该系统的设计原理是: 使用定量管取一定量的变压器油,把油抽取到真空管内, 其真空管内装有搅拌叶片和温度传感器等,然后把真空管抽真空,通过 外部给真空 管加热到一定的温度,再使用搅拌叶片搅拌,最后把真空管内的上方的气体使用抽 取出来,萃取出 98 %的油中气体。该技术关键在于对取油定量管、真空管的设计, 搅拌泵的长期稳定运行和整个脱气装臵的稳定运行。 ( 4 )现场监测系统的稳定性问题 这是一个带有共性的问题,在传感器技术领域,我国的技术水平在单个技术方 面并不比国外的技术落后,个别指标甚至还超过了国外的类似产品,但在稳定性、 可靠性方面却落后甚多,究其原因,除了相关支撑技术欠缺以外,研发人员,乃至 主管部门在观念上对可靠性指标没有给予足够的重视也是一个重要的原因 ,另一个 重要的原因是解决可靠性、稳定性问题需要花费的巨大精力和财力。对于基于光声 光谱法的变压器油中气体含量的在线监测系统,主要安装在变电站、电厂等,户外 环境恶劣,电磁干扰较强,若系统的稳定性不好,很难在现场稳定进行运行。对系 统的设计时,需要结合设计和现场的运行经验对系统进行优化设计。 4.3.研究方法

本项目拟针对上述关键技术问题采用以下方法开展研究。 1)在已有光声光谱微量气体检测技术研究工作的基础上,参考、借鉴国外相近研究工作 的成果和最新进展,采用自主研制和引进吸收相结合的方法解决高灵敏度低噪声声波 传感器问题。对光纤声波传感器的研究,主要解决高灵敏度反射膜片的问题,拟尝试 采用有机膜片的方案。 2)可调谐激光光源与非相干红外热辐射光源两种方案同时进行,通过与国内有关研究单 位协作,自行研发适用于油中溶解气体光声探测的宽带大功率可调谐红外激光器和大 功率红外宽谱热辐射光源。 3)从理论上优化设计光声池结构。从光学,声学,电子学,机械结构以及材料和加工工 艺几方面优化设计光声池。并且对多种光声池结构进行实验选择,实现光声池的高响 应度和低噪声。 4)微音器信号的低噪声放大和相关检测通常采用商品化的锁相放大器完成,不利于系统 集成、减小体积和降低产业化成本,本项目拟自行开发低噪声前臵放大、信号调理和 基于 DSP 的相关检测系统,使系统具有高集成化和仪器化。 5)针对气体检测的种类多,气体红外吸收谱线重叠、相关度大的问题,采用优化设计滤 光片参数、合理选择测量谱线和参考谱线,建立适当的多元非线性方程组,采用严格 准确的求解方法和设计高效快捷的计算机计算程序,解决多种气体成分同时测量的问 题。 6)微量乙炔气的高灵敏度探测问题,主要通过提高系统整体性能指标来实现。对氢气的 检测拟采用声速测量、声波相位测量和声阻抗测量等方法实现。 4.4.技术路线 模拟试验研究。首先要进行原理上的模拟试验研究,主要有: a、光声光谱气体检测系统的关键技术研究。 b、油气分离单元及气路控制单元的设计、试验、验证。重点研究真空脱气法、动态顶 空脱气法和薄膜脱气法,可消化吸收市场上已有的油气分离产品。 c、系统试验平台的研制。在线监测系统所使用的油气分离方法和气体检测方法,与实 验室气相色谱存在本质的差别,其有效性需要科学的验证。与多年来通过实验室气 相色谱积累的故障数据样本相比,它所测得的连续的实时的故障气体数据,可能蕴 含更多的变压器状态信息,而这也需要通过科学实验进行研究。 2)监测系统研制。在基于模拟试验基础上设计监测系统样机,并实现整机的一体化设 计,对系统的软硬件实施可靠性试验,电磁兼容性试验等。 3)现场挂网运行及模拟试验。通过一个变电站安装进行模拟试验,全面检验样机系统 可能存在的漏洞,并重新设计改进,往复测试直至满意。 4)改进完善后批量挂网运行。并同时定期使用离线式的气相色谱仪进行检测。 对数据进行对比性研究

五、 预期目标和成果形式
1 .在前人研究光声光谱技术的基础之上,重点解决声波传感技术、激光源、 光声池设计、光声信号检测技术以及多种气体分析数学模型等关键技术; 2 .本项目在研究光声光谱的关键技术的基础之上,开发研制具有自主知识产 权的变压器油中气体含量在线监测系统。 3 .收集国内外电力变压器非故障状态下和故障状态下的离线式的色谱分析数据和在

线式的色谱分析数据; 将本系统与离线式的气相色谱仪数据的分析进行对比。 总结诊断方 法和经验。 4 .将研制的监测系统重点在几个变电站内运行,积累经验。 5. 申请国家发明专利两项,在国家核心期刊发表研究论文 3-5 篇。

六、 合作单位或依托工程单位落实情况
编写要求:小四仿宋_GB2312(下同) 1. 如需同其他单位进行合作,说明合作单位的落实情况,并出具合作单位承诺进行合作的证明文 件; 2. 如需结合依托工程进行试点研究,说明依托工程及其与本项目结合的情况,出具依托工程单位 承诺提供相关条件的证明文件。

大连理工大学物理与光电工程学院自上世纪 80 年代初就开始从事激光光声光谱技术 的研究,在此研究方向多次获得国家自然科学基金,教育部和辽宁省科技基金以及其他研 究机构委托项目的资助,先后研制成用于光声光谱分析的低温流动式可调谐 CO 基频/泛频 激光器和可调谐波导 CO2 激光器,这些近、中红外分子气体激光器为多种小分子气体光声 光谱分析提供了重要的红外可调谐光源。基于 CO/CO-overtone 和 CO2 激光器研制出了高灵 敏度的微量气体光声光谱测量系统,该系统可以对 NO,H2O,CO2,NH3,O3,C2H4,CH4,C2H2 等多种微量气体进行高灵敏度的测量,其中对乙烯气体的最低检测浓度达到 15ppt(15× 10-12)。 近年还针对大气环境监测和变压器油中溶解气监测需求开展了基于宽谱红外热光源 的光声光谱技术研究,成功的为公安部上海消防研究所研制了 CO/NO/H2S 光声光谱气体分 析仪,对 CO 气体的最高检测灵敏度达到 1ppm。该课题组在微量气体光声光谱检测研究方 面居国内领先地位。

七、 项目承担单位的条件
[项目负责人 ] [已具备的条件] 国网武汉高压研究院(简称武高院)是国家电网公司直属科研企业,主要从事高电压 试验技术、高电压大电流计量技术及电力新技术的研究与应用开发,同时担负着国家高电 压计量站的主要工作和发展建设任务。国家高电压计量站是国家质量监督检验检疫总局授 权在全国范围内开展高电压、大电流计量检定工作的国家法定计量检定机构,是国家质量 监督检验检疫总局授权的电力互感器、精密互感器、全工况互感器定型鉴定技术机构。经 过三十余年的经营和发展,武高院已成为集科研开发、技术咨询、工程服务、质量检测、 产品研制与销售等为一体的综合实力雄厚的科技型企业,现有高级及以上职称 127 人,各 类高电压试验测试设施较为完善,是国内最早从事在线监测行业的企业之一。 武高院还具有世界先进水平的高电压计量大厅。 该大厅具有全电磁屏蔽结构 (和温度、

湿度调节装臵,试验大厅的净空尺寸为 40×50×30(高)米,厅内装设有 1400kV、2A 无 电晕试验变压器(局放小于 10pC) 、4000kV、200kJ 的冲击电压发生器和 2000kV、25mA 直 流高压发生器。大厅的全部试验设备和控制测量装臵由瑞士 Haefely 引进,测量精度和自 动化水平高,能完全满足 IEC 和国标对电气设备进行冲击直流高压绝缘试验的要求,与户 外设备配合还可进行相间操作冲击、直流叠加冲击试验研究工作。

序 号
1

姓名

年 龄

职务

职称

专业
电测、计 算机

本项目 中分工

投入项 目工作 总月数
12

工作 单位
国网武汉高压研究院

2 3 4 5 6

电子 电子 计算机 计算机 工艺

24 24 18 18 12

国网武汉高压研究院

项目的进度安排
四、工作总体安排和年度进度
序号 1

时间段
2009 年 1 月-2 月





确定总体设计方案,软件需求设计;软件系统设计。

2009 年 3 月-2009 模拟试验研究阶段: 年8月
2

搭建光声光谱气体检测试验系统,对标准样气进行定性 定量研究,验证是否满足气体的浓度及灵敏度指标; 油气分离单元及气路控制单元的设计、试验、验证; 系统试验平台的研制; 通讯模块、数据处理模块设计;

2009 年 8 月-2009 监测系统研制阶段: 年 12 月
3

光声光谱在线现场监测系统设计 人机界面软件设计 诊断模块设计

2010 年 1 月-3 月
4

模拟测试,完善软件;搭建试验环境,软件后续编制; 软件功能测试;硬件功能测试。运行测试。

5 6

2010 年 3 月-6 月

完成一个变电站样机的生产调试,联系挂网运行变电站

2010 年 7 月-2010 现场施工,安装工作; 年9月 2010 年 10 月-2010 现场测试验证工作;软件完善;软件运行可靠性分析、
7

年 12 月

硬件运行稳定性、可靠性分析。运行数据统计分析及系 统改进,对比性研究。归档总结和项目验收。

编写要求: 1. 列出分年度计划研究内容和人员、设备安排; 2. 分年度提供成果的内容和形式,要具有可检查性。

九、项目经费预算
科 目 金 额 申请资助 自 筹
0 20 18 2 101 68 30 3 14 2 5 1 2 2 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 50 60 合 计 185 0 0 0 0

单位:万元





(一)直接费用
1.人员费 (1)研究机构人员费 (2)临时工工资 2.设备及软件费 (1)硬件购臵 (2)试制 (3)软件购臵 3.业务费 (1)材料费 (2)试验费 (3)资料费 (4)外协测试试验及加工费 (5)会议费 (6)差旅费 4.其他直接费用

预算明细表 预算明细表 预算明细表

申请专利

(二)间接费用
1.现有仪器设备使用费 2.直接管理费用 3.其他间接费用

(三)协作研究支出
协作支出 1

预算明细表

注:1、与项目有关的前期研究(包括阶段性成果)支出的各项经费不列入本项目预算; 2、项目下设的每个子项目(子合同)均需单独填报各自的项目预算表,并将子项目(子合同) 预 算汇总后计入项目经费预算相应栏内。 3、当子项目存在协作研究时,应逐项分别填报每一项协作研究任务的预算表。协作研究支出预算 汇总后填入子项目经费预算的“协作研究支出”栏内。

十、有关证明文件
1、 承 担 单 位 业 务 主 管 对 项 目 意 见 2、合作单位和依托工程单位对项目的意见及盖章 3、自筹经费来源及保证证明 4、经费预算表

编写要求:四号仿宋_GB2312(下同) 1. 各承担单位业务主管对项目的意见; 2. 依托工程单位对项目的意见; 3. 自筹经费来源及保证证明; 4. 协作单位意见及盖章。

十一、申请单位领导审查意见
(对经费预算是否合理,有无其他经费来源,能否偿还贷款,能否保证研究计划实施所需的人力, 工作时间等基本条件提出具体意见)

四号仿宋_GB2312(下同)

单位领导(签字)

单位(公章)







附件1 序 号 1 2

设备费——购臵预算明细表(单价 5 万元以上) 型 号 单 价 (万元) 20 3 拟购臵 数量 1套 1套 总价 经费 列支 生产国 别与地 区 进口 中国 主要技术性能指标 调谐范围 1480~61650nm 输出 功率>10mW。 温度范围: -30~250℃湿度范 围:10~100%。 购臵理由、用途、拟安臵 单位(与本项目、子项目 关系) 光声探测激光源 根据温度对精度的影响 校正系统温度系数

设备(硬件) 名称 宽带可调谐的大功率半导体 激光器 恒温恒湿室及测量系统

20 万 3万

3

滤光片(定制) 微量气体质量流量显示和控 制仪 光栅光谱仪 原材料及基本试验检验设备 出厂试验配套装臵

3

5套

15 万

中国

带宽<200nm;峰值透过率>50%; 对宽谱红外光源进行分 中心波长根据气体成分选择 8 光,检测 8 种微量气体 种。 流量控制范围:0~100、200、 监测和控制气体流量, 8 500、1000ml/min;精度 1% 种标准气样配制 分 辨 率 0.01nm; 光 谱 范 围 0.6~10um。 原材料和部件进厂时进行检验 实验室多种微量气体分 子光谱分析 检验采购的物品是否符 合要求。 保证完整的出厂试验研 究而配备。 各种标准样气,硬件开 发工具等等

4 5 6 7

5 15 5 5

1套 1套 1套 1套

5万 15 万 5万

中国 美国 中国 中国 中国

5万 50 万 18 万 68 万

单价 5 万元以上设备合计 单价 5 万元以下设备 累计 附件 2 设备费——试制预算明细表(单价 5 万元以上)

序号 1 2 3 4 5 6 7

设备(硬件) 名称 检测系统 放大系统 密封安装系统 光声池 真 空 定量 油气 分 离系 统 真空抽气系统 记录系统

单 台 价 值 (万元/台件) 2 2 2 3 3 2 1

拟试制数量 2套 2套 2套 2套 2套 2套 2套

总 4万 4万 4万 6万 6万 4万 2万



经费列支

主要技术 性能指标 高速采集系统 微弱信号放大电路

试 制 理 由 和 用 (与本项目、子项目关系) 400MHz 高速采集光声信号



微弱光声信号的低噪声放大和调理 现场油气采集密封安装监测系统

将气体从变压器油中分 离出来 真空抽气循环系统

比较试验各种类型的分离膜的性能 快速将油气分离 记录、显示等大型人机系统平台

单价 5 万元以上设备 合计 单价 5 万元以下设备 累计 30 万

附件 3 业务费——材料费预算明细表(大宗或贵重的材料) 单位:万元 序号 设备(软件) 名称 Matlab 软件 单 套 价 值 (万元/套) 1 数量(套) 总 价 经费列支 主要特点
大型矩阵运算功能非 常强, 构造个人适用函数 很方便, 非常适合大型工 程技术中使用。 Labview 软件及配套评 估版

购 买 理 由 和 用 (与本项目、子项目关系)



1

1

1万

用于分析计算油中气体含量的判 断标准。 仿真模拟测试系统的性能

2

Labview

2

1

2 万

单价 5 万元以上设备 合计 单价 5 万元以下设备 累计 3万 Borland C++ builder 6.0
软件开发系统

附件 4 序号

外委研究经费支出预算表 外委研究任务名称 外委研究任务内容 对光声池以及声压传感器进行初步设 外委研究任务承担单位 经费列支

1

光声池以及声压传感器结构设计

计并进行建模计算,同时研究其测试 方法

大连理工大学

50 万





50 万

附件 5 序 号 /

外委测试化验与加工费预算明细表(量大或价高的外协测试化验与加工项目) 外委测试化验与加工的内容 外委测试化验与加工单位 计量单位 单 价 外委测试化验与加 工费用

单位:万元 经费 列支方式

(万元/单位数量)

其他外协测试化验与加工项目 累计


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