閆智鵬,高耀文,王 璇
(1.國網(wǎng)山西省電力公司,山西 太原 030001;2.山西省煤礦機(jī)械制造有限責(zé)任公司,山西 太原 030001;3.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院,山西 太原 030001)
變壓器是電網(wǎng)系統(tǒng)的核心設(shè)備之一,它的運行狀態(tài)對系統(tǒng)安全具有重要影響。隨著對變壓器運行維護(hù)要求的不斷提高,變壓器故障在線診斷技術(shù)的研究工作得到了越來越多的關(guān)注。
變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一,其安全運行狀態(tài)直接關(guān)系到系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。油浸式電力變壓器在正常運行中和發(fā)生故障后,在熱、電的作用下,其絕緣油及有機(jī)絕緣材料會分解出H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO 和 CO2等氣體,這些氣體可用于判斷故障類型及故障部位[1]。對特定油中溶解氣體進(jìn)行定性、定量分析,可以直觀、高效地預(yù)判出電力變壓器的潛伏故障。
光聲光譜技術(shù)是基于光聲效應(yīng)來檢測吸收物體積分?jǐn)?shù)的一種光譜技術(shù)。該技術(shù)的優(yōu)勢有以下幾個方面。
a)可實現(xiàn)非接觸性檢測,對氣體無消耗。
b)無需分離氣體,不同氣體的成分和含量可直接通過光譜分析確定。
c)各器件的性能穩(wěn)定,可實現(xiàn)在長期使用中免維護(hù)。
d)能夠?qū)怏w吸收光能的大小進(jìn)行直接測量,且比傅里葉紅外光譜技術(shù)靈敏度更高。
e)測量的精度高、范圍廣,同時檢測速度快,具有重復(fù)性和再現(xiàn)性。
一般情況下,多數(shù)氣體分子的無輻射躍遷主要處于紅外波段,因而光聲光譜技術(shù)對氣體的定性、定量分析是通過氣體對相應(yīng)于特征吸收峰的特定波長紅外光吸收量的測量來實現(xiàn)的。
在特定波長紅外光的照射下,氣體分子由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài),由于處于激發(fā)態(tài)的分子與處于基態(tài)的分子相互碰撞,經(jīng)過無輻射弛豫過程,氣體吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿娱g的動能,進(jìn)而增強(qiáng)分子間的碰撞,造成氣體溫度的升高。在氣體體積一定的條件下,氣體壓力隨著溫度的升高而增大。如果對光源的頻率進(jìn)行調(diào)制,分子動能便會隨調(diào)制頻率發(fā)生同樣的周期性變化,從而引發(fā)氣體溫度和壓強(qiáng)也隨之周期性變化。在此過程中會產(chǎn)生周期性變化的壓力波,可以利用微音器對其進(jìn)行感應(yīng),并以電信號的模式輸出。氣體無輻射弛豫傳能過程所需時間決定于氣體各組成部分的化學(xué)和物理性質(zhì)。氣體分子由激發(fā)態(tài)的振動動能經(jīng)無輻射弛豫轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿优鲎驳钠絼觿幽艿臅r間遠(yuǎn)小于光的調(diào)制周期,所以一般不考慮傳能過程所用的時間。此時,光的調(diào)制相位即為光聲信號的相位,光聲信號強(qiáng)度同氣體的體積分?jǐn)?shù)及光的強(qiáng)度成正比。當(dāng)光的強(qiáng)度一定,氣體的體積分?jǐn)?shù)可由分析光聲信號的強(qiáng)度得出[2]。在故障氣體的分子紅外吸收光譜中,有不同化合物分子特征譜線交疊重合的現(xiàn)象,因此應(yīng)選擇相對獨立的特征頻譜區(qū)域,從而避免檢測過程中不同氣體間發(fā)生干擾,以滿足檢測要求。
如圖1所示,為光聲光譜技術(shù)應(yīng)用于在線監(jiān)測裝置中的原理,通過拋物面反射鏡將光源聚焦形成入射光。入射光的頻率通過轉(zhuǎn)動速率恒定的調(diào)制盤后,其頻率得到調(diào)制,然后通過一組濾光片,設(shè)定某一特定波長,實現(xiàn)分光功能,并同光聲室內(nèi)某特定氣體的吸收波長相對應(yīng)。波長經(jīng)過調(diào)制后的紅外線,在聲光室內(nèi)對某特定氣體分子以調(diào)制頻率進(jìn)行反復(fù)激發(fā)。氣體分子被激發(fā)后,以輻射或非輻射的方式回到基態(tài)。就非輻射馳豫過程而言,分子動能體系能量轉(zhuǎn)化結(jié)果為分子動能,從而導(dǎo)致局部氣體溫度升高,在密閉光聲室內(nèi)引發(fā)周期性機(jī)械壓力波,隨后由微音器對其進(jìn)行檢測。在此原理過程中,調(diào)制頻率確定了光吸收激發(fā)的聲波頻率,可吸收該窄帶光譜的特征氣體的體積分?jǐn)?shù)體現(xiàn)于聲波的強(qiáng)度,因此,通過明確氣體體積與聲波強(qiáng)度的定量關(guān)系,就可以得出氣池中各氣體準(zhǔn)確的體積分?jǐn)?shù)。在上述過程中,通過更換不同濾光片,就可以明確光聲室內(nèi)氣體的種類以及相應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)。
光聲光譜法實現(xiàn)變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測的技術(shù)關(guān)鍵在于研制光聲光譜檢測單元、研制油氣分離單元和現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。
光聲光譜檢測單元的技術(shù)關(guān)鍵包括:高靈敏度、低噪聲聲波傳感技術(shù)、紅外熱輻射光源研究、光聲池設(shè)計、光聲信號相關(guān)檢測技術(shù)、多種氣體分析物理數(shù)學(xué)模型及快速在線計算方法、微量乙炔和氫氣的檢測。
圖1 光聲光譜在線監(jiān)測裝置原理簡圖
現(xiàn)場監(jiān)測中,每一種氣體分子均有其吸收峰值,不同的氣體的吸收峰值不同,造成在某些區(qū)域有重疊吸收峰值,導(dǎo)致用該波段的光分析氣體時會發(fā)生氣體間的交叉影響。選取吸收峰值應(yīng)盡量避免有重疊的吸收峰值,盡量與水也分開,避免造成交叉影響。
根據(jù)光聲光譜法的檢測原理,基于光聲光譜法的變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由油氣分離模塊、光聲模塊、信號處理模塊、油路及氣路系統(tǒng)、單片機(jī)控制模塊、計算機(jī)通信及故障診斷模塊等構(gòu)成。
某文獻(xiàn)給出了4種設(shè)計方案,這4種系統(tǒng)具有共同的運作流程,即首先從變壓器中提取少量油樣,流入到油氣分離室內(nèi),經(jīng)過油氣分離處理后將分離出來的氣體導(dǎo)入到光聲腔內(nèi);同時,在氣體循環(huán)泵的循環(huán)抽動下,使得故障氣體在光聲腔與油氣分離室間循環(huán)流動;用微音器監(jiān)測故障氣體里的各種氣體成分的含量,微音器監(jiān)測到的信號首先經(jīng)過差分放大處理后再輸入到鎖相放大器里進(jìn)行鎖相放大,從噪聲中提取出微弱的有用信號,然后將信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡輸入到計算機(jī)中去,進(jìn)一步對故障的類型進(jìn)行診斷。4種系統(tǒng)的區(qū)分就在于光聲模塊的不同,如圖2所示為現(xiàn)常用的基于光聲光譜法的變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。
圖2 基于光聲光譜法的變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖
某文獻(xiàn)給出了1種油氣分離裝置的結(jié)構(gòu)示意圖,如圖3所示。該油氣分離裝置的基本工作過程為首先抽真空,關(guān)閉注油閥,關(guān)閉回油閥和回油泵,開啟氣體止回閥1和2,同時關(guān)閉電磁閥1,開啟電磁閥2,啟動真空泵,開始抽取氣體排出到外界空氣中去,形成一個負(fù)壓的環(huán)境。第二,注油,關(guān)閉回油泵和回油止回閥以及氣體止回閥,開啟注油閥,向油氣分離室中注油,同時經(jīng)過流量控制器進(jìn)行計量,當(dāng)注入的油量達(dá)到一定量時,關(guān)閉注油電磁閥,作為油位高度的后備保護(hù),工作人員還在油氣分離室1/3高度處設(shè)置有油位液面?zhèn)鞲衅?,?dāng)油位高度達(dá)到時,將觸發(fā)傳感器,強(qiáng)制關(guān)閉注油電磁閥,停止注油。第三,振蕩脫氣,啟動超聲振蕩器,氣體止回閥1和2,開啟電磁閥1,關(guān)閉電磁閥2,啟動真空泵(用作氣體循環(huán)泵),同時將脫出的氣體輸入到被檢測光聲腔內(nèi)。第四,回油,當(dāng)脫氣檢測完畢時,關(guān)閉氣體止回閥1和2,關(guān)閉真空泵,關(guān)閉超聲換能器,開啟回油閥,開啟回油泵,將已經(jīng)脫氣完畢的油注回到變壓器中去?;赜屯戤吅螅拖喈?dāng)于一次脫氣過程完畢。質(zhì)量控制閥可以控制氣體的流量速度,為了更好地滿足光聲腔對該氣體的檢測效果,一般將氣流速度限制為20 mL/min。
光聲光譜監(jiān)測系統(tǒng)中,光聲池作為光聲信號的信號源,是系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分,其特性很大程度上決定了系統(tǒng)的分辨力、信噪比和檢測極限等關(guān)鍵性能。不同形式的光聲池具有不同的特點[3]。
a)非諧振氣體光聲池。如果入射光均勻地分布于整個光聲腔中,調(diào)制頻率ω低于腔體的最低階的簡正頻率時,光聲池就工作在非諧振狀態(tài),這時池內(nèi)的光聲信號幾乎是同相的。非諧振式氣體光聲池結(jié)構(gòu)簡單,體積較小,調(diào)制頻率低,在儀器小型化時具有自己的優(yōu)勢,但信噪比較低,且不能對流動狀態(tài)的試樣進(jìn)行檢測。
圖3 油氣分離裝置結(jié)構(gòu)示意圖
b)諧振氣體光聲池。當(dāng)入射光的調(diào)制頻率ω正好等于光聲腔的某一諧振頻率時,光聲池工作在此諧振模式。諧振式光聲池的原理是聲波在腔體中傳輸,通過調(diào)制光源照射頻率使其與聲波在腔室中傳播的本征頻率重合形成共振,這樣可以將光聲信號進(jìn)行共振放大。
在諧振光聲池中,對聲波進(jìn)行放大可以采用兩種方式。一種是基于赫姆霍茲(Helmholtz)共振原理,使用共振腔放大光聲效應(yīng)激發(fā)出的聲波;基于Helmholtz共振原理設(shè)計的光聲池稱為Helmholtz光聲池,它一般由一根細(xì)長圓柱形管道連接2個不同體積的空腔組成。Helmholtz光聲池工作時,光束透過下端空腔端面的窗口片入射到空腔中,以激發(fā)起光聲效應(yīng),而微音器則安裝于上端空腔,以檢測氣體的壓力變化。Helmholtz光聲池的主要優(yōu)點是,只要簡單地改變管道的面積和長度,共振頻率便有相當(dāng)大的變化,適當(dāng)?shù)卦O(shè)計管道的大小,即可獲得總氣體體積較小而品質(zhì)因數(shù)Q值相當(dāng)高的共振條件。由于管道中氣體振子的擺動幅度很小,Helmholtz光聲池對光聲信號的放大能力有限。
另一種放大聲波的方式是通過合理設(shè)計光聲池,使光聲效應(yīng)產(chǎn)生的聲波在光聲池中形成駐波,利用駐波放大作用使光聲信號得到共振增強(qiáng),在此稱這類光聲池為空腔式光聲池。空腔式共振光聲池具有以下幾方面優(yōu)點。
a)光聲池的共振頻率一般在1 kHz以上,因此,隨著光聲池共振頻率的升高,系統(tǒng)的低頻噪聲將顯著降低。
b)聲場在光聲池中呈簡正模式分布,因而可以將氣體的進(jìn)出口設(shè)置在聲波波節(jié)處,以減弱氣體流動對聲場的干擾,這就解決了非共振光聲池不能檢測流動氣體的問題。
c)利用光強(qiáng)分布I(r,ω)和簡正模式Pj(r)之間的耦合關(guān)系,可以增強(qiáng)光聲信號并抑制噪聲信號,從而提高系統(tǒng)的信噪比。
鎖相放大器的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示,包括信號通道、參考通道、相敏檢測器 PSD(Phase-sensitive Detection) 和低通濾波器 LPF(Low-pass Filter) 等。
信號通道由低噪聲前置放大器、各種特性的無源或有源濾波器、寬帶放大器等部分組成,它的作用是對調(diào)制正弦信號輸入進(jìn)行交流放大,形成信號x(t),將微弱信號放大到足以推動相敏檢測器工作的電壓的有效值,并且濾除部分干擾和噪聲,以提高PSD的動態(tài)范圍。參考通道是鎖相放大器區(qū)別于一般放大器的一個重要組成部分,它的主要作用是對參考輸入信號進(jìn)行放大或衰減,形成信號r(t),為PSD器提取被測信號的頻率特征提供一個適合幅度的與被測信號頻率相關(guān)(同步)的信號。參考輸入信號一般是等幅正弦信號或方波開關(guān)信號,它可以是從外部輸入的某種周期信號,也可以是系統(tǒng)內(nèi)原來用于調(diào)制的載波信號或用于斬波的信號。PSD又稱相關(guān)解調(diào)器,它是鎖相放大器的核心單元。PSD是基于相關(guān)檢測原理,利用噪聲信號與周期信號不存在相關(guān)性的特點,通過直接計算待檢信號與參考信號在零點的相關(guān)值的方法來抑制噪聲并提取有效信號。在原理上,PSD相當(dāng)于一個乘法器和積分器的組合。LPF的主要作用是改善鎖相放大器的信噪比,其時間常數(shù)越大,鎖相放大器的通頻帶寬越窄,抑制噪聲的能力越強(qiáng)。
圖4 鎖相放大器結(jié)構(gòu)示意圖
光聲光譜法是通過檢測氣體分子對激光光子能量的吸收來定量分析氣體濃度的,它屬于測量吸收的氣體分析方法,如將光聲光譜法應(yīng)用于變壓器油中氣體含量在線監(jiān)測,檢測靈敏度高,需要的氣樣極少,從而大大地減少油氣分離時間,縮短了測量周期,測量精度更高,無需任何載氣,方便設(shè)備的維護(hù);同時,無需定期標(biāo)定,無需預(yù)熱,檢測時間快,穩(wěn)定性好,使用壽命長。從這些特點看出,光聲光譜法更適合應(yīng)用于變壓器油中溶解氣體含量在線監(jiān)測系統(tǒng)。因此,對于基于光聲光譜法的變壓器油中氣體含量在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究,對變壓器絕緣故障診斷技術(shù)可以提供更可靠的診斷數(shù)據(jù)。
[1] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件.GB/T 7252-2001 變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001:3-4.
[2] 劉先勇,周方潔,胡勁松,等.光聲光譜在油中氣體分析中的應(yīng)用前景[J].變壓器,2004,41(7):30-33.
[3] 李憲棟,肖明,劉定友,等.光聲光譜變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)在小浪底水電廠的應(yīng)用[J].變壓器,2008,45(3):45-48.