中國(guó)南方電網(wǎng)東莞供電局 彭俊堅(jiān) 廖肇毅 何俊達(dá)

1 前言

目前，隨著我國(guó)電網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展與人民供電需求的提高，電氣裝備的維修工作由傳統(tǒng)的定時(shí)進(jìn)行維修逐步轉(zhuǎn)成狀態(tài)維修。在變壓器絕緣油中，其各類故障氣體、溶解氣體可以給設(shè)備故障檢測(cè)研究、分析等給予更具針對(duì)性、更為具體的數(shù)據(jù)支撐和理論參照，對(duì)于檢測(cè)電氣設(shè)備故障具有重要的意義。目前，檢驗(yàn)變壓器絕緣油故障氣體、溶解氣體的主要方法有氣敏傳感器法、氣相色譜法等，但是因?yàn)樵擃悪z驗(yàn)方式相關(guān)取樣較為復(fù)雜，且長(zhǎng)期穩(wěn)定性也相對(duì)較差，導(dǎo)致所檢測(cè)出來(lái)的光譜、數(shù)據(jù)等與真實(shí)情況存在偏差，難以為故障的檢修提供較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。而激光光聲光譜技術(shù)的靈敏度、精確度、平穩(wěn)性、安全性皆相對(duì)較高，因而成為微量氣體檢測(cè)領(lǐng)域?qū)＜?、學(xué)者的關(guān)注點(diǎn)。

2 激光聲光技術(shù)的概述

2.1 激光聲光技術(shù)的原理

該技術(shù)原理是貝爾在1880年發(fā)現(xiàn)的，其產(chǎn)生原理是：在光線對(duì)物體進(jìn)行照射時(shí)，物體表面吸收光線后所激發(fā)的情況，可以在非輻射的情況下，使物體將其所吸收的光能轉(zhuǎn)換為熱能，光束通過(guò)周期強(qiáng)調(diào)后物體的溫度的變化也呈現(xiàn)出一定的周期性。該原理會(huì)隨著物體的熱脹冷縮、環(huán)境介質(zhì)有關(guān)的壓力而發(fā)生相應(yīng)的改變，在光調(diào)制頻率、光聲信號(hào)頻率間能夠同步時(shí)，光聲信號(hào)是被物質(zhì)本身的熱學(xué)、彈性等方面的特性所決定。

對(duì)于激光光聲光譜技術(shù)而言，其是鑒于光聲原理所得到的技術(shù)，是由于變壓器中的各類故障氣體、壓力間具有相應(yīng)的比例，所以在電磁輻射生成的壓力逐步為檢測(cè)氣體所吸收后，就可對(duì)準(zhǔn)確測(cè)定檢查氣體的濃度情況。在利用激光光聲光譜對(duì)變壓器中的故障氣體進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，其不會(huì)受到吸收光能的大小、反射、散射光等對(duì)外界因素的干擾，因此該技術(shù)對(duì)于檢測(cè)變壓器內(nèi)的故障氣體具有較高的準(zhǔn)確性和靈敏度，并且聲光室的容積較小，在檢測(cè)過(guò)程中可有效提升油氣分離的效率。

激光具有較高的強(qiáng)度、單色性、方向性等優(yōu)勢(shì)，能夠加大光聲光譜儀分析的精準(zhǔn)性與科學(xué)性，參照?qǐng)D2，即典型的波長(zhǎng)覆蓋范圍、激光光源，可以參照紅外光源大致激光器相關(guān)的種類，分A類、B類。在A類激光器中，即氣體半導(dǎo)體激光器、稀土和過(guò)渡金屬摻雜的激光器等。在B類激光器中，即可調(diào)諧近紅外光源。

圖1 光聲光譜分析技術(shù)檢測(cè)氣體的原理圖

圖2 激光光源和典型的波長(zhǎng)覆蓋范圍

2.2 激光聲光技術(shù)的設(shè)備分析

電容式傳聲器是光聲光譜檢測(cè)中最常用的一種傳聲器，其具有頻響范圍廣、靈敏性高、瞬態(tài)特性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，可有效提升檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，因而被廣泛運(yùn)用于聲學(xué)測(cè)量、擴(kuò)音錄音等諸多領(lǐng)域。而電動(dòng)勢(shì)傳聲器的動(dòng)態(tài)范圍較大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能相對(duì)穩(wěn)定，但是其具有更低的靈敏度。

對(duì)于非共振式、共振式而言，其是光聲池的兩大種類。其中，對(duì)于非共振式光聲池而言，其具有更為簡(jiǎn)易的結(jié)構(gòu)，體積較小，所需的造價(jià)不高，更易進(jìn)行儀器化，該類電池可以被應(yīng)用到對(duì)量級(jí)氣體進(jìn)行檢測(cè)。而對(duì)于共振式光聲池而言，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是具有更為理想的頻率、共振強(qiáng)度，也具有更高的靈敏度，所以該類光聲池可以對(duì)氣體本身的連續(xù)流動(dòng)性進(jìn)行檢測(cè)[1]。

圖3 光聲光譜模塊結(jié)構(gòu)圖

3 光聲光譜技術(shù)的氣體檢測(cè)技術(shù)的理論模型

光譜檢測(cè)技術(shù)可以利用光聲信號(hào)精準(zhǔn)檢測(cè)變壓器內(nèi)故障氣體的濃度，從原理上進(jìn)行分類，該技術(shù)有直接檢測(cè)法與間接檢測(cè)法兩種。直接檢測(cè)法是指對(duì)特定氣體的吸收譜類型檢測(cè)氣體的濃度和類型等，但該方法不可對(duì)特征性氣體的發(fā)射進(jìn)行檢測(cè)與分析；間接檢測(cè)法是指通過(guò)間接的方式分析特征氣體的情況，但該方法需要將氣體吸收的光能轉(zhuǎn)變后才可進(jìn)行檢測(cè)。

間接測(cè)量法是激光光聲光譜技術(shù)的起源測(cè)量法，該技術(shù)是把需要進(jìn)行測(cè)試的氣體利用激光進(jìn)行照射，讓受檢氣體通過(guò)吸收光源適當(dāng)能量，并增強(qiáng)其周圍氣體所釋放出來(lái)的能量引發(fā)震動(dòng)，從而生成具有周期性規(guī)律的部分聲波信號(hào)，該信號(hào)即光聲信號(hào)。對(duì)于激光光聲光譜氣體檢測(cè)技術(shù)而言，在氣體逐步經(jīng)過(guò)光聲池后，把物質(zhì)分子吸收的全部光能逐步轉(zhuǎn)成聲音信號(hào)，之后應(yīng)用探測(cè)器對(duì)各類微弱聲音信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，獲得氣體的總濃度[2]。

4 光聲光譜與氣相色譜測(cè)量原理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的常規(guī)對(duì)比

一是激光光聲光譜檢測(cè)技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，且該技術(shù)對(duì)于檢測(cè)變壓器內(nèi)絕緣油的故障氣體的準(zhǔn)確性相對(duì)較高，該系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的光譜檢測(cè)技術(shù)更具可靠性和準(zhǔn)確性。

激光光聲光譜儀器的核心零件，是一種將動(dòng)態(tài)頂空法作為原理的脫氣部件和將光聲光譜技術(shù)作為原理的光譜檢測(cè)部件，當(dāng)需要檢測(cè)的氣體通過(guò)動(dòng)態(tài)頂空進(jìn)行脫氣分離后，將純凈的受檢氣體傳送至聲光室，隨后利用光聲光譜技術(shù)對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)，該系統(tǒng)不需要配備分離部件。

色譜分離模塊、油氣分離模塊的氣體檢測(cè)模塊的性能，直接決定著激光光聲光譜檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)受檢氣體進(jìn)行足粉分離是進(jìn)行激光光聲光譜檢測(cè)的核心技術(shù)，而氣體組成成分的分離度和進(jìn)樣量會(huì)直接影響激光光聲光譜檢測(cè)結(jié)果，各個(gè)氣體成分的分離度越高，激光光聲光譜檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性也會(huì)也高。柱溫的精確要求以及對(duì)高精密氣路切換的要求等極大地增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，致使系統(tǒng)檢測(cè)的可靠性大幅度降低。由此可見，系統(tǒng)部件的復(fù)雜程度、不穩(wěn)定性會(huì)制約光聲光譜檢測(cè)在故障氣體中的運(yùn)用。

二是采用激光光聲光譜的原理技術(shù)較為先進(jìn)，其于未來(lái)檢測(cè)變壓器絕緣油故障氣體具有較為廣闊的前景。并且，利用氣相色譜原理系統(tǒng)早已被廣泛運(yùn)用于各類氣體的檢測(cè)中。前者具有較高的精度和重復(fù)性，可運(yùn)用于變壓器絕緣油故障氣體的檢測(cè)中，后者的精度相對(duì)較弱，因而很有可能被取代。

三是激光光聲光譜檢測(cè)技術(shù)對(duì)于檢測(cè)變壓器絕緣油故障氣體具有高效率，而利用氣相色譜原理系統(tǒng)的效率則明顯低于激光光聲光譜檢測(cè)技術(shù)。前者的最短檢測(cè)周期可以達(dá)到1小時(shí)1次，可最大限度體現(xiàn)線上檢測(cè)故障氣體的意義。

激光光聲光譜系統(tǒng)是利用動(dòng)態(tài)頂空法對(duì)故障氣體進(jìn)行脫氣，進(jìn)而降低絕緣油的取樣量，且脫氣時(shí)間較短，很短的時(shí)間內(nèi)就可完成動(dòng)態(tài)平衡。由于激光光聲光譜系統(tǒng)的測(cè)量最短周期可達(dá)到1小時(shí)1次，能夠有效提升在線檢測(cè)的效率。而以氣相色譜為原理的氣體測(cè)量系統(tǒng)，存在脫氣時(shí)間、平衡時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，導(dǎo)致所測(cè)量的數(shù)據(jù)缺乏及時(shí)性。

四是利用激光光聲光譜檢測(cè)故障氣體的性價(jià)比相對(duì)較高，且激光光聲光譜儀器的維護(hù)方法也相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要對(duì)該設(shè)備進(jìn)行多余的后續(xù)投資，因此激光光聲光譜檢測(cè)技術(shù)的長(zhǎng)期回報(bào)率相對(duì)較高。而氣相色譜檢測(cè)設(shè)備需要花費(fèi)大量的資金進(jìn)行后續(xù)投入，其性價(jià)比明顯低于激光光聲光譜檢測(cè)技術(shù)。其次，激光光聲光譜檢測(cè)設(shè)備的使用壽命長(zhǎng)于氣相色譜檢測(cè)設(shè)備，氣相色譜檢測(cè)設(shè)備需要定期更換重要部件才能正常使用，但大部分類型的氣體的氣相色譜測(cè)量原理的系統(tǒng)的傳感器、色譜柱等關(guān)鍵設(shè)備的使用壽命只有2～4年，但變壓器的平均壽命在30年左右，檢測(cè)設(shè)備的使用年限明顯少于變壓器的使用年限。

五是利用激光光聲光譜技術(shù)對(duì)故障氣體進(jìn)行檢測(cè)，不用對(duì)變壓器中的故障氣體進(jìn)行分析、載氣、標(biāo)氣等操作，而氣相色譜測(cè)量技術(shù)在檢測(cè)時(shí)需要進(jìn)行上述的復(fù)雜操作。激光光聲光譜技術(shù)檢測(cè)流程中缺少色譜柱這一環(huán)節(jié)，因此就不需要擔(dān)心色譜柱出現(xiàn)老化、污染、飽和等問(wèn)題，因此也不用進(jìn)行標(biāo)氣操作。但氣相色譜技術(shù)的核心設(shè)備之一就是光譜柱，利用該技術(shù)對(duì)故障氣體進(jìn)行檢測(cè)需要考慮色譜柱的污染、老化等問(wèn)題，因而要對(duì)帶檢氣體進(jìn)行標(biāo)記，檢測(cè)流程復(fù)雜，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。

另外，激光光聲光譜設(shè)備不需要更換載氣，而氣相色譜需要定期更換載氣，將氣相色譜技術(shù)運(yùn)用于故障氣體的檢測(cè)中，需要提供大量高純度的載氣予以輔助，才可保證待檢氣體能夠順利進(jìn)入色譜柱，氮?dú)?、氦氣等氣體是該技術(shù)常用的載氣，而這兩種氣體的使用年限都在1年以內(nèi)，若故障氣體的檢測(cè)周期較短，載氣的消耗量也相對(duì)較高。載氣的使用年限較短則代表相關(guān)工作人員需要定期更換載氣才能保證檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)的精準(zhǔn)性，因此氣相色譜檢測(cè)技術(shù)的成本也明顯高于激光光聲光譜技術(shù)。

六是聯(lián)合激光光聲光譜技術(shù)的具體應(yīng)用情況發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，因此可被廣泛運(yùn)用于變壓器絕緣油故障氣體的檢測(cè)中[3]。

5 激光聲光譜技術(shù)在絕緣油中氣體檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

5.1 變壓器油中溶解氣體分析技術(shù)

激光聲光譜技術(shù)是一種能夠通過(guò)定性、定量分析變壓器油中的溶解氣體的成分、含量等查詢導(dǎo)致故障氣體產(chǎn)生的原因，并診斷變壓器內(nèi)部是否能進(jìn)行正常工作，并檢查變壓器內(nèi)是否存在故障隱患。其次，該技術(shù)能夠?qū)ψ儔浩鞯姆烹妴?wèn)題、熱性問(wèn)題等進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)的范圍較廣，具有較高的實(shí)用性。

5.2 光聲光譜技術(shù)在絕緣油中氣體檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

變壓器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行可能會(huì)出現(xiàn)異常放電的情況，此時(shí)變壓器內(nèi)部的絕緣油就會(huì)因分解而產(chǎn)生大量故障氣體，當(dāng)故障氣體的密度達(dá)到一定量時(shí)，則可導(dǎo)致變電器內(nèi)出現(xiàn)絕緣事故，致使變壓器不能進(jìn)行正常工作，最終導(dǎo)致整個(gè)機(jī)械設(shè)備不能正常運(yùn)作。目前，光聲光譜法氣體檢測(cè)系統(tǒng)還未于變壓器故障氣體的檢測(cè)中得以普遍使用，傳統(tǒng)的檢測(cè)手段對(duì)色譜柱有較高的要求，且操作的復(fù)雜性較高，其檢測(cè)的精準(zhǔn)性難以得到保證，操作人員難以掌握，無(wú)法讓所有操作人員進(jìn)行故障氣體進(jìn)行反復(fù)檢測(cè)。另外，利用光聲光譜技術(shù)檢測(cè)氣體，能夠重復(fù)利用檢測(cè)設(shè)備，方便研究人員研究故障氣體與變壓器故障之間的聯(lián)系，進(jìn)而對(duì)檢測(cè)設(shè)備、變壓器等進(jìn)行升級(jí)改革，減少變壓器故障的概率，提高檢測(cè)設(shè)備的質(zhì)量。

5.3 利用激光光聲光譜技術(shù)檢測(cè)變壓器絕緣油故障氣體的以待解決的問(wèn)題

一是隨著我國(guó)電網(wǎng)行業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)電網(wǎng)的覆蓋面積也越來(lái)越大，因此對(duì)電網(wǎng)中的各個(gè)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行管理、檢測(cè)也成為諸多研究學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。充油設(shè)備取油樣、油色譜試驗(yàn)是變壓器日常維護(hù)的重要部分。大量的取油樣及色譜試驗(yàn)工作量較大、維護(hù)成本高，尤其取樣成本較高已成為生產(chǎn)單位降本增效亟須解決的問(wèn)題。

二是變電站與實(shí)驗(yàn)室距離較遠(yuǎn)，取樣需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，導(dǎo)致樣本收取后不能及時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)與真實(shí)情況可能存在一定誤差[4]。

6 運(yùn)用實(shí)例

我國(guó)某地的供電局派遣高壓油務(wù)班工作人員對(duì)各個(gè)變電站變壓器中的絕緣油進(jìn)行抽樣，并利用激光光聲光譜技術(shù)檢測(cè)絕緣油中的故障氣體，并將其檢驗(yàn)結(jié)果與氣相色譜儀所檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證激光光聲光譜技術(shù)對(duì)于檢測(cè)變壓器絕緣油中的故障氣體具有較高的穩(wěn)定性，為該技術(shù)的推廣提供大量的數(shù)據(jù)，以供參考，具體情況如下文所述。

一是氫氣、乙炔等特征氣體的含量對(duì)比。對(duì)特性氣體，如氫氣、乙炔等氣體，光聲光譜檢測(cè)技術(shù)與其他基本數(shù)據(jù)成正比關(guān)系，且存在相同的趨勢(shì)。

二是數(shù)據(jù)重復(fù)性驗(yàn)證。對(duì)比光聲光譜測(cè)試儀測(cè)試數(shù)據(jù)重復(fù)性問(wèn)題，高壓油務(wù)班進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。對(duì)于相同油樣，儀器所測(cè)多次數(shù)據(jù)重復(fù)性良好。

三是降本增效明顯。本單位對(duì)旗下的2個(gè)500kV的變電站使用了光聲光譜技術(shù)，通過(guò)檢測(cè)后，絕緣油的維護(hù)成本得以有效降低，且光聲光譜的便攜性也相對(duì)較高，能夠?qū)收蠚怏w進(jìn)行跟蹤檢測(cè)與常規(guī)檢測(cè)，通過(guò)計(jì)算得知，變壓器的檢測(cè)成本比之前降低25%，同時(shí)將跟蹤監(jiān)測(cè)成本占總油樣色譜試驗(yàn)總成本的比例也由原來(lái)的20%，下降到10%。

7 總結(jié)

實(shí)踐證明，激光光聲光譜技術(shù)對(duì)于檢測(cè)變壓器絕緣油的故障氣體具有較高的靈敏度和準(zhǔn)確性，可為變壓器檢查、修理、保養(yǎng)提供具有真實(shí)意義的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，從而有效提升維修管理人員對(duì)于變壓器的維修效率、保養(yǎng)效率、管理效率，對(duì)于保障電網(wǎng)的供電效率，防止供電故障的出現(xiàn)具有重要意義。因此，要對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行更新，運(yùn)用激光光聲光譜技術(shù)，以保證電網(wǎng)能夠安全穩(wěn)定地進(jìn)行供電。