高樹國(guó) ,秦九渠 ,劉 偉 ,杜黎明

(1.河北省電力研究院,石家莊 050021;2.許昌供電公司,河南 許昌 461000)

絕緣油溶解氣體檢測(cè)是有效診斷油浸式變壓器故障的手段之一。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生過(guò)熱、放電等故障時(shí),將導(dǎo)致故障附近的絕緣油分解,分解產(chǎn)生的氣體會(huì)不斷地溶解于油中,不同性質(zhì)的故障所產(chǎn)生的特征氣體不同,即使同一性質(zhì)的故障,由于故障的程度不同,產(chǎn)生的氣體含量也不相等,因此,對(duì)油中溶解氣體的色譜進(jìn)行分析,可以及早發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部潛伏性故障的性質(zhì)、程度和部位,以便及時(shí)處理故障,避免事故的發(fā)生。目前,檢測(cè)變壓器油中溶解氣體的常用方法是氣相色譜法,但此方法試驗(yàn)環(huán)節(jié)多、操作手續(xù)繁瑣、檢測(cè)周期長(zhǎng),不適用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。光聲光譜法是檢測(cè)變壓器油中溶解氣體和微水的一種新技術(shù),可完成現(xiàn)場(chǎng)或在線檢測(cè),與傳統(tǒng)氣相色譜技術(shù)相比具有操作容易、穩(wěn)定性強(qiáng)、檢測(cè)周期短等優(yōu)點(diǎn)。以下介紹英國(guó)凱爾曼公司研制的基于光聲光譜法的便攜式變壓器油中溶解氣體分析儀的原理、應(yīng)用情況,及其優(yōu)缺點(diǎn)。

1 光聲光譜法檢測(cè)變壓器油溶解氣體原理

1.1 光聲效應(yīng)

光聲光譜技術(shù)是基于光聲效應(yīng)的一種光譜檢測(cè)技術(shù)。光聲效應(yīng)是指當(dāng)氣體吸收特定波長(zhǎng)的調(diào)制光(調(diào)制頻率在聲波范圍內(nèi))光子,處于激發(fā)態(tài),此時(shí)樣品氣體通過(guò)分子間碰撞以熱的方式釋放吸收的能量,使氣體受熱(具有周期性),受熱氣體膨脹產(chǎn)生熱聲波(頻率與調(diào)制光源頻率相同)。

1.2 光聲光譜法檢測(cè)氣體濃度的原理

氣體分子吸收特定波長(zhǎng)的入射光后由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài),一部分處于激發(fā)態(tài)的分子與處于基態(tài)的分子相碰撞,這樣氣體吸收的光能通過(guò)無(wú)輻射弛豫過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)榕鲎卜肿又g的平移動(dòng)能,氣體溫度隨之升高。在氣體體積一定的條件下,溫度升高,氣體壓力會(huì)增大。如果對(duì)光源的頻率進(jìn)行調(diào)制,氣體溫度便會(huì)呈現(xiàn)出與調(diào)制頻率相同的周期性變化,壓強(qiáng)也隨之周期性變化,利用微音器可以感應(yīng)這一變化,并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。

氣體無(wú)輻射弛豫傳能過(guò)程所需時(shí)間,取決于氣體各組成部分的物理、化學(xué)特性。一般處于激發(fā)態(tài)氣體分子的振動(dòng)動(dòng)能經(jīng)無(wú)輻射弛豫轉(zhuǎn)變?yōu)榕鲎卜肿又g平動(dòng)動(dòng)能的時(shí)間較為短暫,遠(yuǎn)低于光的調(diào)制周期,因此可近似認(rèn)為傳能過(guò)程瞬間完成。此時(shí),光聲信號(hào)的相位與光的調(diào)制相位相同,而光聲信號(hào)的強(qiáng)度與氣體的體積分?jǐn)?shù)及光的強(qiáng)度成正比。在光的強(qiáng)度一定時(shí),根據(jù)光聲信號(hào)強(qiáng)度可以定量分析出氣體的體積分?jǐn)?shù)。

1.3 基于光聲光譜法氣體分析儀的工作原理

將光聲光譜法應(yīng)用于檢測(cè)變壓器油溶解氣體,需要解決2個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:確定每種氣體特定的分子吸收光譜,從而可對(duì)紅外光源進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制,使其能夠激發(fā)某一特定氣體分子;確定氣體吸收能量后退激產(chǎn)生的壓力波強(qiáng)度與氣體濃度間的比例關(guān)系。通過(guò)選取適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng),并結(jié)合檢測(cè)壓力波的強(qiáng)度,不僅可驗(yàn)證某種氣體是否存在,還可以確定其濃度。英國(guó)凱爾曼公司的T ransport-X 型便攜式油中溶解氣體分析儀正是在成功解決上述2個(gè)問(wèn)題的基礎(chǔ)上基于光聲效應(yīng)研發(fā)的產(chǎn)品,其工作原理為:儀器內(nèi)裝有作為光源的燈絲,它能提供包括紅外譜帶在內(nèi)的寬帶輻射,采用拋物面反射鏡聚焦后進(jìn)入光聲光譜測(cè)量模塊,模塊中的調(diào)制盤以恒定速率轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生頻閃效應(yīng),以實(shí)現(xiàn)對(duì)光源頻率的調(diào)制。

在入射至光聲室之前,紅外輻射需透過(guò)一系列濾光片。不同的濾光片僅允許透射與某種分子光譜波長(zhǎng)一致的光,以便激發(fā)某種化合物分子。當(dāng)氣態(tài)樣品注入光聲室后,氣體樣品經(jīng)透射過(guò)各濾光片的入射光照射后,被激發(fā)而產(chǎn)生壓力波,由微音器檢測(cè)相應(yīng)數(shù)值并記錄,該值代表樣品中所含特征氣體的濃度值。

通過(guò)注射器將采到的油樣注入儀器頂空分析器的樣品瓶后,儀器開始對(duì)油樣進(jìn)行電磁攪動(dòng)使其中的溶解氣體不斷蒸發(fā),同時(shí)使頂空內(nèi)的氣體在氣路內(nèi)循環(huán)。當(dāng)氣液相濃度達(dá)到平衡狀態(tài),儀器內(nèi)的光聲光譜測(cè)量模塊根據(jù)上述原理對(duì)頂空內(nèi)的氣樣進(jìn)行分析,并將最終得到的各氣體濃度結(jié)果顯示出來(lái)。

2 檢測(cè)實(shí)例

為了診斷某變壓器的故障,以每月一次的周期,對(duì)該變壓器油中的氣體含量進(jìn)行跟蹤檢測(cè)。每次采用同樣采樣方法在同一位置取2瓶油樣,一瓶利用ransport-X 型便攜式油中溶解氣體分析儀,在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)光聲光譜進(jìn)行檢測(cè),另一瓶則在1 h內(nèi)送到實(shí)驗(yàn)室使用惠普5890氣相色譜分析儀,通過(guò)氣相色譜分析進(jìn)行檢測(cè)。表1為利用光聲光譜法和氣相色譜法連續(xù)3次的檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比。

從對(duì)比結(jié)果可以看出,2種方法的測(cè)量結(jié)果比較接近,而且檢測(cè)出的油中溶解氣體的發(fā)展趨勢(shì)一致,而且采用三比值法的診斷結(jié)果相同,說(shuō)明采用T ransport X 型便攜式油中溶解氣體分析儀對(duì)油中溶解氣體含量進(jìn)行異常診斷是可行的。

表1 光聲光譜法和氣相色譜法檢測(cè)出的油中氣體含量比較 μL/L

3 光聲光譜法的優(yōu)缺點(diǎn)分析

3.1 優(yōu)點(diǎn)

a.測(cè)量更加方便快捷,油中氣體含量是分析設(shè)備故障的關(guān)鍵信息,當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)突發(fā)故障時(shí),技術(shù)人員往往希望在現(xiàn)場(chǎng)馬上得到結(jié)果。氣相色譜分析儀必須將油樣取回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試,中間環(huán)節(jié)較多,油中氣體容易溢散,測(cè)試過(guò)程本身也很長(zhǎng)(一個(gè)油樣需要近2 h),不能盡快得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果;而便攜式光聲光譜儀可以帶至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試,節(jié)省了送檢所浪費(fèi)的時(shí)間,而且測(cè)試一個(gè)油樣只需0.5 h。

b.為非接觸性測(cè)量,不耗費(fèi)氣體。氣相色譜儀在測(cè)量過(guò)程中需要載氣、耗氣,加大了試驗(yàn)誤差。

c.重復(fù)性好。傳統(tǒng)氣相色譜儀器對(duì)人員操作水平等要求很高,測(cè)試結(jié)果分散性較大,不同儀器或同一儀器不同試驗(yàn)人員對(duì)同一個(gè)油樣的測(cè)試結(jié)果,一般均會(huì)略有差別。而該儀器測(cè)試過(guò)程沒(méi)有人工干預(yù),消除了人員操作的差異,對(duì)測(cè)試人員要求低,測(cè)試結(jié)果重復(fù)性好。

d.儀器長(zhǎng)期使用,各器件的性能穩(wěn)定,無(wú)須校準(zhǔn)和標(biāo)定。

e.可以對(duì)某些混合物或化合物做定性、定量分析。

3.2 缺點(diǎn)

a.作為一種檢測(cè)油中溶解氣體的新方法,光聲光譜法還不盡成熟;而氣相色譜法是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采用的唯一分析油中溶解氣體的測(cè)試方法,是一種成熟的檢測(cè)手段,有大量可以依據(jù)的案例和標(biāo)準(zhǔn)。

b.光聲光譜法儀器的靈敏度不及氣相色譜法儀器,所以在需要精確測(cè)量時(shí),應(yīng)選擇氣相色譜法。

4 結(jié)論及建議

基于光聲光譜法的氣體分析儀器具有較高的準(zhǔn)確度,可以準(zhǔn)確的檢測(cè)出油中含氣量的發(fā)展趨勢(shì),而且其攜帶方便、操作簡(jiǎn)單,可以廣泛應(yīng)用于變壓器的狀態(tài)巡檢。但由于目前光聲光譜法尚沒(méi)有通用標(biāo)準(zhǔn),因此在氣相色譜法和光聲光譜法的檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生矛盾或者需要精確測(cè)量時(shí),應(yīng)當(dāng)以氣相色譜法為準(zhǔn)。另外,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的油色譜最低檢測(cè)濃度及2種儀器的最低檢測(cè)濃度對(duì)比來(lái)看,便攜式光聲光譜儀可以用在變壓器的運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷,但在出廠或交接試驗(yàn)時(shí),應(yīng)采取氣相色譜法。

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