電力變壓器的光聲光譜油色譜在線監(jiān)測(cè)

1、 電力變壓器的光聲光譜油色譜在線監(jiān)測(cè)摘要：本文介紹了電力變壓器光聲光譜和油色譜兩種在線監(jiān)測(cè)技術(shù)原理，并介紹了這兩種在線監(jiān)測(cè)技術(shù)相關(guān)的診斷方法，關(guān)鍵詞：變壓器 油色譜 光聲光譜 在線監(jiān)測(cè) 0 引言變壓器是電網(wǎng)系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，它的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)安全具有重要影響。隨著對(duì)變壓器運(yùn)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。近年來，隨著電力變壓器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)得到迅速發(fā)展，加上計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)使得電力變壓器檢測(cè)數(shù)據(jù)可以及時(shí)的處理與傳輸，并得到實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，令在線監(jiān)測(cè)技術(shù)成功應(yīng)用于實(shí)際的工程中去。然而，由于檢測(cè)技術(shù)尚有一定的局限性，以及電力變壓器內(nèi)部故障存在的復(fù)

2、雜性，當(dāng)前應(yīng)用中的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性仍顯不足。本文著重分析了電力變壓器的光聲光譜和油色譜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，闡述了兩種技術(shù)的原理，以及相應(yīng)的診斷方法等。1 兩種在線監(jiān)測(cè)技術(shù)原理變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一 ，其安全運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。油浸電力變壓器在正常運(yùn)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(huì)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。對(duì)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。1.1 電力變壓器光聲光譜在線監(jiān)測(cè)原理1.1.1 光聲光譜技術(shù)光聲光譜(P

3、hoto-acoustic spectrometry) 技術(shù)是基于光聲效應(yīng)來檢測(cè)吸收物體積分?jǐn)?shù)的一種光譜技術(shù)。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)為：可實(shí)現(xiàn)非接觸性檢測(cè)，對(duì)氣體無消耗；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；各器件的性能穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)在長(zhǎng)期使用中免維護(hù)；能夠?qū)怏w吸收光能的大小進(jìn)行直接測(cè)量，且比傅里葉紅外光譜技術(shù)靈敏度更高；測(cè)量的精度高，范圍廣，同時(shí)檢測(cè)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(duì)氣體的定性定量分析，是通過對(duì)氣體對(duì)相應(yīng)于特征吸收峰的特定波長(zhǎng)紅外光的吸收量的測(cè)量來實(shí)現(xiàn)的。1.1.2 光聲光譜應(yīng)用于油中溶解氣體檢測(cè)在特

4、定波長(zhǎng)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(dòng)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(duì)光源的頻率進(jìn)行調(diào)制，分子動(dòng)能便會(huì)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(huì)產(chǎn)生周期性變化的壓力波，可以利用微音器對(duì)其進(jìn)行感應(yīng)，并以電信號(hào)的模式輸出。氣體無輻射弛豫傳能過程所需時(shí)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(dòng)動(dòng)能經(jīng)無輻射弛豫轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿优鲎驳钠絼?dòng)動(dòng)能的時(shí)間，遠(yuǎn)小于光的調(diào)制周期，

5、所以一般不考慮傳能過程所用的時(shí)間。此時(shí)，光的調(diào)制相位即為光聲信號(hào)的相位，光聲信號(hào)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(hào)的強(qiáng)度得出。在故障氣體的分子紅外吸收光譜中(圖1)，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(duì)獨(dú)立的特征頻譜區(qū)域，從而避免檢測(cè)過程中不同氣體間發(fā)生干擾，以滿足檢測(cè)要求。圖1 故障氣體分子紅外吸收光譜圖1.1.3 在線監(jiān)測(cè)單元工作原理圖2演示了光聲光譜技術(shù)應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)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(dòng)速率恒定的調(diào)制盤后，其頻率得到調(diào)制，然后由一組濾光片進(jìn)行分光，只有某一特定波長(zhǎng)可以

6、通過，濾光片的允許通過波長(zhǎng)，同光聲室內(nèi)某特定氣體的吸收波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。波長(zhǎng)經(jīng)過調(diào)制后的紅外線，在聲光室內(nèi)對(duì)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(dòng)能體系能量轉(zhuǎn)化結(jié)果為分子動(dòng)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(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。在此原理過程中，調(diào)制頻率確定了光吸收激發(fā)的聲波的頻率，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

7、積份數(shù)。圖2 光聲光譜在線監(jiān)測(cè)裝置原理簡(jiǎn)圖1.2 電力變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)原理分析電力變壓器絕緣油中溶解氣體的組分含量，是大型變壓器故障診斷的最有效的方法之一。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室油色譜分析有周期長(zhǎng)、從取樣到運(yùn)送測(cè)量環(huán)節(jié)多等缺點(diǎn)，而在線監(jiān)測(cè)技術(shù)很好地彌補(bǔ)了這個(gè)缺點(diǎn)，能夠在線持續(xù)地測(cè)量變壓器油中的氣體情況、長(zhǎng)期儲(chǔ)存測(cè)量結(jié)果、提供變壓器某一時(shí)間段的油中氣體的趨勢(shì)，對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器潛伏性故障,避免發(fā)生電力系統(tǒng)重大事故有重要作用。目前，國內(nèi)外生產(chǎn)的變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)設(shè)備大體分為2類：一種是監(jiān)測(cè)某種單獨(dú)氣體或以某種氣體為主的幾種氣體綜合濃度的單組分油色譜在線監(jiān)測(cè)設(shè)備；一種是測(cè)量油中多種氣體的多組分油色譜在線

8、監(jiān)測(cè)設(shè)備。1.2.1 色譜簡(jiǎn)介色譜是一種分離技術(shù)，當(dāng)這種分離技術(shù)應(yīng)用于分析化學(xué)領(lǐng)域中，就是色譜分析。它的分離原理是使混合物中各組分在兩相間進(jìn)行分配，其中一相是不動(dòng)的，叫做固定相；另一相則是推動(dòng)混合物流過固定相的流體，叫做流動(dòng)相。當(dāng)流動(dòng)相中所含有的混合物經(jīng)過固定相時(shí)，就會(huì)與固定相發(fā)生相互作用。由于各組分在性質(zhì)與結(jié)構(gòu)上的不同，相互作用的大小強(qiáng)弱也有差異。因此在同一推動(dòng)力的作用下不同組分在固定相中的滯留時(shí)間有長(zhǎng)有短，從而按先后不同的次序從固定相中流出。這種借在兩相分配原理而使混合物中各組分獲得分離的技術(shù)，稱為色譜分離技術(shù)或色譜法。色譜法有許多化學(xué)分析法無可與之比擬的優(yōu)點(diǎn)： （1） 選擇性好，分離效能

9、高。 （2） 速度快。用幾分鐘或幾十分鐘就可完成一項(xiàng)含有幾個(gè)或幾十個(gè)組分的樣品分析； （3） 樣品用量少。對(duì)氣體樣品一般只須 13ml 甚至更少，即可完成一個(gè)全分析； （4） 靈敏度高。通常樣品中有十萬分之幾或百萬分之幾的雜質(zhì)也能很容易地鑒別出來； （5） 適用范圍廣。 作為色譜流動(dòng)相的有氣體或液體。當(dāng)用液體為流動(dòng)相時(shí)，稱為液相色譜：當(dāng)用氣體為流動(dòng)相時(shí)，稱為氣相色譜。對(duì)色譜固定相而言，也有兩種狀態(tài)：即固體吸附劑和在固體擔(dān)體上載有液體的固定相。綜合兩相的狀態(tài)，可把色譜進(jìn)一步分為四類：氣固色譜、氣液色譜、液液色譜、液固色譜。11.2.1.2.11.2.2 氣相色譜法氣相色譜法是目前多組分在線監(jiān)測(cè)設(shè)

10、備中最常用的氣體檢測(cè)方法，也是目前發(fā)展最為成熟的方法。它與實(shí)驗(yàn)室油色譜原理相同，通過色譜柱中的固定相對(duì)不同氣體組分的親和力不同，在載氣推動(dòng)下，經(jīng)過充分的交換，不同組分得到了分離；分離后的氣體通過檢測(cè)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)A/D采集后獲得氣體組分的色譜出峰圖，根據(jù)組分峰高或面積進(jìn)行濃度定量。目前常用的經(jīng)分離的混合氣體進(jìn)行氣體含量檢測(cè)的傳感器主要有熱導(dǎo)式傳感器（TCD）、氫焰離子化傳感器（FID）和半導(dǎo)體傳感器等。在這幾種傳感器中，F(xiàn)ID傳感器由于需要?dú)錃庾鳛檩d氣，在線設(shè)備安裝現(xiàn)場(chǎng)條件很難滿足，故很少采用。因此，目前在線監(jiān)測(cè)設(shè)備較常采用的是TCD和半導(dǎo)體傳感器。在TCD傳感器和半導(dǎo)體傳感器中，TCD傳感

11、器測(cè)量精度較半導(dǎo)體傳感器低，但測(cè)量的線性度卻比半導(dǎo)體傳感器好，檢測(cè)速度也較半導(dǎo)體傳感器快。2 兩種在線監(jiān)測(cè)技術(shù)診斷方法122.1 光聲光譜在線監(jiān)測(cè)診斷方法2.1.1 基于光聲光譜法的變壓器在線檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)光聲光譜法的檢測(cè)原理，基于光聲光譜法的變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由油氣分離模塊，光聲模塊，信號(hào)處理模塊，油路及氣路系統(tǒng)，PLC 控制模塊，計(jì)算機(jī)通信及故障診斷模塊等構(gòu)成。文獻(xiàn)3給出了4種設(shè)計(jì)方案。這四套系統(tǒng)具有共同的運(yùn)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)，然后經(jīng)過油氣分離室的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(shí)在氣體循環(huán)泵的循環(huán)抽動(dòng)下，使得故障氣體在光聲

12、腔與油氣分離室間循環(huán)流動(dòng)，同時(shí)用微音器監(jiān)測(cè)故障氣體里的各種氣體成分的含量，微音器檢測(cè)到的信號(hào)首先經(jīng)過差分放大處理后然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(hào)，然后將信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡輸入到計(jì)算機(jī)中去，進(jìn)一步對(duì)故障的類型進(jìn)行診斷。四套系統(tǒng)的區(qū)分就在光聲模塊的不同。圖3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖方案一在線式應(yīng)用如圖3（a）所示，其光聲模塊（圖中虛線框）的主要特征在于，一個(gè)波長(zhǎng)覆蓋 1-20m 的帶球面反射鏡的紅外光源，6 個(gè)濾光片的特征波長(zhǎng)分別為對(duì)應(yīng)變壓器油中溶解的 6 中故障氣體的特征吸收波長(zhǎng)，即 7.97m，11.61m，9.42m，12.77m，4.65m，14.97m。將他們分別

13、嵌套在一個(gè)濾光盤上，這個(gè)光盤的中軸將與一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)相連接，并且可以在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，而機(jī)械斬波器在另一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下工作。光聲腔則采用差分式的，各個(gè)部件的連接方式如圖1.1所示?；竟ぷ髟頌椋杭t外光源發(fā)出的紅外光，首先經(jīng)過濾光片濾光，選出與某種故障氣體成分相對(duì)應(yīng)的紅外光，然后在機(jī)械斬光器的調(diào)制作用下將連續(xù)的紅外光變?yōu)閿嗬m(xù)的紅外光，經(jīng)過透鏡將紅外光會(huì)聚成更小的光斑，然后射入到光聲腔的諧振管內(nèi)，整個(gè)裝置涉及到的機(jī)械結(jié)構(gòu)偏多，控制較復(fù)雜，引入的干擾也更多，體積也偏大，但是由于其成本低廉，技術(shù)相對(duì)成熟，從而成為目前現(xiàn)有光聲光譜技術(shù)應(yīng)用的首選。方案二如圖3（b）所示，調(diào)制采用電源直接調(diào)制，即

14、設(shè)計(jì)一個(gè)頻率脈沖發(fā)生器，然后在該頻率脈沖電源的作用下使得光源與直流電源不斷地接通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)紅外光源的脈沖調(diào)制。但是，濾光片還是不可省去，仍然需要將紅外光源經(jīng)過濾光片分光，并提取出所需波長(zhǎng)的紅外光，經(jīng)透鏡聚集后射入到光聲腔的諧振管中。由于這個(gè)光源獨(dú)特的工作特性，導(dǎo)致可以采用直接的電源調(diào)制光信號(hào)，從而可以讓我們省去機(jī)械斬波器的設(shè)計(jì)，一方面可以減少機(jī)械振動(dòng)噪聲的干擾，另一方面使得控制更加簡(jiǎn)單，只需要設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的一個(gè)頻率發(fā)生器即可，控制精度相對(duì)有了進(jìn)一步的提高，成本又可以降低一些。然而，這種方案所存在的問題是：首先由于光源自身特性所決定的，在這種工作方式下，光源的調(diào)制頻率不能太高，不超過 100H

15、z，由于該型號(hào)光源的調(diào)制深度隨著電源調(diào)制頻率的增加而衰減。而且，這種調(diào)制方式下，紅外光源的壽命相對(duì)較短，從而造成整套故障檢測(cè)系統(tǒng)的壽命的縮短。方案三如圖3（c）所示，采用可調(diào)諧級(jí)聯(lián)反饋式二極管激光器，此時(shí)，我們則可以將上述方案中的單一紅外光源替換為對(duì)應(yīng) 6 個(gè)不同波長(zhǎng)的二極管激光器，這樣就省去了機(jī)械斬光器和濾光片，機(jī)械結(jié)構(gòu)從而大大簡(jiǎn)化。將 6 個(gè)激光器固定在一起，然后將它們與光纖準(zhǔn)直器相連，通過光纖準(zhǔn)直器，可以將各個(gè)二極管激光器所發(fā)出的紅外光準(zhǔn)直到光聲腔中。調(diào)制則采用電源直接調(diào)制，并且專門設(shè)計(jì)時(shí)序切換開關(guān)，在 6 個(gè)管子之間切換。由于省去了機(jī)械斬光器和濾光片的機(jī)械結(jié)構(gòu)，一方面大大縮小了光聲模塊

16、的體積，另一方面大大抑制了機(jī)械噪聲的干擾，同時(shí)由于二極管激光器的高單色性等優(yōu)良特征，使得檢測(cè)精度也得到了進(jìn)一步的提高。然而唯一的不足是：成本相對(duì)較高，由于目前激光器的價(jià)格很昂貴，從而導(dǎo)致整套設(shè)備下來的成本的提高，但是它的優(yōu)良特性必然是今后光聲光譜設(shè)備發(fā)展的趨勢(shì)。方案四如圖3（d）所示，是基于微機(jī)械化（MEMS）光聲傳感器和近紅外激光二極管的在線式電力變壓器故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。前三種方案中的光聲傳感器的體積相對(duì)第四種 MEMS 光聲傳感器都比較大。半導(dǎo)體微機(jī)械技術(shù)的快速發(fā)展，為光聲傳感器的設(shè)計(jì)指引了方向，那就是 MEMS 化。采用 MEMS 化的光聲傳感器可以批量生產(chǎn)，降低成本，同時(shí)由于其更小的體積，

17、更有利于提高檢測(cè)精度，同時(shí)采用 MEMS 化，我們甚至可以將紅外激光光源，微音器以及光聲腔三者有機(jī)結(jié)合在一起。美國麻省理工采用半導(dǎo)體激光器作為紅外光源，通過微機(jī)械技術(shù)加工制成微型光聲腔，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)微量氣體成分的檢測(cè)，檢測(cè)靈敏度可達(dá) 10ppm.同時(shí)制作了金屬黃銅腔體，并且利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較分析了兩者的優(yōu)缺點(diǎn)。具體結(jié)構(gòu)如圖1.4所示。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為，去掉機(jī)械斬光器，去掉濾光片，去掉激光合束器，將每一個(gè) MEMS 光聲腔都鑲嵌一個(gè)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的紅外激光二極管，并且將二者集成化。將混合氣體依次通入每個(gè) MEMS 光聲腔，從而完成各種氣體濃度含量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于，明顯少去了復(fù)雜的機(jī)械調(diào)制措施，光聲模塊整體

18、的體積和重量也大大減小，更方便于安裝和應(yīng)用。2.1.2 油氣分離裝置圖4 油氣分離裝置結(jié)構(gòu)示意圖文獻(xiàn)3給出了一種油氣分離裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。該油氣分離裝置的基本工作過程為：抽真空：首先，關(guān)閉注油閥，關(guān)閉回油閥和回油泵，開啟氣體止回閥1，2，同時(shí)關(guān)閉電磁閥1，開啟電磁閥2，同時(shí)啟動(dòng)真空泵，開始抽取氣體排出到外界空氣中去，形成一個(gè)負(fù)壓的環(huán)境。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(shí)經(jīng)過流量控制器進(jìn)行計(jì)量，當(dāng)注入的油量達(dá)到一定量時(shí)，關(guān)閉注油電磁閥，作為油位高度的后備保護(hù)，我們還在油氣分離室 1/3 高度處設(shè)置有油位液面?zhèn)鞲衅?，?dāng)油位高度達(dá)到這個(gè)高度時(shí)，將觸發(fā)傳感

19、器,強(qiáng)制關(guān)閉注油電磁閥，停止注油。振蕩脫氣：?jiǎn)?dòng)超聲振蕩器，氣體止回閥1，2，開啟電磁閥1，關(guān)閉電磁閥2，啟動(dòng)真空泵(用作氣體循環(huán)泵)，同時(shí)將脫好的氣體輸入到被檢測(cè)光聲腔內(nèi)?；赜停寒?dāng)脫氣檢測(cè)完畢時(shí)，關(guān)閉氣體止回閥1，2，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，為了更好的滿足光聲腔對(duì)該氣體的檢測(cè)效果，一般將氣流速度限制為 20ml/min。2.1.3 光聲池的設(shè)計(jì)4光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)中，光聲池作為光聲信號(hào)的信號(hào)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

20、比和檢測(cè)極限等關(guān)鍵性能。不同形式的光聲池具有不同的特點(diǎn)。非諧振氣體光聲池如果入射光均勻的分布于整個(gè)光聲腔中，調(diào)制頻率低于腔體的最低階的簡(jiǎn)正頻率時(shí)，光聲池就工作在非諧振狀態(tài)，這時(shí)池內(nèi)的光聲信號(hào)幾乎是同相的。非諧振式氣體光聲池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小，調(diào)制頻率低，在儀器小型化時(shí)具有自己的優(yōu)勢(shì)，但信噪比較低，且不能對(duì)流動(dòng)狀態(tài)的試樣進(jìn)行檢測(cè)。諧振氣體光聲池當(dāng)入射光的調(diào)制頻率正好等于光聲腔的某一諧振頻率時(shí)，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(hào)進(jìn)行共振放大。在諧振光聲池中，對(duì)聲波進(jìn)行放大可以采用兩種方式

21、。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(jì)的光聲池稱為Helmholtz光聲池，它一般由一根細(xì)長(zhǎng)圓柱形管道連接兩個(gè)不同體積的空腔組成。Helmholtz光聲池工作時(shí)，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(cè)氣體的壓力變化。Helmholtz光聲池的主要優(yōu)點(diǎn)是，只要簡(jiǎn)單地改變管道的面積和長(zhǎng)度，共振頻率便有相當(dāng)大的變化，適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)管道的大小，即可獲得總氣體體積較小而 Q 值相當(dāng)高(Q100)的共振條件。但是由于管道中氣體振子的擺動(dòng)幅度很小，Helmholtz光聲池對(duì)光

22、聲信號(hào)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(jì)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(hào)得到共振增強(qiáng)，在此稱這類光聲池為空腔式光聲池?？涨皇焦舱窆饴暢鼐哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：1)光聲池的共振頻率一般在1kHz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；2)聲場(chǎng)在光聲池中呈簡(jiǎn)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(dòng)對(duì)聲場(chǎng)的干擾，這就解決了非共振光聲池不能檢測(cè)流動(dòng)氣體的問題；3)利用光強(qiáng)分布I ( r ,)和簡(jiǎn)正模式Pj(r)之間的耦合關(guān)系，可以增強(qiáng)光聲信號(hào)并抑制噪聲信號(hào)，從而提高系統(tǒng)的信噪比。2.1.4 鎖相放大器圖

23、5鎖相放大器結(jié)構(gòu)示意圖鎖相放大器的基本結(jié)構(gòu)如圖1.6所示，包括信號(hào)通道、參考通道、相敏檢測(cè)器(phase-sensitive detection, PSD)和低通濾波器(Low-pass filter,LPF)等。信號(hào)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(duì)調(diào)制正弦信號(hào)輸入進(jìn)行交流放大，將微弱信號(hào)放大到足以推動(dòng)相敏檢測(cè)器工作的電平，并且濾除部分干擾和噪聲，以提高相敏檢測(cè)的動(dòng)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(gè)重要組成部分，它的主要作用是對(duì)參考輸入進(jìn)行放大或衰減，為相敏檢測(cè)器提取被測(cè)信號(hào)的頻率特征提供一個(gè)適合幅度的與被測(cè)信號(hào)頻率相關(guān)(同

24、步)的信號(hào)。參考輸入一般是等幅正弦信號(hào)或方波開關(guān)信號(hào)，它可以是從外部輸入的某種周期信號(hào)，也可以是系統(tǒng)內(nèi)原來用于調(diào)制的載波信號(hào)或用于斬波的信號(hào)。相敏檢測(cè)器又稱相關(guān)解調(diào)器，它是鎖相放大器的核心單元。相敏檢測(cè)器是基于互相關(guān)檢測(cè)原理，利用噪聲信號(hào)與周期信號(hào)不存在相關(guān)性的特點(diǎn)，通過直接計(jì)算待檢信號(hào)與參考信號(hào)在零點(diǎn)的相關(guān)值的方法來抑制噪聲并提取有效信號(hào)。在原理上，相敏檢測(cè)器相當(dāng)于一個(gè)乘法器和積分器的組合。低通濾波器的主要作用是改善鎖相放大器的信噪比，其時(shí)間常數(shù) RC 越大，鎖相放大器的通頻帶寬越窄，抑制噪聲的能力越強(qiáng)。2.2 油色譜分析診斷方法2.2.1 油色譜法在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖6油色譜法在線監(jiān)測(cè)系

25、統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖系統(tǒng)的基本工作原理是：油氣分離單元安裝在變壓器放油閥上，油中的故障氣體通過透氣膜進(jìn)入氣室;載氣把氣室中的故障氣體吹入色譜儀中進(jìn)行檢測(cè)，氣體檢測(cè)器輸出模擬信號(hào)；數(shù)據(jù)采集板把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行處理后，把數(shù)字量傳送給工作站中的在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)；在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的運(yùn)算，并根據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行故障診斷。2.2.2 電力變壓器油色譜分析診斷方法電力變壓器油色譜分析診斷方法主要有三比值法、氣體組分分析法、TD 法、四比值法、模糊理論法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和專家系統(tǒng)法等5。2.2.2.1 氣體組分譜圖法該種方法實(shí)質(zhì)是一種直觀的表現(xiàn)形式。將變壓器每次的油色譜數(shù)據(jù)分別畫在直角坐標(biāo)系上?？v坐標(biāo)

26、表示各種氣體的濃度比或濃度百分比，橫坐標(biāo)表示氣體組分。利用這個(gè)圖形，有助于確定故障類別。圖7氣體圖形法故障例圖2.2.2.2 TD圖法這種方法是基于三比值編碼。當(dāng)變壓器內(nèi)部存在高溫過熱和放電性故障時(shí)，絕大部分的C2H4/ C2H6>3，則選擇三比值中的其余兩項(xiàng)構(gòu)成直角坐標(biāo)系，以CH4/H2作為縱坐標(biāo)，C2H2/ C2H4作為橫坐標(biāo)，形成TD分析判斷圖。該方法主要用于判斷是過熱故障還是放電故障。圖8 一臺(tái) 220kV 變壓器油色譜分析結(jié)果的 TD 圖2.2.2.3 總烴安伏曲線法本方法僅僅適用于過熱故障。按變電運(yùn)行日志提供的電流、電壓數(shù)據(jù)，得到每日變壓器電源電壓、電流的平均值，再加上每日的

27、總烴含量為縱坐標(biāo)，日期為橫坐標(biāo)，三條曲線進(jìn)行分析判斷，可以得出過熱故障發(fā)生在導(dǎo)電回路還是非導(dǎo)電回路。判斷依據(jù)為：1、取油樣較為密集時(shí)，當(dāng) C1+C2 曲線的變化形式與電壓曲線的相近時(shí)，為磁路故障；與電流曲線相近時(shí)，為電路故障，其中甲烷（簡(jiǎn)寫為 C1）、乙烷、乙烯、乙炔（簡(jiǎn)寫為 C2）；2、若電壓升高，C1+C2 上升速度加快，電壓降低，C1+C2 上升或下降速度變緩（此時(shí)與電流關(guān)系不大），則為磁路故障；3、若電流增大，C1+C2 上升速度加快，電流降低，C1+C2 上升或下降速度變緩（此時(shí)與電壓關(guān)系不大），則為電路故障；4、特別注意電壓與電流變壓趨勢(shì)差別比較大時(shí)，C1+C2 的變化。這是判斷的

28、關(guān)鍵，在發(fā)生此類情況時(shí)，進(jìn)行重新取油樣進(jìn)行離線試驗(yàn)。在使用過程中，也有一定的注意事項(xiàng)：1、故障點(diǎn)可能出現(xiàn)緩慢發(fā)展，且受產(chǎn)氣規(guī)律、油運(yùn)行方式的影響，色譜試驗(yàn)存在一定的誤差；2、取樣不少于 3 次；3、精確計(jì)算平均值，作圖時(shí)要盡量將單位長(zhǎng)度線段取長(zhǎng)，便于比較；4、此方法僅適用于過熱型主變本體故障回路的判斷；5、適用該方法進(jìn)行故障判斷后，還要進(jìn)一步進(jìn)行電氣試驗(yàn)。2.2.2.4 四比值法四比值法是將五種特征氣體兩兩相除，得到四個(gè)數(shù)據(jù)編碼，編碼與判斷結(jié)果如下：圖9四比值法編碼表四比值法編碼的計(jì)算規(guī)律為：當(dāng)兩組分濃度比值大于1時(shí)，用1表示；如果小于1時(shí)，用0表示；如果比值在1的附近，則表示故障處于中間變化過程；濃度比值越大，表示故障性質(zhì)越明顯。這種方法可以判斷電力變壓器導(dǎo)電回路或磁回路的過熱性故障。2.2.2.5 三角形法三角形法包括杜威三角形法和大衛(wèi)三角形法，都是利用三角形圖示對(duì)變壓器故障進(jìn)行診斷。杜威法是用三種氣體的比值加上一個(gè)三角形圖來表示故障類型的方法。該方法第一步是計(jì)算出三種氣體的總和：CH4+C2H4+C2H2；然后計(jì)算出各種氣體在這個(gè)總和中所占的百分?jǐn)?shù)；再用三角形圖來表征故障類型。圖10杜威三角法圖示圖中，a-高能電??；b-低能電弧；c-局部放電；d-熱點(diǎn) T200；e-熱點(diǎn) 200T400；f-熱點(diǎn) T4002.2.2.6 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)