一种变压器故障气体光谱检测装置及方法

1.本发明涉及工业设备监测技术领域，具体涉及一种变压器故障气体光谱检测装置及方法。


背景技术：

2.在日益复杂的电网形态下，针对变压器内部故障的检测对变压器的使用及安全运行十分重要。当变压器内部发生潜伏性过热故障或放电故障时，变压器内的绝缘油分解产生甲烷、乙烷等气体。故障气体的浓度和含量与故障类型以及故障的严重程度有着紧密的关系。监测变压器内的气体成分和含量，能够及时发现变压器内部潜伏的故障，在故障演变严重前做到提前预警，避免了故障对变压器造成损坏，保证了变压器的安全稳定运行。
3.对于变压器内气体的监测，目前有变压器油中溶解气体分析(dga)的方法、对瓦斯继电器集气盒内气体进行分析的方法等。前者一般利用气相色谱法，但油色谱法耗时较长，只能用于故障的事后分析，无法做到在线检测以及提前预警的功能。后者对集气盒内气体进行打火试验，若能点燃，则认为变压器内部发生故障，同样无法做到在线检测，而且要等待集气盒内充满气体后才进行测试，无法满足时效性的要求，也无法确定气体成分和故障类型。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种变压器故障气体光谱检测装置及方法，具有在线分析的实时性和快速响应性，能够为变压器的安全运行提供帮助，并且为变压器中可燃气体检测的准确性和有效性奠定基础。
5.本发明采用如下的技术方案。
6.本发明一方面提供了一种变压器故障气体光谱检测装置，包括：非色散红外吸收气体检测模块、非气体检测模块、处理器、进气模块和报警器，其特征在于：
7.所述非色散红外吸收气体检测模块包括红外光源(1)、可调节角度的反射镜(2)、两面固定反射镜(3)和(6)、参考气室(4)和测量气室(7)两个固定气室、探测器(5)，用于检测变压器故障气体中的可燃气体浓度，可调节角度反射镜用于改变光路，使得光路分别通过参考气室和测量气室到达探测器，
8.所述处理器用于给检测模块提供控制信号并接收来自各检测模块的检测数据，根据检测数据预判故障发生情况，最终给报警器提供控制信号来发出警报。
9.所述非气体检测模块主要由温度传感器和压力传感器组成，用于检测环境的温度和气压，
10.所述进气模块由步进电机、进气口组成，用于将背景气体抽进参考气室和测量气室。
11.优选地，探测器采用双通道热释电探测器与滤光片组合的方式，双通道滤光片组合式探测器中滤光片的中心波长分别为3.31μm、3.47μm。
38.c2＝a
21
a1 a
22
a239.式中：
40.c1表示甲烷浓度，
41.c2表示重烷烃浓度，
42.a
11
、a
12
、a
21
、a
22
通过20℃标准大气压环境下实验标定与最小二乘法确定；
43.步骤3.2，在初步计算出甲烷和重烷烃浓度后，再根据温度和压力检测数据进行温度压力补偿，公式表示如下：
44.c
′
＝ct/(293.15p)
45.式中：
46.t表示温度传感器获取的气室内温度，
47.p表示压力传感器检测得到的气室压力，
48.293.15是20℃下的开尔文温度，
49.c表示利用定量分析模型获得的气体浓度，
50.c
′
表示温度压力补偿后的气体浓度。
51.优选地，步骤4中当甲烷气体浓度大于50μl/l，或者甲烷浓度与重烷烃气体浓度之和大于150μl/l时，处理器向报警器发出报警指令。
52.优选地，测量气室采用直射型气室；气室直径为11mm，气室长度为45mm。
53.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，在对变压器的内部故障诊断中，本发明提出一种变压器故障气体光谱检测装置及方法，通过非色散红外光谱分析法实时监测变压器故障气体中可燃气体的浓度，并通过温度和压力检测数据对气体检测结果进行补偿，若可燃气体浓度发生变化超过设定的阈值则立刻发出警报，提醒工作人员及时排除故障。实现了对变压器故障气体的时时在线监测以及提前预警的功能。该技术可以弥补变压器故障气体检测发展过程中在线监测的技术空缺，能为变压器的稳定运行提供技术支持。
附图说明
54.图1为本发明的非色散红外吸收气体检测模块结构图。
55.图2为本发明的气体检测示意图。
56.图3为本发明提供的一种变压器故障气体光谱检测方法流程图。
57.图4为直射型测量气室内部结构示意图。
具体实施方式
58.下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
59.本发明实施例1提供了一种变压器故障气体光谱检测装置，主要包括非色散红外吸收气体检测模块、非气体检测模块、处理器模块、进气系统模块和报警模块。
60.非色散红外吸收气体检测模块如图1所示，主要由红外光源(1)、两个固定气室、探测器(5)、两面固定反射镜(3)和(6)、一面可调节角度反射镜(2)组成，其中两个固定气室由参考气室(4)、测量气室(7)组成，用于检测变压器故障气体中的可燃气体浓度，可调节角度反射镜用于改变光路，使得光路分别通过参考气室和测量气室到达探测器。
61.非气体检测模块主要由温度传感器和压力传感器组成，用于检测环境的温度和气压。
62.进气模块是由步进电机、进气口组成，用于将背景气体抽进参考气室和测量气室。电源给各模块提供稳定直流电源。
63.处理器模块将给检测模块提供控制信号并接收来自各检测模块的检测数据，根据检测数据预判故障发生情况，最终给报警器提供控制信号来发出警报。
64.本发明实施例2提供了一种变压器故障气体光谱检测方法，如图3所示，具体包括以下步骤：
65.步骤1，电源给红外光源、步进电机、探测器、处理器、报警器、温度压力探测模块提供稳定电源，在系统工作之前先给两个气室充满背景气体，其中气体检测模块检测流程如图2所示。
66.将参考气室和测量气室充满氮气，使光路分别通过参考气室和测量气室，测得两路通道的值用back
ij
表示，其中i＝1，2；j＝1，2；分别对应于两个波长3.31μm、3.47μm，分别对应于参考气室和测量气室；back
11
表示参考气室充满氮气经过波长3.31μm滤光片对应的测量值，back
12
表示参考气室充满氮气经过波长3.47μm滤光片对应的测量值，back
21
表示测量气室充满氮气经过波长3.31μm滤光片对应的测量值，back
22
表示测量气室充满氮气经过波长3.47μm滤光片对应的测量值。
67.步骤2，投入使用后参考气室内气体不变，测量气室则通入待测气体，打开电源仪器开始检测工作。处理器包含控制和数据处理功能，在打开电源后处理器控制总线向各个检测模块发出控制指令并接收各个检测模块的数据。
68.首先向步进电机发出指令，调节反射镜角度，使得光路通过参考气室到达探测器，测量气室的进气口和变压器顶部的出气口对接，打开阀门后，通过气体扩散的方式，变压器故障气体进入测量气室。当背景光谱扫描完成后通过电机转动反射镜，使得光路通过测量气室到达探测器，开始检测变压器故障气体中可燃气体吸光度值。待间隔一段时间后重复此操作，重新扫描背景气体吸光度值。
69.在实际检测中，由于检测装置中光源强度等参数会受到环境影响而发生改变，因此需要重新检测，对通过参考气室后的透射光强在不同滤光片下对应的测量电压值进行更新。此过程为了对光谱中干扰因素的校正，消除监测系统的误差。
70.等待测量气室中充满变压器故障气体后，使光路再次分别通过参考气室和测量气室，测得两路通道的值用meas
ij
表示，其中i＝1，2；j＝1，2；得到甲烷和重烷烃气体的吸光度如下式表示，
[0071][0072][0073]
式中：
[0074]
back
11
表示参考气室充满氮气经过波长3.31μm滤光片对应的测量值，
[0075]
back
12
表示参考气室充满氮气经过波长3.47μm滤光片对应的测量值，
[0076]
back
21
表示测量气室充满氮气经过波长3.31μm滤光片对应的测量值，
[0077]
back
22
表示测量气室充满氮气经过波长3.47μm滤光片对应的测量值。
[0078]
meas
11
表示实际检测中参考气室充满氮气经过波长3.31μm滤光片对应的测量值，
[0079]
meas
12
表示实际检测中参考气室充满氮气经过波长3.47μm滤光片对应的测量值，
[0080]
meas
21
表示实际检测中测量气室充满故障气体经过波长3.31μm滤光片对应的测量值，
[0081]
meas
22
表示实际检测中测量气室充满故障气体经过波长3.47μm滤光片对应的测量值，
[0082]
a1表示甲烷气体的吸光度，
[0083]
a2表示重烷烃气体的吸光度。
[0084]
步骤3，处理器接收到探测器的光谱检测数据进行光谱基线轻度漂移数字校正，进一步减小由于温度及系统参数带来的检测误差。根据朗伯比尔定律计算甲烷及重烷烃气体的浓度。
[0085]
步骤3.1，计算甲烷气体浓度与重烷烃气体浓度，按下面公式进行：
[0086]
c1＝a
11
a1 a
12
a2ꢀꢀ
(3)
[0087]
c2＝a
21
a1 a
22
a2ꢀꢀ
(4)
[0088]
式中：
[0089]
c1表示甲烷浓度，
[0090]
c2表示重烷烃浓度，
[0091]
参数a
ij
，i＝1，2；j＝1，2；通过20℃标准大气压环境下实验标定与最小二乘法确定。
[0092]
步骤3.2，再通过接收温度和压力检测模块的检测数据对气体检测结果进行温度压力补偿，最终得到变压器故障气体中可燃气体的准确浓度值。
[0093]
在初步计算出甲烷和重烷烃浓度后，再根据温度和压力检测数据按公式(5)进行补偿，公式(5)表示如下：
[0094]c′
＝ct/(293.15p)
ꢀꢀ
(5)
[0095]
式中：
[0096]
t表示温度传感器获取的气室内温度，
[0097]
p表示压力传感器检测得到的气室压力，
[0098]
293.15是20℃下的开尔文温度，
[0099]
c表示利用定量分析模型获得的气体浓度，
[0100]c′
表示温度压力补偿后的气体浓度。
[0101]
步骤4，处理器接收到步骤3所得甲烷和重烷烃补偿后的浓度后进行分析，判断是否发生故障并将结果在显示屏显示同时发送到总控室，如若出现异常则通过向报警器发出指令控制警报器及时发出警报，帮助工作人员及时处理。
[0102]
判断的依据为：甲烷浓度大于50μl/l或者甲烷浓度与重烷烃浓度之和大于150μl/l发出报警指令。
[0103]
最终检测信息通过处理器控制液晶显示模块实时显示变压器故障气体中的重烷烃气体和甲烷气体的浓度数据，直观地监控可燃气体的浓度情况，保障了变压器的安全运行。并采用有声报警模块，即当环境中可燃气体的浓度逐渐增加或大于报警极限时，报警器就会进行声光报警。
[0104]
本发明优选但非限制性的实施例中，测量气室采用直射型气室；气室直径为11mm，气室长度为45mm；对于直射型气室，要保证光源发出的光平行射入、射出气室，测量气室图内部结构示意图如图4所示。
[0105]
将测量气室安装于变压器顶部，测量气室的进气口和变压器顶部的出气口对接，打开阀门后，通过气体扩散的方式，变压器故障气体进入测量气室，安装时要保证光线从红外光源发出后，经过气室的射入点、射出点以及红外探测器，均在同一水平线上。
[0106]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，
[0107]
本发明提出的一种变压器故障气体光谱检测方法与系统，主要针对变压器故障气体中可燃气体浓度进行监测，形成一套对变压器故障气体有效的安全监测方法。该技术可以弥补变压器故障气体检测发展过程中在线监测的技术空缺，能为变压器的稳定运行提供技术支持。
[0108]
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。