基于喇曼技术的电力变压器油中溶解气体分析装置

摘要

一种基于喇曼技术的电力变压器油中溶解气体分析装置，属于电力设备状态检测技术领域。本发明包括：激光光源、样品池及其光学系统、多通道光谱仪、气体压缩装置和计算机通讯部分。样品池及其光学系统和气体压缩装置通过管道连接，光谱仪和计算机通讯部分通过通讯线连接进行数据交换，样品池及其光学系统和激光光源固定在一个安装板上，样品池及其光学系统和光谱仪是独立的，通过光来传播信息。相比于其他的装置，本发明灵敏度，精度大大提高，实现全自动化控制；工作时间大大减少(减少5－10倍以上)，具有其他装置不可比拟的优越性。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种变压器油中溶解气体检测装置，具体是一种基于喇曼技术的电力变压器油中溶解气体分析装置，属于电力设备状态检测技术领域。

背景技术

大型电力变压器是输变电系统最重要、最昂贵的设备之一，其绝缘状况的优劣，关系到电力系统能否安全可靠地运行。国内外对变压器油中溶解气体分析(DGA)的大量研究与实践表明，变压器油中溶解的H₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆、CO和CO₂等气体成分的含量、产气速率及其含量之间的比值是反映变压器内部绝缘状态的可靠信息，能比较灵敏并准确地发现变压器潜伏性缺陷和故障，普遍认为DGA是诊断变压器绝缘故障的有力手段。将DGA监测装置安装在运行中的变压器身上，现地实时采集油样和监测变压器油中溶解气体成为该领域的一个热点。

经对现有技术的文献检索发现，陈晓东等人在《机械工程师》2003(4)-49-51上发表的《变压器油中色谱在线监测系统》，该系统的关键装置是用分子膜进行油气分离装置，对分离的气体进行色谱鉴定。其缺点有：一，由于色谱先天的缺陷，检测灵敏度低。二，由于用分子膜分离气体，时间长，操作复杂，故每次检测耗时长。三，该系统受外界环境影响很大，工作不稳定。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于喇曼技术的电力变压器油中溶解气体分析装置，使其能用于在线或现场监测各种故障特征气体，具有灵敏度高、精度高和可靠性好等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：激光光源、样品池及其光学系统、多通道光谱仪、气体压缩装置和计算机通讯部分。其连接关系为：样品池及光学系统和气体压缩装置通过管道连接，光谱仪和计算机通讯部分通过通讯线连接进行数据交换，样品池及其光学系统和激光光源固定在一个安装板上，样品池及其光学系统和光谱仪是独立的，通过光来传播信息。

激光光源采用半导体激光二极管泵浦的全固化激光器。输出波长532nm，功率稳定度优于5％，结构紧凑，使用方便。使变压器油中溶解气体全组分的喇曼(Raman)光谱位于可见波段，大大地提高了接受灵敏度(对比红外光谱)。Raman光谱方法比红外光谱，色相光谱分析方法的优越性是光源选择性灵活。特性谱线以不重叠为好，有利于多种气体成分同时一次性检测。格兰棱镜和隔离器，放于激光器出光孔前面，和激光器、样品池及光学系统固定于同一安装板上，是保护从样品池光路反射回来的激光不能进入激光器，保证激光器不受损伤而稳定工作，而光敏二极管安装于样品池及光学系统后端，指示激光器正常工作及功率达到额定值(100mW)。

样品池及其光学系统包括：球面镜，光敏二极管，喇曼光收集透镜，Notch滤光片，多道光谱仪输入狭缝，防止杂散光镜筒。球面镜有三个，分别置于样品池及其光学系统的下段、下段底部和上段顶部，光敏二极管置于上段顶部的球面镜后端；喇曼光收集透镜置于样品池及光学系统中段，滤光片(532nm＜1‰)置于样品池及其光学系统上段，防止532nm光返回。多道光谱仪输入狭缝置于样品池及其光学系统顶部，防止杂散光镜筒位于样品池及光学系统的内腔里。光敏二极管指示激光器输出功率及正常运行。

采用共心球面反射镜系统，提高样品池中激光聚焦强度和多程激发，比单程激发激光样品提高50倍以上；同时在样品池垂直激光束光路方向上，有一球面反射镜，收集反向喇曼散射光。通过收集透镜成像于多道光谱仪输入狭缝处。设计中充分利用多道光谱仪的收集角，收集保证70％以上4π立体角内的喇曼散射光进入多道光谱仪。

多通道光谱仪是一台小型化，性能稳定的多道光谱仪，焦长190nm，光栅1200L/mm，f/3.9，光谱仪输出处安装1024×256象元的低噪声，高灵敏度CCD，为了克服喇曼光谱中低强度缺点，必须隔离杂散光及瑞利散射光。本发明通过防杂散光镜筒，金属密封系统以及滤光片隔离瑞利散射光0.1％以下(可达到万分之五以下)，以保证痕量气体的喇曼散射光能被检测到。

气体压缩装置包括：变压器，循环管道，电子阀，油样池，取样袋，真空罐，真空泵，管道。其连接关系：循环管道和变压器原油相连，用来进行油样循环，油样池和取样袋通过管道连接，电子阀门位于循环管道、管道上，真空泵和管道相通，对整个系统进行抽气，取样袋置于真空罐中，但不接触，上下分别和管道相连。

采用真空顶空法和压力调控技术油样采集500ml-1000ml，基本反映电力变压器溶解气体的运行状况。电力变压器内部产生故障过程中：从少量的N₂，O₂，H₂O逐步增加CO，CO₂，H₂到CH₄等烷烃类气体，气体量大约10毫升量级，通过真空顶空法和压力调控，把油中气体析出，然后压缩取样袋里的气体，并压入样品池达到50倍以上的压缩比。由于喇曼散射光信号强度与气体分子浓度成正比关系，故压缩比越高，这样就越能提高检测灵敏度。

计算机与通讯系统实现计算机对CCD数据采集与处理，以及进行各种系统控制。同时也可以通过计算机将数据传输给各个控制台。由于这部分的技术都是很成熟的，就不做赘述。

本发明整个工作过程可以在半小时以内完成。真空泵通过其中几个电子阀门的调节将油从循环管道中抽入油样室中，然后再通过真空泵和其他电子阀门对油样室里的油样进行抽真空，将油中的气体抽进取样带中，然后再通过电子阀门和真空泵的调节将气体压入光学样品池中，这个过程大约需要几分钟；然后启动激光，进入样品池及其光学系统，来回激发油样气体，产生拉曼散射光，用CCD激光器来收集拉曼光谱，因为是ppm量级，故积分时间要几分钟，最后通过采集CCD的光谱信号，通过计算机处理数据，同时计算机也可以对整个过程进行控制。

本发明所采用的Raman检测技术可达到油浸式电力变压器基于各种DGA故障诊断方法所要求的精度、灵敏度及长期可靠性，可用于电力系统多种油浸式设备的在线、现场和实验室等状态检测，开发基于DGA的在线状态监测设备、便携或车载式状态检测设备和实验室用检测设备等。相比于其他的装置，该装置灵敏度，精度大大提高，实现全自动化控制；工作时间大大减少(减少5-10倍以上)，具有其他装置不可比拟的优越性。

附图说明

图1本发明结构示意图

图2本发明样品池及其光路系统结构示意图

图3本发明气体压缩装置结构示意图

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：激光光源1、样品池及其光学系统2、多通道光谱仪3、气体压缩装置4和计算机通讯部分5。其连接关系为：样品池及光学系统2和气体压缩装置4通过管道连接，光谱仪3和计算机通讯部分5通过通讯线连接进行数据交换，样品池及其光学系统2和激光光源1固定在一个安装板上，样品池及其光学系统2和光谱仪3是独立的，通过光来传播信息。

激光光源1是由半导体二极管激光器泵浦的全固化固体倍频激光器6，格兰棱镜7和隔离器8组成。三者一起固定于安装板上，格兰棱镜7放于隔离器8和激光器6中间；而隔离器8设置于样品池及光学系统2和格兰棱镜7之间。

如图2所示，样品池及其光学系统2包括：球面镜9、10，光敏二极管11，球面镜12，喇曼光收集透镜13，Notch滤光片14，多道光谱仪输入狭缝15，防止杂散光镜筒16。球面镜9、10为可见波长反射球面镜，分别置于样品池及其光学系统2的下段和上段顶部，光敏二极管11置于球面镜10后端；球面镜12为可见波段高反射球面镜，位于样品池及其光学系统2下段底部，喇曼光收集透镜13置于样品池及光学系统中段2中，滤光片14(532nm＜1‰)置于样品池及其光学系统2上段，防止532nm光返回。多道光谱仪输入狭缝15置于系统顶部，防止杂散光镜筒16位于样品池及其光学系统2内腔里。

激光器6输出激光束通过一组共心球面镜9、10，会聚球面镜9使激光束聚焦于共心处，增加激发强度；同时经过这一组共心球面镜9、10，球面处都有高反射率(R＞90％)，多程激发共心处气体样品，比单一激发增加2个数量级。同时由于激光束在共心部分有一束腰(焦斑)和一定焦深(束腰长度)，使这一部分气体样品充分激发，其喇曼散射光全部收集到狭缝15处(见图1)，又可提高接受灵敏度数倍。为了保证充分采集气体样品被激发的喇曼散射光，在垂直于激光光路的通过同心的和狭缝15面处，采用可见波长反射球面镜12，收集后向散射光，由喇曼光收集透镜13把前向，后向喇曼散射光全部收集到狭缝15处，保证在4π立体角中，约70％以上的喇曼散射光全部进入狭缝15。除掉金属隔离外，采用Notch滤光片14基本上把杂散光、瑞利散射光隔离到10^-5~10^-4以下。

多通道光谱仪3是一台小型化、性能稳定的多道光谱仪，焦长190nm，光栅1200L/mm，f/3.9，光谱仪输出处安装1024×256象元的低噪声、高灵敏度CCD，通过防杂散光镜筒16，金属密封系统以及滤光片14隔离瑞利散射光0.1％以下。

如图3所示，气体压缩装置4包括：变压器17，循环管道18、19、31，电子阀20、21、22、23、24、25，油样池26，取样袋27，真空罐28，真空泵29，和大气相连的管道30。其连接关系：循环管道18和变压器17原油相连，管道19连接油样池26和取样袋27，电子阀门20、21位于循环管道18上，电子阀门22位于管道19上，电子阀门23位于取样袋27和样品池光学系统2相连的管道31上，电子阀门24位于与真空罐28和管道31之间，阀门25位于管道30和大气相连部分上，真空泵29和管道31相通，并安装在管道31的终点，取样袋27置于真空罐28中，上下分别和管道31、19相连。