光声光谱法在油融气体分析中的应用

摘要

电力变压器设备是国家智能电网的重要组成部分，是国家十二五战略规划的重要保障，其安全无故障运行已列入我国国家标准中的条款强制要求，因此如何监测电力变压器的正常运行已经成为电力企业管理的重中之重。就目前来讲，油中溶解气体分析(DGA)是业内公认的预防电力变压器设备故障最为有效的方法之一，分为离线式和在线式监测两种。传统油中溶解气体的分析方法是采用离线式气相色谱法，一直以来在行业内被普遍使用。离线式气相色谱分析法具有选择性好、分离性能高、分离时间快、灵敏度高、适用范围广和技术成熟等优点，但也存在其固有的原理性缺陷，例如:氢气含量无法监测;脱气操作具有明显偏差，修正曲线也会增加误差;从油气分离取式样再到实验室的检测分析，操作流程复杂，时间周期长;另外，变压器绝缘劣化的发展有快有慢，预防性试验不能实时地发现故障，对充油电气设备中气体含量实施在线监测已成为迫切的需要。
　　光声光谱学是一种新型的光谱分析检测技术。随着微信号检测技术的发展，强光源（激光器、氙灯等）的问世，光声光谱学及其应用的研究在国内外具有广泛的前景。由于光声光谱学能检测出极微弱的吸收信号，因此该技术广泛应用于痕量分析，人们采用光声光谱法检测大气污染物。在医学方面，普通光谱学技术由于存在光散射的问题，所以新型的光声光谱法凭借其式样可不经预处理就可直接进行光声信号测定的优点被大量应用于细胞的研究、白血病的病况和早期诊断、对生物组织的研究和新型的免疫医学诊断方案。光声效应与频率调制相关，通过调制频率的改变可得到式样表面不同深度的讯息，所以它是一种能提供式样表面结构信息的无损探测方案。
　　光声光谱学是以光声效应为基础的一门专业。使用一束单色光，并且调制其强度照射于密封在光声池中的式样上，光束中的光能被式样吸收，并且以释放热能的方式激退。热能使周围介质和式样按照调制光的频率周期性质的加热，导致周围介质发生周期性压力波动，使用灵敏的微音器或压电陶瓷传声器来检测这些压力波动，并通过放大得到光声信号，这即是光声效应产生的原理。若入射单色光的波长可调制，即可测到随波长调制而变的光声信号图谱，这既是光声光谱学的原理。因为光声光谱法测量的是式样吸收光能的量，因此反射、散射等现象对测量精度影响很少，所以光声光谱法非常适合用于测量高散射式样、不透光式样、弱吸收式样和低浓度式样等，并且无论样品是气体、晶体、粉末、胶体等各种形态均可测量，这是其他普通光谱不能做到的。因而光声光谱检测原理在气体微量痕量分析领域内有其独特的优势。
　　本文从光声光谱学的原理出发，着重研究光声光谱检测方法在油中溶解气体分析(DGA)领域内的应用，并结合实际使用光声光谱法来分析检测油中溶解气体，得出试验结果来论证光声光谱检测方法在油中溶解气体分析(DGA)领域内应用的可行性，从而对相关产品设计提出指导意见或方案。

目录

摘要

引言

第一章 绪论

1．1 气体产生的机理

1．1．1 矿物绝缘油脂的分解

1．1．2 纤维绝缘材料的分解

1．1．3 气体的其他来源

1．2 变压器故障的识别

1．2．1 溶解气体成分

1．2．2 故障的类型

1．2．3 基本气体的比值

1．2．4 二氧化碳／一氧化碳(CO2／CO)的比值

1．2．5 氧气／氮气(O2／N2)的比值

1．2．6 乙炔／氢气(C2H2／H2)的比值

1．2．7 C3碳氢化合物

1．2．8 气体放出时的故障

1．3 变压器油中溶解气体的分析和判断导则

1．3．1 设备检测周期

1．3．2 从电力变压器设备中取油样

1．3．3 从绝缘油中脱出所溶解的气体

1．3．4 变压器油中溶解气体分析(DGA)方法

1．4 本文的研究内容

第二章 气体光声光谱法理论

2．1 光能的吸收

2．1．1 双能级系统的变化率方程

2．1．2 声波的激发

2．2 气体光声谱系统

2．2．1 声信号

2．2．2 传声器的原理

2．3 气体光声谱系统中光声盒的设计

2．4 辐射源

2．5 本章小结

第三章 油中溶解气体分析系统设计

3．1 氢气的测量方案

3．1．1 共振频率和氢气浓度的关系

3．1．2 声波传导特性与氢气浓度关系分析

3．1．3 低浓度氢气检测及数据处理

3．2 其他气体实验方法

3．2．1 其他气体吸收谱线的分析

3．2．2 除氢气外的单组分气体吸收谱线

3．3 本章小结

第四章 实验系统设计及其数据分析与处理

4．1 实验系统

4．2 光声光谱仪检测油中溶解气体的数据

4．3 实验数据分析

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

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