变压器光声光谱

变压器油中气体在线监测技术是以油中溶解气体为监测对象，应用该技术可及时掌握变压器的运行状况，发现和跟踪存在的潜伏性故障。配合计算机系统对故障进行诊断，可以避免部分灾难性事故，实现状态检修、降低维护成本、提高自动化程度，提高变电站运行管理水平。近年来，油中溶解气体在线监测技术研究应用发展迅速，应用气体传感器开发研制小型气体检测装置，已成为新的发展趋势，目的在于实现对变压器油中溶解气体进行在线监测，随时掌握设备的运行状况。

油溶气体

变压器油是天然石油经过蒸馏精炼而成的一种矿物油，由许多不同分子量的碳氢化合物分子组成，其中碳、氢两种元素占总重量的95％以上，分子中含有-CH3、-CH2和-CH化学基团，由C-C键连接在一起，当放电或温度过高时，某些C-H键和C-C键断裂，伴随生成少量活泼的氢原子和不稳定的碳基化合物的自由基，这些氢原子或自由基通过复杂的化学反应迅速重新化合，形成氢气和低分子烃类气体，如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等，也可能生成碳的固体颗粒以及碳氢聚合物(即x腊)。

故障初期，所形成的气体溶解于油中，当故障能量较大时，也可能聚集成游离气体，低能量放电性故障，如局部放电通过离子反应，促使最弱的C-H键断裂，主要重新化合成

氢气而积累。C-C键的断裂需要较多的能量，即较高的温度，然后迅速以C-C键、C=C键和C≡C键的形式重新化合成烃类气体，所需要的能量越来越高，即故障温度也越来越高。虽然在温度较低时也有少量乙烯生成，但乙烯主要是在高于甲烷、乙烷的温度，即大约500℃下生成。乙炔一般在800℃-1200℃下生成，而且当温度降低时反应迅速被抑制，作为重新化合的稳定产物而积累，因此虽然在较低的温度下有时也会有少量乙炔产生，但乙炔主要是在电弧的弧道中产生。

变压器油起氧化反应时伴随生成少量的一氧化碳和二氧化碳，并且能长期积累，成为数量显著的特征气体。固体绝缘的主要成分是纤维素，纤维素具有很高的强度和弹性，机械性能良好，其分子内含有大量的无水右旋糖环，以及弱的C-0键，它们的热稳定性比油中的碳氢键差，并且能够在较低的温度下重新化合。

聚合物裂解的有效温度高于105℃，完全裂解和碳化高于300℃，在生成水的同时，产生大量的一氧化碳和二氧化碳，以及少量烃类气体和呋喃化合物，同时油被氧化。一氧化碳和二氧化碳的生成不仅随着温度升高而加快，并且随着油中氧的含量和纸的湿度增大而增加。

开放式变压器溶解空气的饱和量为10%，设备里可以含有来自空气中的300μL/L的二氧化碳在密封设备里，空气也可能经泄漏而进入设备油中，油中的二氧化碳浓度将以空

气的比率存在。设备固体绝缘材料老化时，二氧化碳除以一氧化碳的比率，该比率大于7。当怀疑故障涉及到固体绝缘材料时，该比率小于3，还应该从最后一次的测试结果中减去上一次的测试数据，重新计算比值。

变压器油中气体的组分和成因

油溶气体监测现状

随着在线监测技术的发展，国外公司已开发出全组分气体的在线监测装置。英国Kelman公司的Transfix在线油中溶解气体分析仪利用动态顶空平衡法脱气，使用光声光谱法（Photoacoustic Spectroscopy,PAS）技术作气样监测，克服了环境变化、仪器恒温、信号干扰、机械振动等各种难题，成功地实现在线监测变压器油中的八种故障气体及微水的在线监测。美国AVO公司的TmeGas变压器油中气体在线监测设备可监测多达八种气体。澳大利亚的DRMCC变压器在线监测系统可持续、在线、多方位监测变压器的工作状态，主要监测对象包括溶解在油中的氢气、水、绕组温度、调压抽

头位置等参数。美国CONEDISON公司利用红外光谱的原理来分析并测量CH4、C2H4、CO、CO2、C2H6，用一个氧化物电化学传感器测量H2的浓度。国内研制的同类产品有宁波理工监测设备有限公司推出的TRAN-B型变压器故障在线监测设备。重庆大学研制的在线变压器故障预测系统能够在线监测油中H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6等6种气体的浓度，并采用灰色聚类、糊模式多层聚类、核可能性聚类等多种算法预测油中溶解气体在未来时刻的浓度并诊断变压器在未来时刻的绝缘状况。

气相色谱

气相色谱技术的基本原理是使样品蒸发后注入色谱柱内进行分析。气样由惰性载气携带缓缓通过色谱柱后到达检测器,其间需控制色谱柱的温度以便当气样通过色谱柱时由于其中各类化合物析出时间不同而达到对其分离的目的。随后,将由检测器得到的各化合物析出图谱的时间、面积等参量与该化合物已知浓度图谱对照后得到其浓度值。

气相色谱检测系统工作原理图

有时需要采用多个色谱柱及检测器以便对样品进行精确分析。在油中溶解气体分析过程中,在将气样注入色谱柱之前,先通过真空或顶空脱气法获得气样。

光声光谱

光声效应是由气体分子吸收特定波长的电磁辐射(如红外光)所产生。气体吸收辐射后导致温度上升,此时如将气体置于密闭容器,温升相应导致气体压力增高。如采用脉冲光源照射密闭气体,利用灵敏的微音器即可探测到与脉冲光源

频率相同的压力波。但若将光声效应用于实际检测,则须满足两个前提条件:首先需要确定每种气体特定的分子吸收光谱的特性,从而可对红外光源进行波长调制使其能够激发某一特定气体分子;其次则是确定气体吸收能量后退激产生的压力波强度与气体浓度间的比例关系。

气体（分子量）吸收波长

/nm

灵敏度

/μL·L-1

重叠可测范围

（kelman）

μL·L-1

CH4（14）3390

7746

7974 0.1

0.2

0.4

C2H6 C2H4

C2H2

H2O

0.7~10000

C2H6（30）3390

11614 0.02

2.0

H2O 3~10000

C2H4（28）3390

9425

10194

11111 0.3

0.3

0.2

0.4

H2O 2.5~10000

C2H2（26）7746

12771

14085 0.5

0.3

0.2

H2O

CO2

1~10000

CO（28）4651 0.2 0.1~1000

CO2（44）4405

14085

14970 3.4

1.5

0.1

C2H2 1.9~20000

H2（2）- - - 5~20000

各种气体的红外区可测波长

因此,通过选取适当的波长并结合检测压力波的强度,