摘 要：文章讨论了光声光谱技术应用于实现变压器油中气体便携监测的原理，并与气相色谱分析技术进行了比较。通过光声光谱技术在实际工作中的应用，肯定了该技术在变压器内部故障诊断中的有效性。
关键词：光声光谱；应用；变压器；故障诊断
中图分类号：TM407 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）17-0102-02
准确地了解电力变压器的运行状况对于所有的电力用户至关重要，所有信息将有助于变压器维护并避免突发性故障的发生。油中溶解气体分析及微水检测是公认的充油类电力变压器的首要预防性项目，已广泛运用于各类充油电力设备的日常评估。
实践证明，油中气体分析对发现油浸变压器潜伏性故障是非常有效的，可以发现利用其它电气试验很难发现的局部缺陷，是监督和保障设备运行安全的一个重要手段。
目前我们试验室中所采用的一般都是气相色谱分析技术，该方法测量原理的系统结构相对复杂，操作环节较多，维护成本高，最关键从现场采样后不能就地及时试验，影响试验数据的准确性。近年来，光声光谱技术的应用打破了试验室气相色谱分析技术使用的局限性，实现了取样后就地试验，使我们能够及时了解设备运行情况，准确的对充油设备进行故障分析判断，并且大大降低了油务监督成本。
1 光声光谱与气相色谱测量原理监测系统的常规对
比
①采用光声光谱测量原理的系统结构简单可靠，而采用气相色谱测量原理的系统结构相对复杂。因此前者的系统可靠性更高。
采用光声光谱原理仪器核心部件就是采用动态顶空法的脱气模块和采用光声光谱原理的光声光谱测量模块。在动态顶空室经过高效脱气分离后的混合气体直接进入光声室，由光声光谱测量模块进行检测，不需要组分分离模块。
采用气相色谱测量原理的系统的性能主要取决于油气分离模块、组分（色谱）分离模块，气体检测模块的性能。而实现组分分离也是在线色谱的核心，组分分离度和进样量两项指标直接影响了系统的性能。良好的组分分离度要求各组分都可以得到很好的分离，而进样量的一致性则对测量结果影响较大。对柱温的精确要求以及对高精密气路切换的要求等极大地增加了系统的复杂性，导致了系统可靠性的降低。总之，系统结构的复杂和不稳定性成为制约系统可靠性的瓶颈。
②采用光声光谱测量原理的系统测量技术先进，代表了未来变压器油中溶解气体及微水在线检测的发展趋势。而采用气相色谱测量原理的系统在早期应用得更为普及。前者的测量精度更高，重复性好，乙炔的最低测量下限超过了国家标准，而后者的测量精度相对较低。
③采用光声光谱测量原理的系统测量效率高，而采用气相色谱测量原理的系统的测量效率相对较低。前者的最短检测周期可达1 h 1次，能最大程度的体现在线检测的意义。
光声光谱系统采用高效的动态顶空法进行脱气，所需要的油样少，脱气时间短，在很短的时间就可以达到动态平衡。测量周期最短可以设置成1 h 1次，能最大程度的实现在线检测。而采用气相色谱测量原理的系统，其脱气过程大多比较长。目前普遍使用的高分子膜，平衡时间较长，使测量失去了及时性。
④采用光声光谱测量原理的系统性价比更高，能真正实现免维护，无后续投资，因此长期使用投资回报率更大。而采用气相色谱测量原理的系统性价比相对较低，人工维护量大，需后续投资。
采用光声光谱测量原理的系统的关键设备使用寿命长，而采用气相色谱测量原理的系统的关键设备使用寿命较短。绝大多数的基于气相色谱测量原理的系统内的色谱柱、传感器的寿命在2～4 a左右，这与变压器的30 a的设计寿命相比，监测系统本身所需要的维护周期太短。
⑤采用光声光谱测量原理的系统不需要标气、载气、色谱柱等耗材，而采用气相色谱测量原理的系统则需要上述耗材。
光声光谱技术测量环节中没有色谱柱，不存在色谱柱的污染、老化、饱和等因素，因此不需要用标气进行标定，而后者的测量环节由于有核心部件色谱柱，存在老化的现象，需要用标气对其进行定期标定。
光声光谱技术测量过程中不需要载气，而后者需要定期更换载气。采用气相色谱测量原理的在线检测系统，使用高纯载气携带特定量的混合特征气体通过色谱柱，其消耗性载气（高纯氮气、氦气）通常可用一年，如果检测周期较短的话，消耗更快。其对消耗性高纯载气的依赖也增大了在线应用时的维护工作量。长期而言，消耗性备件需求大。在变压器现场的高压气瓶也可能存在安全隐患。
光声光谱测量环节中没有无色谱柱，因此也没有色谱柱老化、污染、饱和等缺点；无固态半导体传感器，因此也不受CO或其他气体污染，不存在被污染的可能。后者的色谱柱等关键设备色谱柱容易因污染而导致测量误差，有一定的使用寿命，需要定期更换。
2 光声光谱原理介绍
光声光谱学是以光声效应为基础的一种新型光谱分析检测技术。它是光谱技术与量热技术结合的产物，是20世纪70年代初发展起来的检测物质和研究物质性能的新方法。
一个简单的灯丝光源可提供包括红外谱带在内的宽带辐射光，采用抛物面反射镜聚焦后进入光声光谱测量模块。光线经过以恒定速率转动的调制盘将光源调制为闪烁的交变性号。由一组滤光片实现分光，每一个滤光片允许透过一个窄带光谱，其中心频率分别与预选的各气体特征吸收频率相对应。在预选各气体的特征频率时可以排除各气体的交叉干扰，通过对安装滤光片的圆盘进行步进控制，就可以依次测量不同的气体。经过调制后的各气体特征频率处的光线以调制频率反复激发样品池中相的气体分子，被激发的气体分子会通过辐射或非辐射两种方式回到基态。对于非辐射驰豫过程，体系的能量最终转化为分子的平动能，引起气体局部加热，从而在气池中产生压力波（声波）。使用微音器可以检测这种压力变化。声光技术就是利用光吸收和声激发之间的对应关系，通过对声音信号的探测从而了解吸收过程。由于光吸收激发的声波的频率由调制频率决定；而其强度则只与可吸收该窄带光谱的特征气体的体积分数有关。因此，建立气体体积分数与声波强度的定量关系，就可以准确计量气池中各气体的体积分数。
3 光声光谱技术应用实例
内蒙古超高压供电局高压油务班对各变电站充油设备取油样，采用光声光谱技术进行油中溶解气体检测，并结合试验室气相色谱仪所测数据进行对比分析，验证了光声光谱技术现场测试数据的有效性，为其进一步的推广积累了大量基础数据。
①特征气体含量对比（氢气、乙炔、总烃）。对于特性气体对比，如氢气、乙炔、总烃，光声光谱原理与气相色谱原理相比，其数据基本成同一正比关系，其趋势相同，如表1～表3所示。
②数据重复性验证。对比光声光谱测试仪测试数据重复性问题，高压油务班进行了现场数据验证。对于相同油样，仪器所测多次数据重复性良好。
③降本增效明显。通过对我局500 kV丰泉变电站、500 kV塔拉变电站等5座变电站的光声光谱技术应用工作开展，充油设备绝缘油监测维护成本获得初步降低。便携色谱仪协助台式色谱仪完成油样的跟踪监测和常规监测，使油样监测的生产总成本降低30%。同时，将跟踪监测成本占总油样色谱试验总成本的比例由25%，下降到10%。
4 光声光谱技术推广理由
①随着电网的不断扩展和线路电压等级的不断提高，相应地需要进行专业监督的设备数量也不断增加。充油设备取油样、油色谱试验已经成为变电站日常维护工作中很大的一个部分，已占生产成本很大的比例。大量的取油样及色谱试验工作量巨大、维护成本高，尤其取样成本太高已成为生产单位降本增效亟待解决的问题。
②变电站多数距试验室距离较远，取样往往耗时较长，使得取样后进行色谱试验不及时，影响数据测试的准确性。
③结合光声光谱技术应用情况，该技术数据稳定性及其与试验室色谱仪数据可比性符合我们对设备监测的要求。
④采用光声光谱技术测量过程较为简单，从某种程度上可以减小测量的系统误差，而且该技术的精度和重复性不会随着测量次数的增多而使测量精度产生漂移，不受使用时间的影响，由此可知光声光谱技术有更好的重复性和较高的测量一致性。
5 结 语
实践证明采用光声光谱技术进行油中溶解气体分析及故障诊断是非常有效的。光声光谱技术的应用，使我们加强了对处理突发、潜伏故障的反映速度，及时对充油设备运行情况评估，提高了工作效率，保证了设备的安全稳定运行。在今后的工作中，我们应加大光声光谱技术的应用，把我们的绝缘监督工作做得更好，为电网安全稳定运行服务。
参考文献：
[1] 贺绍鹏.基于光声光谱技术的电力变压器故障检测系统研究[D].上海：上海交通大学，2010.
