1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
受到绝缘水平的限制，电力系统中发电机输出端电压等级必定不能采用过高水平。因此，从各种类型的发电厂发出的电能，需要经过升压变压器将电压升高以送至输配电网络；电能传输至用户时，又需要将电力网络的高电压经过降压电力变压器将电压等级转变为符合用户各种电气设备要求的额定电压。就我国目前而言，输电网络的最高电压等级已经达到交流输电1000KV，直流输电 800KV的水平[1-3]。大型电力变压器是电力系统中重要的输变电设备，在电力系统中处于枢纽地位。然而，电力变压器的故障不仅影响电力系统的输电能力，还可能造成电力系统的大规模停电，给电力系统和国民经济带来巨大损失。另外电力变压器和与之配套的电抗器、电流互感器、电压互感器等都是电力系统中重要的电气设备，这些充有矿物绝缘油和以纸或层压纸板为绝缘材料的电气设备的运行状态对电力系统运行的可靠性具有决定性意义。因此，随时检测变压器状态，及早发现并排除变压器可能存在的故障，已成为保障供电可靠性的重要手段之一，是电力系统中一项具有重大理论和实用价值的课题。据统计表明，当前电力系统中使用的电力变压器的内绝缘形式绝大多数采用油纸绝缘结构[4]。为了能够及早发现电力变压器内部存在的潜伏性故障，目前电力运行部门普遍采用分析运行中的电力变压器油中溶解气体的成分、含量及产气速率等指标，并以此数据分析电力变压器具体故障类型并判断其是否会危及安全运行的方式。
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1.2 课题研究现状
当前，虽然SF6气体绝缘和蒸发冷却式气体绝缘变压器以及干式变压器与交联聚乙烯电缆绕组变压器等都得到了一定程度的应用，具有良好的发展前景，但在电压等级高、容量大的大型电力变压器的应用领域，国内外仍然普遍采用充油式电力变压器。目前电力系统中运行的大型电力变压器主要采用油、纸绝缘的方式。变压器绝缘油是由天然石油经过蒸馏、精炼而获得的一种矿物油。它是各种碳氢化合物所组成的混合物,包括了碳、氢、硫、氮、氧及极少量的金属元素，其中，碳氢达到其全部重量的95%-99%。石油基碳氢化合物有环烷烃（CnH2n）、烷烃（CnH2n+2）、芳香烃（CnH2n-m）以及其他一些成分[12]。变压器油起着绝缘与散热的双重作用。正常运行的充油电力变压器内部的绝缘材料在热、电等条件作用下，其化学结构逐渐改变、物理结构逐渐老化，在这个过程中，将产生若干种类的气体，如甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、氢气（H2）等，也可能生成碳的固体颗粒及碳氢聚合物。溶解于变压器油中的故障特征气体，一方面破坏了绝缘油的整体组成，使得绝缘材料的机电强度显著降低；另一方面为变压器故障原因的分析提供了依据。大型电力变压器的内部故障主要可划分为：机械故障、热故障、电故障。从表现形式看，机械故障也是导致热故障及电故障的原因之一。
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2 电力变压器油中特征气体拉曼光谱检测原理
2.1 电力变压器油中气体的现存主要检测方法
运行中电力变压器绝缘油中溶解的气体是绝缘油在变压器运行或故障并出现绝缘性能劣化过程中的一种产物。电力变压器绝缘油劣化是绝缘油受运行过程中温度、电场、空气、水等外部条件以及铜、铁等材料作为催化作用而发生氧化、裂解、碳化等反应，进而产生相关氧化产物、低分子烃类气体、氢气及其他固体的一个过程。该过程是物理、化学过程的综合作用。已经取得的研究成果表明，DGA 是对大型电力变压器进行潜伏性故障分析的有效方法。绝缘油中溶解的 7 种特征气体的性能指标是判断电气设备运行状态、故障原因、维修方案的重要依据，已被作为掌握电力变压器运行状态的研究目标进行了长期深入的分析及应用。对各种特征气体的组分和含量的精确检测是判断变压器早期潜伏性故障及精确实施 DGA 技术的前提和基础。目前运用于 DGA 的方法主要有气相色谱法、光声光谱法等[48-52]。目前气相色谱分析技术己日趋成熟，并广泛用于各种充油电气设备的监测。国内外研究中傅若农对气相色谱的研究和应用进行了综述和简单前景分析[53]；马金凤及其课题组利用凝胶渗透色谱-气相色谱质谱法成功测定了花生中46种农药残留[54]；阮永菲基于传统气相色谱检测方法，结合半导体高低温冷阱装置排除SF6气体的影响且低温富集一些特征分解产物，检测SF6气体分解的特征产物浓度[55]。但气相色谱技术所存在的缺陷造成了其应用的局限性。其一，检测精度不高；其二，检测过程中消耗大量载气；其三，对于易分解、腐蚀性和反应性较强的物质，气相色谱分析较为困难，故仅有 20％左右的有机物能用气相色谱测定；其四，考虑其样品鉴定器的实际运行条件，其应用范围主要存在于实验室中，有悖于发展电力变压器状态在线监测的重要趋势。
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2.2 光散射基本原理
利用拉曼散射原理对电力变压器油中特征气体进行检测及分析，关键环节在于促成特征气体与光发生拉曼散射作用，有必要对以拉曼散射为代表的光散射原理进行分析。光散射过程是光子与分子相互碰撞作用后产生的非弹性过程。散射过程伴随是入射光子的湮灭与散射光子的发射，分子从原来所处的某一本征能级跃迁值另一本征能级。在近似作用下当分子在其本征能级见跃迁时，仅有的形式是在电磁波的一个波形内的一个光子数的变化。但在拉曼散射过程中，当散射分子由一个本征能级向另一个本征能级跃迁的同时，电磁场内将伴随两个光子的变化，即入射光波形内一个光子数减小，散射光波形内的一个光子数增加，故可将该过程视为二能级跃迁过程。在该过程的第一阶段，散射分子吸收一个光子并离开它所处的初始本征能级，形成量子跃迁；过程的第二阶段，分子发射（或吸收）一个光子并到达新的本征能级上。
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3 电力变压器油中特征气体拉曼光谱检测系统 .......17
3.1 油路系统 .......17
3.2 气路系统 .......24
3.3 光路系统 .......26
3.3.1 激发光源 .......27
3.3.2 样品光路 .......27
3.3.3 分光光路 .......30
3.3.4 光检测器 .......31
3.4 小结 ........32
4 电力变压器油中特征气体拉曼光谱检测特性分析.....33
4.1 变压器油中特征气体在中空型高分子聚合物渗透模.......33
4.2 变压器油中特征气体检测拉曼光谱信号分析...........37
4.3 针对拉曼谱峰特征的电力变压器油中特征气体检测分析....42
4.4 电力变压器油中特征气体拉曼光谱检测极限...........47
4.5 小结 ........48
5 基于光谱数据拟合的拉曼光谱检测谱峰特征参数提取..........49
5.1 光谱的线形与线宽....49
5.2 基于谱峰拟合的拉曼光谱特征参数提取模型..........50
5.3 基于谱峰拟合的拉曼光谱特征参数提取模型检验..........53
5.4 小结 ........58
5 基于光谱数据拟合的拉曼光谱检测谱峰特征参数提取
在本文第四章中，对电力变压器油中特征气体拉曼光谱检测实验数据进行了一系列处理，并得出了变压器油中气体拉曼光谱检测相关实验数据，获得了对应特征气体的特征拉曼频移及谱峰高度数值。从光谱图上分析，特征气体的拉曼频移数值为其拉曼检测光谱图中谱峰处 x 轴坐标数值。在目前实验条件下，人为对拉曼频移的读数往往是不精确的，对于精度要求更高的定性或定量分析而言，这一方法往往无法实现检测目标。因此，应从光谱数据本身寻求特点，建立数学模型，探讨光谱数据所体现的特有波形结构及该结构所反应的拉曼谱峰相关参数与光谱数据的对应关系，进而利用光谱数据对拉曼谱峰特征参数进行提取。首先应以拉曼谱峰结构特点为基础，寻求数学模型的建立依据。
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结论
在电力系统中，大型电力变压器作为重要变电装备，已被广泛投入使用。输变电系统电压等级的逐步提高，使得对大型电力变压器的运行状态检测及故障诊断与排除工作显得愈发重要。大型电力变压器状态检测及故障诊断的若干方法中，油中溶解特征气体检测方法具有具有极大优势与研究价值。
(1)本文在对比现存变压器油中气体检测方法的基础上，研究了拉曼散射作用原理，明确基于拉曼光谱的电力变压器油中特征气体检测与光谱信号定性及定量分析方法。
(2) 研究并设计了基于中空管式渗透膜的绝缘油中油气分离装置，实验表明，所采用的中空管式渗透膜在实验油温 50℃-60℃时，可实现油中所溶解的 7种故障特征气体的油气分离；从渗透系数随温度变化趋势角度研究，总结出随绝缘油温度升高，2H 和2CO 的渗透系数提高最为明显。
(3)根据所确立的拉曼光谱检测基本原理，结合利用中空管式渗透膜进行油气分离、基于共心腔的样品池，本文设计了电力变压器油中特征气体拉曼光谱检测实验系统，结合各模块在其他拉曼光谱检测系统及本实验系统中作用的共性与特性，对系统各部分进行了优化。
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参考文献（略）