第一章 绪论
1.1 电力变压器故障检测技术研究的目的和意义
随着电网建设的高速发展，社会对电网的安全稳定提出了更高的要求。近年来，电力行业积极应用在线监测技术，开展状态维修，加强设备的常规测试和综合分析，及时消除了一些设备隐患，使全国电网 2001 年的供电可靠率高达 99.99%，但这与发达国家的供电可靠率相比仍有很大差距。电气设备故障，尤其是电力变压器故障，一直是危害电网稳定安全运行的主要因素。因此，对电力变压器的运行状态进行及时的故障检测甚至实时在线监测显得尤为重要，直接关系到电网的稳定可靠运行。
充油式电力变压器的内部主要绝缘材料有变压器油，纸和纸板等 A 级绝缘材料，在长期运行过程中，当发生局部放电，火花放电和油过热等故障时，就会导致变压器油，纸等发生裂解，从而产生一些特征气体如 CH4，C2H4，H2，CO，CO2，C2H2等，而这些气体之后又溶解于绝缘油中。因此，分析油中溶解的故障气体的成分和比例，可以及时判断潜伏性故障的类型，程度及发展趋势，同时建立起了一系列的国际国内标准。经过调研得知，目前变电站，发电厂等电力部门，主要采用的变压器故障诊断方法都是基于实验室油中溶解气的色谱分析，多年使用下来，技术也比较成熟，同时，各方评价都比较好，而且是目前来说电力部门最信任的方法。然而，随着科技的发展，以及智能化水平的提高，电力部门也对电气设备的智能诊断和监测提出了更高要求。因此，越来越多的基于油中溶解气体色谱分析的在线监测设备已经面世，尽管取得了一定程度的效果，但仍然存在许多问题。
近十几年来，为了实现变压器油中溶解气体的实时或定时监测以及时发现故障，国内外都致力于在线监测及诊断设备的研制，相继研制出了一些具有实用价值的油中溶解气体在线监测及诊断装置。主要包括：以半导体传感器作为检测器的在线监测仪器，以催化燃烧型传感器为检测器的在线监测系统，基于燃烧电池型传感器的在线监测系统，以光敏气体传感器为检测器的在线监测系统，采用色谱分析的在线监测系统，基于傅立叶红外光谱技术在线监测系统等等。但是，上述在线监测系统均有其致命弱点。基于传感器的在线监测系统具有线性度差，且对气体的选择性不够理想，同时信号采集传输过程中抗干扰能力差，此外传感器的寿命及长期工作稳定性也差，从而限制了其推广应用。而基于色谱分析的在线监测设备，由于仪器中采用色谱柱等易耗器件，且大部分仪器还采用透气膜取气的方式进行油气分离，同时监测过程中还要使用载气，导致整套仪器体积笨重，成本昂贵，并且需要频繁维护更新元件，给电力工作人员带来很多操作上的麻烦。而基于傅立叶红外光谱技术的在线监测设备却不能检测重要的特征气体 H2，同时由于傅立叶红外光谱技术是基于红外光透射的原理，所以气体分子对红外光的折射和散射降低了气体检测的灵敏度和线性度。因此，现在需要新的技术，可以在克服上述技术缺陷的基础上更好的实现变压器油中溶解气的在线监测。作者就是基于上述需求出发，研发了一套基于光声光谱检测技术的电力变压器故障检测系统，该系统既可以用于离线的应用，又可以方便地扩展为在线监测系统。
目前，世界上仅英国Kelman公司有相关产品面市，并且其产品已在国内外各大电力部门进行了一系列的现场及实验室对比测试，测量结果与传统的实验室气相色谱测量结果无显著差异。但是，国内在这方面的产品还是一个空白，没有具有自主知识产权的相关产品。此外，Kelman公司的设备由于采用机械调制等技术，导致其设备在抗干扰能力和长期稳定可靠运行方面仍然存在很多问题需要解决，这些问题也是我们实验室今后要逐步解决的问题。总之，与传统的电力变压器故障检测设备相比，基于光声光谱技术的变压器油中故障检测系统具有灵敏度更高，可检测范围宽，不消耗被测样品，不消耗载气，同时可以方便的监测H2的相对体积分数等一系列优点，且各方面的预期指标均远高于传统的故障检测设备，具有十分重要的研究价值和实际意义。
1.2 电力变压器故障检测技术研究现状
基于电力变压器油中溶解气体的故障检测技术可以追溯到 1921 年，德国的 MAXBuhholz 发明出一种可以安装在变压器和其他充油电气设备上的气体瓦斯继电器，为当时的变压器故障检测起到很大的推动作用，至今仍然是变压器不可缺少的一种保护装置，但是毕竟有其不足之处，例如它必须等到变压器油中所溶解的故障气体达到饱和之后析出气体时才能起到报警作用，同时，尽管发生报警，但是也无法告知人们故障的性质和类型，所以这种方法的实时性和可靠性不是很高。为了克服上述瓦斯继电器的缺陷所在，1949 年 M.R.Dickson 等人提出了采用化学分析的方法对变压器油中溶解的故障气体进行分析，通过故障特征气体与预先准备好的反应物之间发生化学反应所引起的反应物物理表象的表征来判断故障特征气体的类型。但是这类型的电化学传感器的准确度，灵敏度，线性度都比较差，无法实现准确的定量分析，用来判断电力变压器的故障还是不方便。到了 1960 年，美国能源部采用质谱法分析变压器故障气体，尽管准确度，灵敏度都很高，而且检测气体种类丰富，但是由于其成本高，价格昂贵，仍然很难推广应用，更不适合于在线应用。自从 1952 年 Martin 等人发明气相色谱分析仪，气相色谱仪很快被应用到化工，农业，生物等各个行业。于 1961 年Pugh 等人首次将气相色谱仪应用到电力变压器油中溶解气体检测中，并且取得了很好的效果，而且国际国内都针对气相色谱检测电力变压器油中溶解特征气体的判断变压器故障的方法制定了相应的标准，成为目前最可信赖的基于变压器油中故障气体来诊断变压器状态的检测手段。近年来，随着色谱技术的不断发展，基于气相色谱的在线式变压器故障监测设备逐渐面市。世界上有很多著名的公司和科研机构都踊跃投入到在线监测的研究中，并且随着诊断方式的不断完善，大大提高了变压器运行维护和故障检测水平。
第二章 光声光谱技术及系统方案设计
2.1 光声光谱技术研究现状
1880 年 Alexander Bell 发现了光声效应，并且提出：如果用固体试样，则越是多孔的，海绵状的，黑色的试样，越能产生较强的声波。一年后，科学家 Tyndal 和Ronetgen 等对气体试样观察到了同样的光声效应。但此后很长一段时间中，再无人研究和提及光声效应，直到 1938 年，苏联学者 Viengerov 研制出世界上第一台检测气体浓度的光声光谱装置，并且成功地检测了混合气体各成分的浓度。上世纪六十年代末，随着激光器的出现和电子检测技术的进步，进一步推动了光声光谱技术的发展。特别是大功率激光器以及高灵敏度的微音器和性能优越的锁相放大器极大地提高了光声光谱仪的检测灵敏度。1968 年，Kerr 和 Atwood 等人利用红宝石激光器作光源研制成功了检测空气中水分子的红外吸收光谱的光声光谱检测系统。
1978 年J.Cihelka 等人用半导体 GaInAsSb/AlGaAsSb 激光器作为可调谐的辐射源，利用光声光谱技术检测了汽车尾气中甲烷和乙烯等废气的浓度。2000 年，Nibker 等人采用光声光谱技术检测了物质燃烧产物 CH4，CO，CO2气体的浓度。2002 年荷兰 Nijmegen大学的光声光谱小组搭建的光声光谱检测系统将乙烷的检测灵敏度提高到了 1×10-11的水平。2003 年英国 Kelman 公司首次研制成功基于光声光谱技术的电力变压器油中溶解气便携式检测系统。国内早在 1977 年就展开了光声光谱技术的研究，北京大学首先利用光声光谱技术进行大气污染气体的检测。从 1979 年以来，国内已有二十几个研究机构和科研单位相继展开了气体光声检测技术的研究，并取得了一系列实质性的突破。1983 年，中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功了 GS-1 型光声光谱仪，可应用于物理，化学，医学等多个领域。1995 年大连理工大学的于清旭采用纵向共振光声池放入双能级跃迁 CO 激光器光学谐振腔内构成高灵敏度光声探测器，使得对 NO2和 CH4两种气体的光声光谱检测灵敏度分别达到 37×10-11和 37×10-12的数量级。1996 年苏州大学研制成功了 P-600 型光声光谱仪，成为国内首款商品化了的光声光谱仪。2004 年，哈尔滨工业大学的王书涛等人将光声光谱技术和光纤技术相结合研制出基于光声光谱法的光纤气体传感器，用光纤相位传感器代替了传统的微音器检测光声信号，对SO2气体的最低检测灵敏度达到 1.2×10-10。
第三章 油气分离与光声模块系统设计........................... 29-48
3.1 油气分离装置设计........................ 29-32
3.1.1 油气分离装置研究现状........................ 29-30
3.1.2 油气分离装置方案设计........................ 30-32
3.2 光声模块设计 ........................32-34
3.3 光声腔设计与研究 ........................34-40
3.4 光声腔的制作与性能研究 ........................40-42
3.5 光声腔谐振管材质优选设计研究........................ 42-45
3.6 空气动力学冷却现象 ........................45-47
3.7 本章小结........................ 47-48
第四章 光声信号检测调理模块设计........................ 48-64
4.1 光声信号检测调理模块方案设计........................ 48
4.2 模拟锁相放大器设计........................ 48-58
4.3 数字锁相放大器设计........................ 58-62
4.4 模拟锁相放大器与数字锁相放大器........................ 62-63
4.5 本章小结........................ 63-64
第五章 系统检测精度实验标定及混合气体交........................ 64-70
5.1 光声光谱模块性能实验测试系统的搭建........................ 64-66
5.1.1 配气系统的搭建........................ 64-65
5.1.2 实验测试系统 ........................65-66
5.2 实验结果及分析........................ 66-67
5.3 多组分气体交叉影响修正........................ 67-69
5.4 本章小结........................ 69-70
结论
本文的工作主要是光声光谱技术在电力变压器故障检测中的应用，首先对目前电力变压器故障检测的技术现状和光声光谱技术现状进行了描述，并在此基础上提出了我们自己的基于光声光谱技术的电力变压器故障检测系统设计方案。接着对系统的两个重要组成部分：油气分离和光声光谱核心模块进行了设计，并且对各个组成部分的工作特性进行了实验测量，为今后的基于光声光谱技术的电力变压器故障检测技术打下了坚实的基础，并且得出下列研究成果和结论：
1. 在第一章中设计的四种电力变压器在线监测方案都是十分可行的，而且初步反应了未来光声光谱技术在电力变压器在线监测中应用的发展方向和趋势。
2. 对光声模块，特别是光声腔进行了理论设计与加工，同时对其工作特性进行了实验测定。
3. 信号调理系统的设计，分别设计和制作了模拟锁相放大器和数字锁相放大器，经比较推荐系统使用数字式锁相放大器，以保证工作的可靠性和稳定性。
参考文献
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