基于光谱吸收法的变压器油中气体含量在线监测装置的制作方法

本实用新型涉及变压器油在线监测技术领域，尤其涉及一种基于光谱吸收法的变压器油中气体含量在线监测装置。

背景技术：

变压器不仅是电力设施中最为昂贵和重要的设备，而且变压器故障或老化会造成非常严重的电网事故。所以对变压器运转状态和健康状态进行实时监测，有助于提高电力设施的安全性和稳定性。由于变压器发生故障时产生的特征气体种类较多，因此对单一组分气体进行监测只能对变压器故障进行初步分析。而通过对变压器油中溶解的多组分特征气体进行监测，则能够获知变压器故障的详细信息，从而更准确的判断变压器故障类型和原因。目前，变压器油中溶解气体含量的检测主要包括两个方面的技术，即油气分离和多组分气体检测。

油气分离方法从原理上区分主要有溶解平衡法和真空脱气法，真空脱气法的脱气效率最高，但是为保证脱气效果，需要严格控制系统的真空度，因此对系统的真空度和真空泵要求很高，造成其结构复杂、可靠性较差，不适合于在线检测应用。在线监测设备上采用的主要是溶解平衡法，溶解平衡法因为平衡手段的不同又分为机械振荡法、动态顶空法以及膜分离方法等，其中机械振荡法因其脱气率较高、重复性好，常被作为其他脱气方法脱气率标定的标准，但是操作过程和装置相对复杂，不适用于在线设备；膜分离方法装置简单，但是脱气时间较长，不能很好地满足在线监测的要求，目前仍处于研究阶段；动态顶空法是目前在线设备应用较多的脱气方法。目前，动态顶空法中常采用高纯N2吹扫，成本较高；另外，其采用在脱气瓶底部设搅拌装置或鼓泡装置的方式，使油中溶解气体分离到脱气瓶顶部的气室中，但分离效果有待提高。

目前，气体监测有两大类方法：化学分析法和光谱分析法，化学法主要有色谱分析法，质谱分析法以及色谱-质谱联用分析法等，具有很高的灵敏度，测量结果的可信度高，但响应速度慢，无法在线应用。光谱法包括傅立叶变换红外光谱技术(FTIR)、光声光谱技术(PAS)和可调谐激光吸收光谱法技术(TDLAS)等。傅里叶变换红外光谱法的设备比较庞大，响应速度也相对较慢；现有的光声气体测量装置主要是采用单端单光源入射到气体池中，其光源的单一性决定了测量气体的种类少，局限性很大。在某些研究中采用的是一个光源对应一个气体池的方式解决多光源耦合问题，但随着组分的增加，气室也要相应增加，装置的复杂性加大。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种基于光谱吸收法的变压器油中气体含量在线监测装置，解决了目前气体测量装置的被测气体受背景气体交叉干扰导致的测量精度低，测量时间长，装置复杂，测量气体单一，测量环境范围窄的问题；具有测量精度高，测量时间短，装置简单，可测量多种气体，且测量环境范围宽的优点。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现：

基于光谱吸收法的变压器油中气体含量在线监测装置，包括负压恒温的动态顶空脱气模块和基于TDLAS的多组分气体浓度检测模块；其中：

所述负压恒温的动态顶空脱气模块，包括脱气瓶、与脱气瓶相连的气路部分和油路部分；其特征在于，还包括油气混合器；所述气路部分包括连接在脱气瓶的顶部出气口与油气混合器的气体入口之间的气路管道，以及沿气体流动方向依次设置在气路管道上的油气过滤装置、压力传感器、气体吸收池、气泵、第一气阀、第二气阀和单向阀；其中第一气阀还设有排气口，第二气阀还设有洁净空气入口；所述油路部分包括连接在脱气瓶的进油口与变压器送油口之间的第一油路管道，以及连接在脱气瓶的出油口与变压器回油口之间的第二油路管道；第一油路管道上沿进油方向依次设有第三油阀、第一油阀及第一液位传感器；第二油路管道上沿出油方向依次设有第二油阀和第四油阀，第二油阀和第四油阀之间的第二油路管道通过油泵连接油气混合器的油入口；第一油阀和第三油阀之间的第一油路管道连接油气混合器的混合油气出口；脱气瓶内设第二液位传感器和温度传感器；

所述基于TDLAS的多组分气体浓度检测模块，包括信号发生器、锁相放大器、激光驱动器、激光器选择器、激光器底座、激光器、光纤耦合器、准直器、聚焦器、探测器、数据采集卡、控制模块、流量计和气泵；信号发生器通过输出信号线分别与锁相放大器、激光驱动器连接，激光驱动器与激光器选择器连接，激光器选择器与多只激光器底座连接，每只激光器底座上分别对应安装激光器；各激光器通过输出光纤连接光纤耦合器，光纤耦合器的输出尾纤连接准直器，准直器安装在气体吸收池的入射端口，气体吸收池的出射端口安装聚焦器，聚焦后的激光由探测器接收，探测器通过输出信号线连接锁相放大器，锁相放大器的输出端连接数据采集卡的输入端，数据采集卡的输出端通过数据线连接控制模块，控制模块连接信号发生器；气体吸收池的进气口连接流量计的输出端，气体吸收池的出气口通过气泵连接废气处理装置。

所述压力传感器、气泵、第一气阀、第二气阀、第三油阀、第一油阀、第一液位传感器、第二油阀、第四油阀、油泵、第二液位传感器和温度传感器分别连接控制系统。

所述第二液位传感器设于脱气瓶的上部，温度传感器设于脱气瓶的下部。

所述脱气瓶的外侧设有可控温电加热装置。

所述油气过滤装置为聚四氟乙烯薄膜。

所述油气混合器为静态混合管。

所述第二气阀的洁净空气入口通过空气过滤器与大气连通。

所述气体吸收池为空心光纤气室、怀特池、赫里奥特池或长光程气室。

所述激光器为DFB激光器。

所述探测器为光电探测器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、负压恒温的动态顶空脱气模块与现有脱气装置相比：

1)采用油气混合器代替常规的鼓泡或电磁搅拌装置，气体与油通过油气混合器混合，再通过油泵充分接触，使得油气混合效率更高，并且简化了装置结构；

2)抽取洁净空气为载气，与用氮气吹扫相比，成本更低；

3)采用空心光纤气室、怀特(White)、池赫里奥特(Herriott)池、长光程气室等体积较小的气体吸收池，配合中红外激光器实现ppb级别检测，其需油量和需气量小，有利于简化脱气瓶结构，并使脱气时间变短；

4)脱气瓶采用负压高温环境，提高脱出气体的浓度，提高脱气速度；

5)采用恒温恒压的脱气与气体检测环境，脱气重复性高，气体检测重复性和精度高；

2、基于TDLAS的多组分气体浓度检测模块与现有多组分气体检测装置相比：

1)基于分时扫描的时分多路技术来实现对多组分气体的实时检测，实现同时检测多种成分气体的浓度；

2)利用光纤耦合器实现一个气体吸收池的设计，极大简化了多组分气体检测的装置体积；

3)整套装置不需要消耗性载气和易污染老化的色谱柱和复杂的气路控制系统，可消除背景气体交叉干扰。

附图说明

图1是本实用新型所述负压恒温的动态顶空脱气模块的结构框图。

图2是本实用新型所述基于TDLAS的多组分气体浓度检测模块的结构框图。

图中：101.气体吸收池 102.气泵 103.第一气阀 104.第二气阀 105.空气过滤器 106.单向阀 107.压力传感器 108.油气过滤装置 109.第一油阀 110.第二油阀 111. 油泵 112.油气混合器 113.第三油阀 114.第四油阀 115.脱气瓶 116.温度传感器 117.第一液位传感器 118.第二液位传感器 201.信号发生器 202.锁相放大器 203. 激光驱动器 204.激光器选择器 205.激光器底座 206.激光器 207.光纤耦合器 208. 准直器 101.气体吸收池 209.聚焦器 210.探测器 211.数据采集卡 212.控制模块 213.流量计 102.气泵

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：

本实用新型所述基于光谱吸收法的变压器油中气体含量在线监测装置，包括负压恒温的动态顶空脱气模块和基于TDLAS的多组分气体浓度检测模块；其中：

如图1所示，本实用新型所述负压恒温的动态顶空脱气模块，包括脱气瓶115、与脱气瓶115相连的气路部分和油路部分；还包括油气混合器112；所述气路部分包括连接在脱气瓶115的顶部出气口与油气混合器112的气体入口之间的气路管道，以及沿气体流动方向依次设置在气路管道上的油气过滤装置108、压力传感器107、气体吸收池101、气泵102、第一气阀103、第二气阀104和单向阀106；其中第一气阀103还设有排气口，第二气阀104还设有洁净空气入口；所述油路部分包括连接在脱气瓶115的进油口与变压器送油口之间的第一油路管道，以及连接在脱气瓶115的出油口与变压器回油口之间的第二油路管道；第一油路管道上沿进油方向依次设有第三油阀113、第一油阀109及第一液位传感器117；第二油路管道上沿出油方向依次设有第二油阀110和第四油阀114，第二油阀110和第四油阀114之间的第二油路管道通过油泵111连接油气混合器112的油入口；第一油阀109和第三油阀113之间的第一油路管道连接油气混合器112的混合油气出口；脱气瓶115内设第二液位传感器118和温度传感器116；

如图2所示，本实用新型所述基于TDLAS的多组分气体浓度检测模块，包括信号发生器201、锁相放大器202、激光驱动器203、激光器选择器204、激光器底座205、激光器206、光纤耦合器207、准直器208、聚焦器209、探测器210、数据采集卡211、控制模块212、流量计213和气泵102；信号发生器201通过输出信号线分别与锁相放大器202、激光驱动器203连接，激光驱动器203与激光器选择器204连接，激光器选择器204与多只激光器底座205连接，每只激光器底座205上分别对应安装激光器206；各激光器206 通过输出光纤连接光纤耦合器207，光纤耦合器207的输出尾纤连接准直器208，准直器 208安装在气体吸收池101的入射端口，气体吸收池101的出射端口安装聚焦器209，聚焦后的激光由探测器210接收，探测器210通过输出信号线连接锁相放大器202，锁相放大器202的输出端连接数据采集卡211的输入端，数据采集卡211的输出端通过数据线连接控制模块212，控制模块212连接信号发生器201；气体吸收池101的进气口连接流量计213的输出端，气体吸收池101的出气口通过气泵102连接废气处理装置。

所述压力传感器107、气泵102、第一气阀103、第二气阀104、第三油阀113、第一油阀109、第一液位传感器117、第二油阀110、第四油阀114、油泵111、第二液位传感器118和温度传感器116分别连接控制系统。

所述第二液位传感器118设于脱气瓶115的上部，温度传感器116设于脱气瓶115的下部。

所述脱气瓶115的外侧设有可控温电加热装置。

所述油气过滤装置108为聚四氟乙烯薄膜。

所述油气混合器112为静态混合管。

所述第二气阀104的洁净空气入口通过空气过滤器105与大气连通。

所述气体吸收池101为空心光纤气室、怀特池、赫里奥特池或长光程气室。

所述激光器为DFB激光器。

所述探测器为光电探测器。

本实用新型所述基于光谱吸收法的变压器油中气体含量在线监测装置的工作原理为：信号发生器201产生高频正弦信号，与激光驱动器203产生的低频三角波信号相叠加，共同加载到激光器206上，在低频三角波进行线性扫描的同时，激光器206的输出光功率也伴随着高频正弦调制，于是，激光器206的波长得到调制，这样的高频调制可以抑制低频段的背景噪声干扰，提高系统的测量灵敏度。激光器206输出待测气体吸收谱线波长的激光，经过气体吸收池101，由探测器210接收，由放大电路放大后，经锁相放大器202解调出含有浓度信息的二次谐波信号；锁相放大器202的输出信号再经由A/D转换电路采集到控制模块212中，进行数据的处理、显示、存储等。

本实用新型所述负压恒温的动态顶空脱气模块，采用油气混合器112对变压器油样中的油气进行混合均化，然后将油气混合物引入负压高温的脱气瓶115中，提高油气分离效率，同时采用体积较小的气体吸收池101，使装置整体结构更加简化；采用恒温恒压环境，使脱气时间短，脱气重复性高。

本实用新型所述基于TDLAS的多组分气体浓度检测模块，与负压恒温的动态顶空脱气模块共用一个气体吸收池101，基于分时扫描的时分多路技术来实现对多组分气体的实时检测。它通过控制模块212来控制和切换激光驱动器203的工作状态，从一系列的激光器 206中依次选择测量光束导入到检测光路，实现对多组分气体的分时顺序检测。利用光纤耦合器同时检测多种气体的浓度，极大的简化了装置的结构。整套装置不需要消耗性载气和易污染老化的色谱柱和复杂的气路控制系统，可消除背景气体交叉干扰、可同时检测多种成分气体的浓度、测量精度高、测量时间短。

与其他同类装置相比，本实用新型的优势在于：在脱气方面，抽取洁净空气为载气，无需耗材；采用体积较小的气体吸收池101，如空心光纤气室、White怀特池、Herriott 赫里奥特池、长光程气室等，这类气体吸收池的需油量和需气量小，方便简化脱气瓶结构，使得脱气时间变短；同时采用负压高温环境，提高脱出气体的浓度，提高脱气速度；恒温恒压的脱气与气体检测环境使得装置脱气重复性高，气体检测重复性和精度高；用静态混合管代替鼓泡加电磁搅拌装置，使得油气混合效率更高，简化装置结构。在气体检测方面，取缔传统的多气室检测方法，只要选择不同波长的激光器206，通过控制模块212来控制和切换激光驱动器203的工作状态，因而从一系列的激光器206中依次选择测量光束导入到检测光路，实现对多组分气体的分时顺序检测。

如图1所示，本实用新型所述基于光谱吸收法的变压器油中气体含量在线监测装置中，负压恒温的动态顶空脱气模块具有如下几个工作状态：

1)系统初始状态：

油路部分，第一油阀109断；第二油阀断110；第三油阀113断；第四油阀114断。

气路部分，第一气阀103的1口、3口连通；第二气阀104的4口、6口连通。

气泵102停止，油泵111停止。

2)注油状态：

在系统初始状态下，将第二油阀110的状态变为通；第三油阀113通；油泵111运行至油位达到第二液位传感器118的位置停止。

3)排油状态：

在系统初始状态下，第一油阀109通；第四油阀114通；油泵111运行至油位达到第一液位传感器117的位置停止。

4)气路外吹扫状态：

在系统初始状态下，第一油阀109通；将第一气阀103的1口、3口连通变更为1口、 2口连通；将第二气阀104的4口、6口连通变更为5口、6口连通；气泵102运行。

5)气路内吹扫状态：

在系统初始状态下，第一油阀109通；气泵102运行。

6)抽负压状态：

在系统初始状态下，将第一气阀103的1口、3口连通变更为1口、2口连通；气泵 102运行，当压力传感器107测定的压力值达到设定值时停止。

7)气室切入样气测量脱气状态：

系统初始状态下，第一油阀109通；第二油阀110通；气泵102运行；油泵111运行。

8)排油前油处理状态：

在系统初始状态下，第一油阀109通；第一气阀103的1口、3口连通变更为1口、 2口连通；气泵102运行。

上述工作状态中各油阀、气阀、油泵、气泵的通断情况如表1所示。

表1

负压恒温的动态顶空脱气模块的工作过程分为以下八个步骤：第一步，初始化；第二步，油路冲洗；第三步，吹扫；第四步，气路抽负压；第五步，进样油；第六步，脱气取样；第七步，排油前的油处理；第八步，排油。共有13个工作过程即：初始状态→抽负压→排油→注油→排油→气路外吹扫→气路内吹扫→气路外吹扫→抽负压→注油→脱气取样→油处理→默认。其中：

初始化过程是为了应对系统运行时发生异常状况，如气室内压力不稳定或仍有残油时，通过抽负压可以防止油样污染，主要包括一次抽负压和一次排油过程。

油路冲洗过程是为了消除上一次测量完毕后，脱气瓶115以及2个油路管道内残存的样油对本次测量的影响，主要包括注油和排油各一次。

吹扫过程主要在气路部分进行，包括第一次外吹扫、内吹扫和第二次外吹扫，外吹扫时空气经过空气过滤器105从大气进入气路部分，对整个装置进行吹扫后再流入大气；内吹扫时只有气泵102工作，整个系统仍是封闭的。

气路抽负压过程，是为了使系统保持负压状态。

进样油过程由油路部分实现，通过第二液位传感器118控制油泵111停止，包括一次注油过程。

脱气取样过程由脱气瓶115与气路部分共同实现，气体与油通过油气混合器112混合后，再通过油泵111，使油气充分接触。

排油前油处理过程在取样之后进行，目的是排出样油中的多余气体。

排油过程通过第一液位传感器117控制油泵111停止，排油后回到系统初始状态，准备进行下一个工作循环。

如图2所示，本实用新型所述基于光谱吸收法的变压器油中气体含量在线监测装置中，基于TDLAS的多组分气体浓度检测模块以设置4个激光器，同时检测6种气体为例；表2为所选用激光器的详细参数。

表2

检测方法如下：

1)将待测气体通过流量计213充入气体吸收池101中，流量计213用于监测气体吸收池内的气体流量。

2)控制模块212通过控制信号发生器201产生两路信号，一路参考信号送至锁相放大器202的参考端，一路调制信号送至激光驱动器203。控制模块主要用于处理采集到的数据，并且控制信号发生器201产生不同的信号，进而切换激光驱动器203的工作状态，实现分时多路扫描。

3)激光驱动器203配合激光器选择器204以及激光器底座205来调制激光器206的输出；通过不同的激光器206切换，产生不同波长的光，进行分时扫描。

4)激光器206的输出尾纤经光纤耦合器207耦合，经准直器208准直后形成的准直光斑，在气体吸收池101内顺序对6种气体分别进行扫描，出射光由聚焦器209汇聚于探测器210上。

5)探测器210输出的信号输入到锁相放大器202的信号端，锁相放大器202获得的谐波信号送入数据采集卡211中。

6)将数据采集卡211中的所有数据传送至控制模块212中进行处理和运算；控制模块212对气体吸收池101的环境温度和压力的变化引起的测量误差进行修正，得出准确的浓度值。

7)通过气泵102将检测后的气体送入废气处理装置进行废气处理。

所述控制模块采用单片机或PLC即可。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。