一种基于气体传感的变压器油中气体检测方法与流程

本发明属于变压器油中气体检测，具体涉及一种基于气体传感的变压器油中气体检测方法。

背景技术：

1、电力行业作为保障社会其它产业稳定运行的基础行业，其安全稳定运行对社会稳定和经济发展有不可替代的作用。电能是即发即用的能源，变压器承担着电压变换和电能传输的作用，作为电能传递的中枢设备，变压器的安全运行能力决定了电网的可靠性。目前，充油型变压器仍然是国内应用较为广泛的电力变压器，变压器油主要由烃类物质组成，是碳氢化合物的混合物，起到绝缘、散热和消灭电弧的作用，可以很好的提高变压器的整体绝缘能力，这对电力变压器十分重要。因此，变压器油的性能直接影响变压器的安全可靠性，由于变压器油在其内部循环流动，所以监测变压器油的性能能够较好的反映出变压器的运行状况。电力变压器在高电压大电流的环境下，电压冲击会导致油裂解产生一些气体，这些气体主要是各种烃类和碳氧化合物，这些气体能够溶解在油中导致其电气性能降低。专家研究表明通过分析油中溶解气体浓度之间的比例，可以分析出变压器的运行状态以及潜在故障，这类气体在电力行业被专业人士称为“故障气体”，因此，检测变压器油中溶解的气体浓度，分析不同气体浓度的比值能够为变压器的检修与维护提供依据。

2、近年来，随着各行各业对电力需求逐步增加，各电网电压等级逐渐升高，各发电机、变压器等变电设备的装机容量正在逐步扩大，电力行业逐步进入高电压、大电网时代。随着输变电技术的迅速发展，我国的输电的电压等级进一步提高，而变压器作为电压变换和电能传输的关键设备，变压器的安全就决定了后级电网的安全，因此，提高对大型电力变压器监测的可靠性已经成研究热点。提高监测设备的可靠性的首先要提高对油中溶解气体浓度的测量精度。所以通过对变压器绝缘油中气体浓度检测系统精度的优化研究，将会为变压器的监测设备提供更加准确的技术参数，从而得到更为准确的变压器运行状态的数据，这对我国电压等级进一步提高有促进作用。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种基于气体传感的变压器油中气体检测方法，解决了上述背景技术中的问题。

2、本发明的目的是这样实现的：一种基于气体传感的变压器油中气体检测方法，其包括以下步骤：

3、s1、对变压器油中气体产生的机制进行分析并制定策略；

4、s2、通过光声池的几何参数调节检测灵敏度；

5、s3、建立气压与气体吸收系数、光声电压信号之间的函数；

6、s4、通过算法进行去噪处理。

7、进一步地，所述对变压器油中气体产生的机制进行分析包括光信号分析、光到热的转换分析和热到声的转换分析，所述制定策略包括制定气体光声实验室平台；

8、所述光信号分析包括光声光谱气体检测，利用光到热再到声进行，包括第一个过程是光到热的转换，第二个过程是热到声的转换，两个过程的转换用于保证光声信号与气体浓度之间的线性关系，进而从声音信号中得到气体浓度变化的信息；

9、所述光到热的转换分析依靠气体分子对光子的选择性吸收以及吸收之后的无辐射跃迁来实现的，一束光入射到待测气体中，频率为v的光子被处于基态e0的气体分子有选择性地吸收后，将其激发到激发态e1，两个能级的本征能量满足e1-e0＝hv，处于激发态的分子发生无辐射跃迁，池豫到基态，吸收的光能转换为分子平动能进而产生热；

10、所述热到声的转换分析包括气体中传播的声波由声压来描述，光声信号产生过程中，热量到声波的转换依靠密闭气室内气体压力的周期性变化完成，第一个过程形成热密度源待测气体吸收光子后，通过无辐射迁跃释放热量h，声波产生声源而存在。

11、进一步地，所述光到热的转换分析包括光能转换到热能依靠气体分子对光子的选择性吸收以及吸收之后的无辐射跃迁，光的调制频率在ω＜＜106时，进一步将返回基态过程中的产热化简，表达式为，

12、h0＝n0σi0

13、式中，σ表示气体分子对特定频率光子的吸收截面，n0表示双能系统中气体分子密度，i0表示入射光强度。

14、进一步地，所述热到声的转换分析包括光声信号的产生过程中，热量到声波的转换依靠气体压力周期性变化完成，不考虑粘带损耗和热传导损耗带来的声损耗，当光源调制频率满足ω＜＜ωj时不存在共振效应，aj(ω)具有的表达式为，

15、

16、式中，τt代表热弛豫时间，γ代表气体的比热比，α表示气体分子的吸收系数；

17、当光源调制频率与共振模式的频率相同时，即ω＝ωj，在共振模式下，激发的声波振幅达到值为表达式，

18、

19、式中，(δω)为共振频率曲线的半峰宽度，即

20、进一步地，所述制定气体光声实验室平台包括光源、光线频率调制装置、滤光片、光声池、微音器、数据采集卡和锁相放大器；所述光源由宽带光源加单色仪组成，或使用带宽极窄的激光，且光源的辐射波长与待测气体的吸收谱线一致，且不被其他气体吸收，且产生时变的压力波，光束经过调制器进行调制；所述调制器包括机械斩波器、电光和声光调制器；单色光源辐射出能够被待测气体吸收的单色光，经过调制器的调制变成周期时变的断续光后，气体吸收断续光，引起它的周期性无辐射驰豫，宏观上表现为压力和温度的周期性变化，形成光声信号；声传感器探测到压力波后将其转变为电信号，该电信号由锁相放大器检测，并送给远程计算机分析处理或存盘。

21、进一步地，所述光声池作为光声信号的信号源，用于决定系统的分辨力、信噪比和检测极限性能，包括非谐振气体光声池，且其采用热传导系数较大的黄铜以及不锈钢，当调制频率低于池体的最低阶的共振频率时，光声池在非共振状态，这时池内光声信号是同相的，而光声信号幅值为，

22、

23、式中，τt＝r2cr/2.048k，k为热传导系数，cr为气体等容热容；v为共振管体积，aj(ωj)为光声信号，i(r,ωj)入射光线；

24、共振式光声池其池体的尺寸由所选的共振模式pj(r)及共振频率所决定，其中r为光线沿径向传输的距离坐标，当光的调制频率ω＝ωj时，光声信号aj(ω)(w)为极大，表达式为，

25、

26、式中，aj(ωj)为光声信号，i(r,ωj)入射光线，pj(r)为共振模式。

27、进一步地，所述建立气压与气体吸收系数、光声电压信号之间的函数包括气体压力特征，吸收系数是表征气体吸收行为并显示各种波长的红外辐射吸收的特性，气体分子的吸收谱带由重叠若干个吸收谱线组成，吸收系数ασ(λ)的表达式为，

28、

29、式中，si、gi(λ)分别是气体分子第i条谱线的线强度和线型函数；结合气压与气体吸收系数、分子平均自由程、分子平均速度、粘滞系数、导热系数、品质因数、光声池常数之间的函数关系，气压与光声电压信号之间的函数关系，表达式为，

30、

31、式中，为光声电压信号对气压p1.5有近似的线性相关。

32、进一步地，所述通过算法进行去噪处理包括光声信号中的噪声，所述光声信号中的噪声包括相干噪声和非相干噪声；

33、所述相干噪声为频率与调制的光声信号的频率相同或者相关的噪声，且固体也存在光声效应，当光通过光声池的窗口玻璃、以及照射到光声池壁时，窗口玻璃与池壁吸收光能向光声池内辐射热能，产生与有用信号同频或相关频率的信号，这部分信号并不是待测气体激发产生的，所以对待测气体来说这部分信号也是噪声；有的检测系统是利用机械斩波器对入射光源的频率进行调制，机械转动发出的声音也为相干噪声；

34、所述非相干噪声为环境噪声、气体流动噪声和电噪声，环境噪声是指待测气体激发产生的光声信号以外的声音信号，外界环境传入的声波信号；气体流动噪声由光声池内气体分子的布朗运动产生，因为分子无时无刻都在进行无规则运动，分子自由运动产生的噪声是限制光声光谱气体检测技术测量精度下限的因素；电噪声是由检测系统电子器件产生电子噪声和电压噪声。

35、进一步地，所述微音器为气体吸收调制光能在光声池中形成的周期性压力波动，即光声信号的强度极其微弱；微音器包括电容式和驻极体，用于把声能转化成电能反应出压力的变化。

36、进一步地，所述锁相放大器包括信号通道、参考通道、相敏检测器和低通滤波器；所述信号通道用于对调制正弦信号输入进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作电平，并且滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测的动态范围；所述参考通道用于对参考输入进行放大或衰减，为相敏检测器提取被检测信号的频率特征，提供适合幅度的与被测信号频率相关的信号；参考输入是等幅正弦信号或方波开关信号，包括从外部输入的周期信号，用于调制的载波信号或用于斩波的信号；所述相敏检测器和低通滤波器的信号为有周期性的函数，通过傅里叶变换计算。

37、本发明的有益效果：从光声光谱法变压器监测系统精度优化的整体出发，根据气体光谱检测原理搭建了光声光谱在线监测系统，设计了卡尔曼滤波结合数字锁相放大器降噪的降噪方法，并对系统进行了标定；在保持其它条件不变的前提下，用两种不同的信号处理方法对同一浓度的c2h2气体进行测量，结果显示所提的二级滤波降噪方法，无论是在测量精度还是稳定性方面均优于传统。通过单一锁相放大器相比传统的检测方法具有检测精度高、重复性好、操作简单维护少的优势，可以实时在线监测，可以较好的应用于变压器油中气体浓度在线监测领域。放大器的二级滤波降噪方法，可以进一步的降低光声信号中的噪声、提高监测系统的测量精度与稳定性，且该方法通过dsp编程即可实现，可以应用于其它微弱信号提取降噪过程，具有成本低、易推广的优点。