牵引变的光声光谱检测故障.doc

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1、用光声光谱法检测牵引变压器故障摘要：高速铁路用牵引变压器是一种大容量油浸式变压器，在诊断牵引变压器运行情况或预测故障隐患时，常以变压器油中溶解气体作为分析判断的依据。变压器油中溶解气体的在线监测及故障诊断方法较多，本文通过描述光声光谱检测技术的原理，介绍该法在牵引变压器故障检测中的应用，以提高高速电气化铁道牵引供电系统运行的安全稳定性。关键词：牵引变压器；光声光谱；溶解气体；故障诊断ThetractiontransformerfaultdiagnosisbasedonPhotoacousticSpectrosc

2、opyTechniqueAbstract:0．前言随着现代高铁铁路对牵引供电系统的要求越来越高，对牵引变压器检测和维护任务显得极其重要[1]。通常在牵引变压器的故障检测试验中做油气分析，因为在正常运行中起绝缘、散热、消弧等作用的变压器油，在长期运行和发生故障时在热和电的作用下，变压器油及器身内有机绝缘材料常分解出不同含量的，，，，，，等气体在变压器油中，通过定期分离和检测气体的含量便可以诊断和预测变压器中的鼓掌。工程中常用的油气检测法如气相色谱法、气敏传感器法、傅里叶红外光谱法等，但在长期使用中发现，这些方法存

3、在取样复杂、消耗载气、交叉敏感、长期稳定性差、检测气体组分不够齐全、实现连续性测量困难等缺点。光声光谱技术应用光声效应来检测微量气体的体积分数，具有灵敏度高、选择性好、检测范围宽、不消耗载气等优点，本文通过介绍光声光谱技术原理，讨论该法在高铁牵引变压器故障诊断中的应用。1.光声光谱技术原理光声光谱技术是基于光声效应，通过直接测量物质因吸收光能而产生热能的一种光谱量热技术。气体光声效应是气体分子吸收特定波长的入射光后被激发，分子平均动能增加，部分能量随即以释放热能方式退激，根据气体V-T平衡方程，在密闭容器中表现

4、为同比例增减的压力波。本文以一台光声光谱仪为例对其工作原理加以说明，如图1所示，光声光谱检测仪主要由红外光源、滤光片、斩波器、光声池、声敏元件、放大器、微处理器等部分组成。在气体的光声效应中，从发光源射向气体样品池的光线经过调制和滤波，并由滤光片实现分光，由于每个滤光片容许透过一个窄带光谱，其中心频率分别与各被检测气体的特征吸收频率相对应，这样样品池中的气体分子受到被调制光线的反复激发，吸收光能到高能态，由于高能态极不稳定，分子随即以无辐射跃迁形式将吸收的光能变为热能而回到基态。由于光能是受周期调制的，这使得密

5、闭于气池中的气体分子的热能也呈周期性变化，宏观上表现为压力的变化，即产生声波，可使用高灵敏度微音器来检测并将其转换为电信号。将检测到的电信号经过放大并由锁相放大器等提高信噪比（S/N）。因光声信号与光源强度成正比，如果光源的强度有波动，则光声信号的强度也因此而波动，为了避免由于光源波动而造成的测定误差，可根据射入光声池的光强度对光声信号进行归一化处理。由于声波的频率与光源调制频率相同，而其强度则与吸收气体的浓度有关，因此，建立气体浓度与声波强度的定量关系，就可以准确检测出气池中各气体的浓度。图1光声光谱仪的构造

6、2.故障气体的光声光谱分析2.1故障气体分析的重要性调查普速电气化铁路牵引变压器检测报告得知，广深电气化铁路平湖牵引所2#主变在投运两年后（2000年）做预防性试验未显示异常现象，之后对牵引变的绝缘油做气相色谱分析得到,,，,,,,各气体浓度值，分析时发现产气率高达217（%/月），超过规定的相对产气率10%/月，占总烃的大部分，由此推断铁芯多点接地故障，另测量铁芯接地电流为11A，大于0.1A，吊罩检查发现铁芯底部与变压器底座有一长约3cm、一端已碳化的细薄牙形金属片，底座有大量金属碎屑和碳化颗粒，经清理后重

7、新投运运行，再做油色谱分析，则结果正常。由此可见对牵引变压器油中溶解气体分析可发现常规试验中不能发现的故障隐患，避免了事故发生。2.2光声光谱法分析故障气体的要素根据光声光谱技术的原理，大多数气体对红外光都有吸收，由于分子数目、原子间键角、键强度等因素的不同，吸收光谱带有所不同，在应用光声光谱法的油气分析中首先需要找到对应于每种气体的特征频率，要求避免相互吸收谱的重叠干扰，以及杂质气体如水蒸气的干扰。表1列举了变压器故障气体在红外区域的特征吸收频率及采用普通红外光源加滤光片的光声光谱仪在该频率附近获得的灵敏度。

8、表中列出的可测范围是由英国Kelman公司的便携式油中气体分析仪的标称值，借鉴Innova公司在哥本哈根实验室的数据，可以选择在2150处，在2270/68处，在783，在1061/981/900处，在861处都有不受任何谱峰干扰的独立的高灵敏度检测的吸收谱，在1254处灵敏度最高，但是其吸收谱和有重叠，考虑在实际应用中做干燥处理。另外由于吸收谱不在红外波段，用光声光谱测量需要通过测量