變壓器故障氣體寬帶光聲光譜技術(shù)研究.pdf

1、變壓器在出現(xiàn)不同類型故障的條件下，內(nèi)部油中將形成各種類型的故障氣體，通過(guò)對(duì)油中故障氣體濃度的探測(cè)，根據(jù)油中氣體濃度之間的比例，可以判斷充油型變壓器中可能出現(xiàn)的不同類型的故障，為變壓器的維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，因此探測(cè)從油中脫出的各種不同類型的氣體濃度，對(duì)維護(hù)變壓器的穩(wěn)定有序運(yùn)行意義重要。光聲光譜技術(shù)具有零背景，靈敏度高，探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍廣以及信號(hào)強(qiáng)度不依賴于光強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是用于氣體探測(cè)的一種有效的光譜技術(shù)。
　　本文從光聲光譜技術(shù)的基本

2、理論入手，設(shè)計(jì)了性能較好的光聲池，并且創(chuàng)建了可用于油中脫出的多種類型的氣體探測(cè)的寬帶光聲光譜系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)寬帶光源光束準(zhǔn)直，系統(tǒng)最佳調(diào)制頻率的標(biāo)定，以及對(duì)系統(tǒng)中噪聲的抑制和對(duì)光聲信號(hào)的溫度補(bǔ)償，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性，通過(guò)濃度和光聲信號(hào)之間的最小二乘擬合對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，最后研究了系統(tǒng)用于多種類型氣體濃度探測(cè)的整體性能。
　　首先，利用研制的寬帶光聲系統(tǒng)對(duì)利用流量控制器配制的不同濃度的各種故障氣體進(jìn)行了探測(cè)，說(shuō)明了寬帶光聲系

3、統(tǒng)對(duì)故障氣體探測(cè)具有較高的探測(cè)靈敏度以及氣體濃度和信號(hào)強(qiáng)度之間具有很好的線性度，然后對(duì)探測(cè)過(guò)程中溫度和壓力與信號(hào)強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的探測(cè)準(zhǔn)確度，將寬帶光聲探測(cè)系統(tǒng)與基于長(zhǎng)程光學(xué)多通池的直接吸收光譜探測(cè)系統(tǒng)串在一起，對(duì)同一種濃度的氣體進(jìn)行對(duì)比探測(cè)。為了降低多組分氣體光聲信號(hào)之間相互干擾，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法引入到系統(tǒng)對(duì)混合氣體濃度的探測(cè)中，有效降低了寬帶光聲光譜探測(cè)系統(tǒng)對(duì)故障氣體濃度探測(cè)的誤差。最后，將光聲探測(cè)裝置和自主

4、設(shè)計(jì)的脫氣裝置進(jìn)行集成，將變壓器油中的故障氣體脫出，對(duì)脫出的氣體濃度進(jìn)行探測(cè)。
　　本論文的主要研究成果及創(chuàng)新有:
　　(1)用很寬的光譜范圍的寬帶熱輻射光源研制了用于油中多種氣體濃度探測(cè)的光聲光譜系統(tǒng)，和現(xiàn)有的光聲探測(cè)系統(tǒng)相比本文在光聲池中安裝了一個(gè)熱敏電阻，用于同步探測(cè)池內(nèi)的溫度，在光聲池的出射窗口，用反射鏡代替普通窗片，將入射光反射回光聲池內(nèi)，提高進(jìn)入光聲池中被待測(cè)氣體吸收的入射光的光功率，增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度。為了讓寬帶光源

5、的光束最大程度進(jìn)入光聲池中，本文參照LED光源光束整形系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從理論上設(shè)計(jì)了一套用于寬帶光源光束整形的反射鏡，通過(guò)Tracepro軟件的模擬表明，整形反射鏡能夠?qū)⒐馐鴧R聚在預(yù)先設(shè)定的直徑范圍內(nèi)。
　　(2)通過(guò)系統(tǒng)在不同調(diào)制頻率下的響應(yīng)對(duì)寬帶光聲系統(tǒng)的最佳調(diào)制頻率進(jìn)行標(biāo)定。利用研制的寬帶光聲系統(tǒng)對(duì)各種不同濃度的故障氣體進(jìn)行了探測(cè)，然后對(duì)光聲信號(hào)強(qiáng)度和濃度進(jìn)行最小二乘擬合從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，研究表明整套系統(tǒng)對(duì)各種故障氣體的探測(cè)具

6、有較好的線性度。文中還對(duì)系統(tǒng)的信號(hào)強(qiáng)度隨光聲池內(nèi)待測(cè)氣體的溫度和壓力的變化進(jìn)行了研究，通過(guò)研究表明，增大壓力，信號(hào)增強(qiáng)，待測(cè)氣體壓力近于一個(gè)大氣壓時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度隨著壓力增大，變化比較微弱。隨著待測(cè)氣體溫度的升高，信號(hào)的強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，超過(guò)一定的溫度后，升高溫度，信號(hào)的強(qiáng)度降低。通過(guò)信號(hào)與溫度的函數(shù)，編寫了用于對(duì)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)某绦?，顯著消除了溫度對(duì)信號(hào)的影響，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后，將探測(cè)系統(tǒng)與長(zhǎng)程直接吸收光譜探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比

7、探測(cè)，可以看出系統(tǒng)具有較好的探測(cè)準(zhǔn)確度。
　　(3)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法降低氣體譜線間的交叉干擾。由于選用的窄帶濾光片具有一定的帶寬，因此，故障氣體吸收譜線之間存在重疊，本文將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法引入到故障氣體濃度探測(cè)中，降低各種氣體吸收譜線相互重疊的影響，降低探測(cè)誤差。
　　(4)3D打印新技術(shù)在光聲系統(tǒng)中的應(yīng)用探索。為了研制體積小，便攜性好的光聲探測(cè)系統(tǒng)，本文探索了3D打印新技術(shù)在光聲光譜中的應(yīng)用，利用3D打印技術(shù)打印了小型化的共振