一種基於傅立葉變換紅外光譜定量分析的變壓器油浸氣體分析系統及其分析方法
2024-02-03 22:13:15
專利名稱：一種基於傅立葉變換紅外光譜定量分析的變壓器油浸氣體分析系統及其分析方法
技術領域：
本發明涉及變壓器故障診斷技術，涉及一種變壓器油浸氣體組分在線定量分析系 統及分析方法，特別涉及一種基於傅立葉變換紅外光譜定量分析的變壓器油浸氣體分析系 統及其分析方法。
背景技術：
變壓器是電力系統最為關鍵的設備之一，其正常運行關係到整個電網的正常運 行。而變壓器油浸氣體成分及其濃度分析，是對變壓器故障判斷的依據之一。目前，變壓器 油中氣體的分析大多是採用氣相色譜儀進行分析，其中寧波理工監測科技股份有限公司的 變壓器油中氣體監測系統佔據了很大的市場，如MGA2000-6。雖然這種在線分析技術目前已 比較成熟，已經廣泛應用於國內外的變壓器運行狀態監測，但還存在分析時間長、壽命短、 需要消耗載氣、不能分析出二氧化碳濃度、日常維護相對複雜、氣體壓縮存在安全隱患等問 題。光譜分析在分析化學領域佔據重要地位。美國至今要求醫藥公司給食品與藥品管 理部門提供每種藥品的紅外光譜圖，以證明藥品成分與實際申報成分相符合。只是由於各 種物質的特徵光譜交疊嚴重，特別是所分析的目標物質具有相同基團的時候更是如此。所 以很難區分，如果給出一張這幾種氣體的混合氣的光譜圖，則更加難於區分該混合氣中含 有哪些成分，以及各種氣體的濃度。最初，由於計算機水平還較低，對光譜的識別只有非常 有經驗的技術人員才能做出合理的判別，因此，隨著色譜儀、質譜儀的出現，光譜儀逐漸作 為一種輔助儀器在生產、質檢與科學研究中應用。雖然各種氣體的光譜信號交疊嚴重，但不 存在兩種吸收光譜完全相同的物質，因此，只要成分不同，光譜總是有差異的，根據這些差 異，總是可以區分出混合氣體中含有哪些成分，各種成分的濃度時多少。目前，隨著計算機 技術、信號處理技術等的發展，這種可能已經變成了現實。
發明內容
本發明的目的在於，針對氣相色譜儀對變壓器油中氣體的在線分析存在的缺點， 採用紅外光譜分析技術對變壓器油中氣體成分及其濃度進行在線監測，所分析氣體種類 包括甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、正丁烷、乙烯、丙烯、乙炔、丙炔、一氧化碳、二氧化碳、六氟 化硫以及水汽13種氣體的全部，或者其中一部分。本發明的具體技術方案是一種基於傅立葉變換紅外光譜定量分析的變壓器油浸氣體分析系統，所述系統包括第一變壓器油閥、第二變壓器油閥、一臺油氣分離裝置、一臺帶有氣 室的傅立葉變換紅外光譜儀、一臺電腦、進油管、回油管和氣輸送管道；所述第一變壓器油 閥與進油管相連，第二變壓器油閥與回油管相連；所述進油管和回油管分別與油氣分離裝 置連接；所述油氣分離裝置通過氣室與傅立葉變換紅外光譜儀連接；所述傅立葉變換紅外光譜儀上連接有電腦。所述第一變壓器油閥和第二變壓器油閥是手動閥或電子閥。所述傅立葉變換紅外光譜儀是Bruker公司的Tensor27型光譜儀或BaySpec公司 的Super Gamut系列光譜儀；所述傅立葉變換紅外光譜儀波數解析度設置在IcnT1或者更 高，氣室光程大於10cm，所用紅外波段為中紅外波段。基於所述變壓器油浸氣體分析系統的分析方法，首先對變壓器油中氣體進行油氣 分離，然後用傅立葉變換紅外光譜儀對所分離出來的氣體進行在線定量分析。所分析氣體是甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、正丁烷、乙烯、丙烯、乙炔、丙炔、一氧化 碳、二氧化碳、六氟化硫和水汽中的一種或多種。所述對變壓器油中氣體進行油氣分離是指採用薄膜透氣法、抽真空取氣法、空氣 循環法、毛細管柱法或中空纖維管法進行油氣分離。首先構建如附圖1所示的變壓器油浸氣體傅立葉變換紅外光譜在線定量分析系 統。系統主要由兩個變壓器油閥、一臺油氣分離裝置、一臺帶有氣室的傅立葉變換紅外光譜 儀、一臺電腦、進油管、回油管和氣輸送管道組成。兩個變壓器油閥一個與進油管相連，另一 個與回油管相連，用以控制變壓器中油的進出。兩個油閥可以是手動閥，由操作員用手打開 或關閉，也可以是電子閥，由電腦控制。進油管的油將變壓器中的油導入油氣分離裝置，經 過油氣分離後由回油管將油輸回到變壓器中。由油氣分離裝置分離出來的氣體由導管輸入 到光譜儀的氣室，光譜儀通過光譜掃描，獲得氣室中的氣體的紅外吸收光譜，並將光譜發送 給電腦。電腦通過分析軟體對光譜進行數據預處理及氣體組分與濃度的分析，從而獲得變 壓器油浸氣體的組分及其濃度信息。光譜分析包括1)光譜獲取；2)基線校正；3)特徵變量提取；4)建立分析模型和5) 不定期背景掃描等內容。相對於氣相色譜儀，光譜分析具有如下優點1)技術安全可靠。光譜儀被稱之為一種綠色儀器，既沒有明火，也不會產生廢棄 物，不會發生強電磁場，還可以在強磁場環境下工作；2)可分析的氣體種類多。採用光譜分析技術，除了可以分析出變壓器油浸氣體中 甲烷、乙炔、乙烯、二氧化碳等常規氣體，還可以分析丙炔、丙烯、一氧化碳、水汽等更多的成 分，而且不需要增加分析時間；3)解析度高。在光程只有IOcm情況下，對甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、二氧化碳、丙炔、 丙烯、一氧化碳等氣體的解析度優於IX 10_6(Ippm)；4)使用壽命長。連續工作壽命在5年以上；5)不需要載氣。可實現無人值守運行，運行費用低。6)快速，實時性好。光譜儀單次分析時間短，當波數解析度設置為4時，單次分析 時間只需10秒即可，而常規氣相色譜儀則至少需要120秒。雖然現在已有快速氣相色譜儀， 分析時間已減小到30秒，但是其氣體壓力的增大，同時也增大了安全的風險。寧波理工科 技有限公司的在線分析儀單次分析時間則高達1小時；因此，採用光譜儀實現變壓器油浸氣體的在線分析，可以為變壓器故障診斷提供 更多的信息，而且具有解析度高，運行成本低，安全可靠，使用壽命長等優點，是新一代變壓 器油浸氣體在線分析技術的研究方向。
圖1變壓器油浸氣體傅立葉變換紅外光譜在線定量分析系統示意圖；圖2建立光譜分析模型所樣氣光譜製作示意圖；圖3(a)濃度為0. 1 %的甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、正丁烷的傅立葉變換中紅外吸 收光譜圖；圖3(b)濃度均為0. 的甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、正丁烷2800波數至3050波數 處的傅立葉變換中紅外吸收光譜圖；圖3(c)濃度均為0. 的乙烯、丙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳和濃度為0. 05% 的六氟化硫的傅立葉變換中紅外吸收光譜圖；圖3(d)濃度均為0. 的乙烯、丙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳和濃度為0. 05% 的在600波數至1000波數處的傅立葉變換中紅外吸收光譜圖。圖4基線發生漂移的光譜及其校正後的光譜圖5神經網絡結構圖
具體實施例方式由於所分析的氣體種類多，在實施例中每出現一次都將每一組分氣體的名稱列出 來將什麼麻煩，為方便起見，不失一般性，在本實施例中，以甲烷、乙烷和丙烷的分析來說明 多組分氣體的光譜分析方法。所採用的光譜儀為Bruker公司的TenSOr27型傅立葉變換中 紅外光譜儀，光譜解析度為IcnT1。實施例具體包括下列步驟1)油氣分離油氣分離的方法可以是目前常用的油氣分離法薄膜透氣法、抽真空取氣法、空氣 循環法、也可以是毛細管柱法和中空纖維管法。2)光譜獲取在進行正常的光譜掃描之前，先對乾淨的氣室進行背景掃描。乾淨的氣室也就是 氣室中只有氮氣的情況。然後將被分析氣體通過氣室的氣體入口注入氣室中，啟動光譜儀 掃描被分析氣體的光譜。光譜的獲取包括兩部分，一種是在線分析過程中對油浸氣體進行掃描獲得待分析 氣體的光譜，另一種是為建立多組分氣體的分析模型製備的樣氣，並獲得樣氣的光譜。本實 施實例中需要分析甲烷、乙烷、丙烷三組分目標氣，其中甲烷濃度範圍為0 1%，乙烷濃度 範圍為0 0. 2%，丙烷濃度範圍0 0. 1%。單組份氣體樣本用流量控制器自行配置，其 中甲烷的樣本點濃度值為
，乙烷樣 本點濃度值為
，丙烷樣本點濃 度值為W. 001 %，0.002 %，0.01%，0.02%，0.05%，0. ]；混合氣樣本通過購買相應的
標準氣體得到，對應的部分混合氣的標準氣體濃度分別為
權利要求
一種基於傅立葉變換紅外光譜定量分析的變壓器油浸氣體分析系統，其特徵在於所述系統包括第一變壓器油閥、第二變壓器油閥、一臺油氣分離裝置、一臺帶有氣室的傅立葉變換紅外光譜儀、一臺電腦、進油管、回油管和氣輸送管道；所述第一變壓器油閥與進油管相連，第二變壓器油閥與回油管相連；所述進油管和回油管分別與油氣分離裝置連接；所述油氣分離裝置通過氣室與傅立葉變換紅外光譜儀連接；所述傅立葉變換紅外光譜儀上連接有電腦。
2.如權利要求1所述一種基於傅立葉變換紅外光譜定量分析的變壓器油浸氣體分析 系統，其特徵在於所述第一變壓器油閥和第二變壓器油閥是手動閥或電子閥。
3.如權利要求1所述一種基於傅立葉變換紅外光譜定量分析的變壓器油浸氣體分 析系統，其特徵在於所述傅立葉變換紅外光譜儀是Bruker公司的TenSor27型光譜儀或 BaySpec公司的Super Gamut系列光譜儀；所述傅立葉變換紅外光譜儀波數解析度設置在 IcnT1或者更高，氣室光程大於10cm，所用紅外波段為中紅外波段。
4.基於權利要求1、2或3所述變壓器油浸氣體分析系統的分析方法，其特徵在於首 先對變壓器油中氣體進行油氣分離，然後用傅立葉變換紅外光譜儀對所分離出來的氣體進 行在線定量分析。
5.基於權利要求4所述變壓器油浸氣體分析系統的分析方法，其特徵在於所分析氣 體是甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、正丁烷、乙烯、丙烯、乙炔、丙炔、一氧化碳、二氧化碳、六氟化 硫和水汽中的一種或多種。
6.基於權利要求4所述變壓器油浸氣體分析系統的分析方法，其特徵在於所述對變 壓器油中氣體進行油氣分離是指採用薄膜透氣法、抽真空取氣法、空氣循環法、毛細管柱法 或中空纖維管法進行油氣分離。
全文摘要
本發明公開了一種基於傅立葉變換紅外光譜定量分析的變壓器油浸氣體分析系統及其分析方法，所述系統包括第一變壓器油閥、第二變壓器油閥、一臺油氣分離裝置、一臺帶有氣室的傅立葉變換紅外光譜儀、一臺電腦、進油管、回油管和氣輸送管道。該分析方法首先對變壓器絕緣油進行油氣分離，然後用傅立葉變換紅外光譜儀對所分離出來的氣體進行定量分析，以實現多組分氣體的快速定量分析。所分析氣體除了常規變壓器油浸氣體分析所涉及的甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、乙炔、二氧化碳以外，還包括異丁烷、正丁烷、一氧化碳、丙烯、丙炔、六氟化硫和水汽。由於本方法所分析的氣體種類多、速度快、解析度高、運行成本低、安全可靠，因此是一種有廣闊應用前景的變壓器油浸氣體分析方法。
文檔編號G01J3/28GK101975761SQ20101052032
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月26日 優先權日2010年10月26日
發明者劉君華, 姚建軍, 孟永鵬, 成永紅, 湯曉君 申請人:西安交通大學