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变电站关键设备在线监测技术的研究与工程应用(六)

2020-02-14
作者:中国知网论文查重入口
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真空泵法的工作原理为首先运用真空泵进行抽真空操作,使变压器油中的溶解气体被抽取出来,接着再进行检测操作。真空泵法的脱气效率较高,但是劣势是每次脱气抽取试油后会有少量残油难以排尽,这就会导致下一次在检测时存在实验污染,影响实验精度。除此之外,随着设备应用时间的加长,真空泵脱气效果会下降,影响反复实验后的实验结果。
2.2.2.3 载气洗脱法
载气洗脱法实现油气分离的原理是在油气分离装置上通以He/Air气体,从而将变压器油中的溶解气体用He/Air气体替换出来。
2.2.3 电磁搅拌脱气法
电磁搅拌脱气法的工作原理示意图如图2.2所示。微型气泵将外界空气经密封管道导入到样品瓶的油样中,这会导致大量气泡产生,从而使气相、液相的接触面积大大增多。溶于油的气体被吸入至气泡内,气体会随着气泡排出油面,最后油面上空空气室中气体浓度会和油中溶解气体的浓度相平衡。由亨利定律,这个时候测量某种气体在空气中的浓度就能得到相应油中溶解的这种气体的浓度。电磁搅拌脱气法的优点有体积小、脱气时间短(大致需要10分钟)、简单易行(不需要外加平衡载气),所以对于需要快速检测的场合有其独有的优势。
 
图2.2 电磁搅拌脱气法工作原理示意图
2.3 气体检测技术
对于变压器油在线监测系统,气体检测技术的核心器件为检测单元模块。检测单元模块的工作原理是先将气体浓度转变为电信号,接着再通过输出装置将电信号复原为气体浓度输出,最终显示出测量值。
2.3.1 气相色谱法
气相色谱法通常又被称作层析法,其工作原理是因为色谱柱固定相对流动相中变压器油中各种溶解气体溶解能力不一致,从而使变压器油中各溶解气体达到分离。气相色谱法工作流程图如图2.3所示。
 
图2.3 气相色谱检测流程框图
载气将样品带入到色谱柱中,样品中的组分(各种溶解气体)在固定相和流动相之间被重复分配,即吸附—解吸—释出。因为固定相对各组分的溶解能力有所不同,所以各组分在色谱柱中表现出来的运动速度就有差别。其中分配系统小的组分运动速度较快,可以更快地流出色谱柱,而分配系统较大的组分相对运动速度较慢,所以会更慢地流出色谱柱。流出的样品组分因运动速度不同进入检测器也就有一定的顺序,记录仪会按相应顺序记录下产生的电子信号。这样就达到了样品组分定性定量分析的目的。
在变压器油在线监测系统应用中,气相色谱法的优点有选择性好、灵敏度高、分析速度快、分离效率高、样品用量少等,但也有维护量大、气路复杂等缺陷。
2.3.2 气敏传感器阵列法
气敏传感器阵列法的工作原理流程图如图2.4所示。气敏传感器的作用是能够检测出气体中的成分,并将化学信号(气体成分)转换为电信号,常用的气敏传感器主要有接触燃烧型、电化学型和半导体型等几种,其中半导体型气敏传感器应用最多。气敏传感器阵列法以多传感器信息融合技术为基础,将多个气体传感器针对性地结合组成气体传感器阵列,再加以模式识别技术定性、定量地检测变压器油中的溶解气体。气敏传感器阵列法应用于变压器油的在线监测系统时,气体的定量精确度、气体的定性识别、检测的灵敏度等方面需要谨慎处理,以获得最优的实验结果。
 
图2.4 传感器阵列法工作原理流程图
气体传感器中应用较多的主要有:用以检测CO、乙炔、乙烯等的利用化学燃料的气体传感器;用以检测氢气的钯栅金属—一氧化物—半导体场效应管氢气传感器(Pd—MOSFET);用以检测CO2、甲烷、乙烷等的半导体氧化物传感器。
当前因为对C2H2、CH4、C2H4、C2H6等气体的检测还不完善,气体传感器仍存在稳定性差、灵敏度低、工作寿命短、性价比低等劣势,所以在实际应用中很难达到工作现场需求,应用领域也因此相对较窄。
2.3.3 红外光谱法
红外光谱法以光的干涉原理为基础来实现,在具体测量时首先将样品置于Michelson干涉光路中。在动镜移动时,光穿过气体样品池中的气体映射在探测仪上,得到的干涉光通过探测仪做傅里叶变换,从而计算得出各个频率下光的强度,接着再经由一连串的数学运算就可以获得样品气体的吸收光谱。通过吸收光谱的不同频率可以检测出样品气体中不同的气体成分,通过吸收光谱的强度就可以得出样品气体中各气体成分的含量。
红外光谱法具有可检测多种气体,适用范围广,检验灵敏度高,选择性好,便于在线分析与自动控制等优点。对比离线分析的方法,红外光谱法不需要运用诸如色谱柱、载气的易耗品,气路控制也较为便捷,但红外光谱法也存在一定的劣势,该法不能检测出H2
2.3.4 光声光谱法
光声光谱技术以光声效应为基础来检测气体样品组分。光声效应指的是当光束照射在存放有烟雾的密封玻璃罐时,从连接到密封玻璃罐的听筒中可以听到声音。光声效应的本质是当气体吸收特定波长的电磁辐射后退激产生。
光声光谱技术检测气体的检测原理示意图如图2.5所示。光束先通过调制盘调制,再经过滤光片滤光后导入到样品池中。定性分析的基础为用调制频率重复性地激发特定气体的分子,特定气体分子的受激与光的频率有对照关系存在。经过受激后的分子处于激发态,这时分子可以通过辐射、非辐射方式两种方式还原到基态。采用非辐射方式时,气体吸收的光能快速转换为分子间的动能,这导致气体温度上升。体积一定时,温度上升会相应使气体压力增大,气体温度周期变化会引起密闭空间内的光声光谱产生周期性的压力波。气体浓度和压力波强度存在一定的比例关系,在此基础上就可以利用微音器(Microphone)检测出压力波的变化,进而定量分析样品池内的气体。