专利名称：一种基于傅里叶变换红外光谱定量分析的变压器油浸气体分析系统及其分析方法
技术领域：
本发明涉及变压器故障诊断技术，涉及一种变压器油浸气体组分在线定量分析系 统及分析方法，特别涉及一种基于傅里叶变换红外光谱定量分析的变压器油浸气体分析系 统及其分析方法。
背景技术：
变压器是电力系统最为关键的设备之一，其正常运行关系到整个电网的正常运 行。而变压器油浸气体成分及其浓度分析，是对变压器故障判断的依据之一。目前，变压器 油中气体的分析大多是采用气相色谱仪进行分析，其中宁波理工监测科技股份有限公司的 变压器油中气体监测系统占据了很大的市场，如MGA2000-6。虽然这种在线分析技术目前已 比较成熟，已经广泛应用于国内外的变压器运行状态监测，但还存在分析时间长、寿命短、 需要消耗载气、不能分析出二氧化碳浓度、日常维护相对复杂、气体压缩存在安全隐患等问 题。光谱分析在分析化学领域占据重要地位。美国至今要求医药公司给食品与药品管 理部门提供每种药品的红外光谱图，以证明药品成分与实际申报成分相符合。只是由于各 种物质的特征光谱交叠严重，特别是所分析的目标物质具有相同基团的时候更是如此。所 以很难区分，如果给出一张这几种气体的混合气的光谱图，则更加难于区分该混合气中含 有哪些成分，以及各种气体的浓度。最初，由于计算机水平还较低，对光谱的识别只有非常 有经验的技术人员才能做出合理的判别，因此，随着色谱仪、质谱仪的出现，光谱仪逐渐作 为一种辅助仪器在生产、质检与科学研究中应用。虽然各种气体的光谱信号交叠严重，但不 存在两种吸收光谱完全相同的物质，因此，只要成分不同，光谱总是有差异的，根据这些差 异，总是可以区分出混合气体中含有哪些成分，各种成分的浓度时多少。目前，随着计算机 技术、信号处理技术等的发展，这种可能已经变成了现实。

发明内容
本发明的目的在于，针对气相色谱仪对变压器油中气体的在线分析存在的缺点， 采用红外光谱分析技术对变压器油中气体成分及其浓度进行在线监测，所分析气体种类 包括甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、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种气体的全部，或者其中一部分。本发明的具体技术方案是一种基于傅里叶变换红外光谱定量分析的变压器油浸气体分析系统，所述系统包括第一变压器油阀、第二变压器油阀、一台油气分离装置、一台带有气 室的傅里叶变换红外光谱仪、一台电脑、进油管、回油管和气输送管道；所述第一变压器油 阀与进油管相连，第二变压器油阀与回油管相连；所述进油管和回油管分别与油气分离装 置连接；所述油气分离装置通过气室与傅里叶变换红外光谱仪连接；所述傅里叶变换红外光谱仪上连接有电脑。所述第一变压器油阀和第二变压器油阀是手动阀或电子阀。所述傅里叶变换红外光谱仪是Bruker公司的Tensor27型光谱仪或BaySpec公司 的Super Gamut系列光谱仪；所述傅里叶变换红外光谱仪波数分辨率设置在IcnT1或者更 高，气室光程大于10cm，所用红外波段为中红外波段。基于所述变压器油浸气体分析系统的分析方法，首先对变压器油中气体进行油气 分离，然后用傅里叶变换红外光谱仪对所分离出来的气体进行在线定量分析。所分析气体是甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、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种或多种。所述对变压器油中气体进行油气分离是指采用薄膜透气法、抽真空取气法、空气 循环法、毛细管柱法或中空纤维管法进行油气分离。首先构建如附图1所示的变压器油浸气体傅里叶变换红外光谱在线定量分析系 统。系统主要由两个变压器油阀、一台油气分离装置、一台带有气室的傅里叶变换红外光谱 仪、一台电脑、进油管、回油管和气输送管道组成。两个变压器油阀一个与进油管相连，另一 个与回油管相连，用以控制变压器中油的进出。两个油阀可以是手动阀，由操作员用手打开 或关闭，也可以是电子阀，由电脑控制。进油管的油将变压器中的油导入油气分离装置，经 过油气分离后由回油管将油输回到变压器中。由油气分离装置分离出来的气体由导管输入 到光谱仪的气室，光谱仪通过光谱扫描，获得气室中的气体的红外吸收光谱，并将光谱发送 给电脑。电脑通过分析软件对光谱进行数据预处理及气体组分与浓度的分析，从而获得变 压器油浸气体的组分及其浓度信息。光谱分析包括1)光谱获取；2)基线校正；3)特征变量提取；4)建立分析模型和5) 不定期背景扫描等内容。相对于气相色谱仪，光谱分析具有如下优点1)技术安全可靠。光谱仪被称之为一种绿色仪器，既没有明火，也不会产生废弃 物，不会发生强电磁场，还可以在强磁场环境下工作；2)可分析的气体种类多。采用光谱分析技术，除了可以分析出变压器油浸气体中 甲烷、乙炔、乙烯、二氧化碳等常规气体，还可以分析丙炔、丙烯、一氧化碳、水汽等更多的成 分，而且不需要增加分析时间；3)分辨率高。在光程只有IOcm情况下，对甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、二氧化碳、丙炔、 丙烯、一氧化碳等气体的分辨率优于IX 10_6(Ippm)；4)使用寿命长。连续工作寿命在5年以上；5)不需要载气。可实现无人值守运行，运行费用低。6)快速，实时性好。光谱仪单次分析时间短，当波数分辨率设置为4时，单次分析 时间只需10秒即可，而常规气相色谱仪则至少需要120秒。虽然现在已有快速气相色谱仪， 分析时间已减小到30秒，但是其气体压力的增大，同时也增大了安全的风险。宁波理工科 技有限公司的在线分析仪单次分析时间则高达1小时；因此，采用光谱仪实现变压器油浸气体的在线分析，可以为变压器故障诊断提供 更多的信息，而且具有分辨率高，运行成本低，安全可靠，使用寿命长等优点，是新一代变压 器油浸气体在线分析技术的研究方向。


图1变压器油浸气体傅里叶变换红外光谱在线定量分析系统示意图；图2建立光谱分析模型所样气光谱制作示意图；图3(a)浓度为0. 1 %的甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷的傅立叶变换中红外吸 收光谱图；图3(b)浓度均为0. 的甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷2800波数至3050波数 处的傅立叶变换中红外吸收光谱图；图3(c)浓度均为0. 的乙烯、丙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳和浓度为0. 05% 的六氟化硫的傅立叶变换中红外吸收光谱图；图3(d)浓度均为0. 的乙烯、丙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳和浓度为0. 05% 的在600波数至1000波数处的傅立叶变换中红外吸收光谱图。图4基线发生漂移的光谱及其校正后的光谱图5神经网络结构图
具体实施例方式由于所分析的气体种类多，在实施例中每出现一次都将每一组分气体的名称列出 来将什么麻烦，为方便起见，不失一般性，在本实施例中，以甲烷、乙烷和丙烷的分析来说明 多组分气体的光谱分析方法。所采用的光谱仪为Bruker公司的TenSOr27型傅里叶变换中 红外光谱仪，光谱分辨率为IcnT1。实施例具体包括下列步骤1)油气分离油气分离的方法可以是目前常用的油气分离法薄膜透气法、抽真空取气法、空气 循环法、也可以是毛细管柱法和中空纤维管法。2)光谱获取在进行正常的光谱扫描之前，先对干净的气室进行背景扫描。干净的气室也就是 气室中只有氮气的情况。然后将被分析气体通过气室的气体入口注入气室中，启动光谱仪 扫描被分析气体的光谱。光谱的获取包括两部分，一种是在线分析过程中对油浸气体进行扫描获得待分析 气体的光谱，另一种是为建立多组分气体的分析模型制备的样气，并获得样气的光谱。本实 施实例中需要分析甲烷、乙烷、丙烷三组分目标气，其中甲烷浓度范围为0 1%，乙烷浓度 范围为0 0. 2%，丙烷浓度范围0 0. 1%。单组份气体样本用流量控制器自行配置，其 中甲烷的样本点浓度值为
，乙烷样 本点浓度值为
，丙烷样本点浓 度值为W. 001 %，0.002 %，0.01%，0.02%，0.05%，0. ]；混合气样本通过购买相应的
标准气体得到，对应的部分混合气的标准气体浓度分别为
权利要求
一种基于傅里叶变换红外光谱定量分析的变压器油浸气体分析系统，其特征在于所述系统包括第一变压器油阀、第二变压器油阀、一台油气分离装置、一台带有气室的傅里叶变换红外光谱仪、一台电脑、进油管、回油管和气输送管道；所述第一变压器油阀与进油管相连，第二变压器油阀与回油管相连；所述进油管和回油管分别与油气分离装置连接；所述油气分离装置通过气室与傅里叶变换红外光谱仪连接；所述傅里叶变换红外光谱仪上连接有电脑。
2.如权利要求1所述一种基于傅里叶变换红外光谱定量分析的变压器油浸气体分析 系统，其特征在于所述第一变压器油阀和第二变压器油阀是手动阀或电子阀。
3.如权利要求1所述一种基于傅里叶变换红外光谱定量分析的变压器油浸气体分 析系统，其特征在于所述傅里叶变换红外光谱仪是Bruker公司的TenSor27型光谱仪或 BaySpec公司的Super Gamut系列光谱仪；所述傅里叶变换红外光谱仪波数分辨率设置在 IcnT1或者更高，气室光程大于10cm，所用红外波段为中红外波段。
4.基于权利要求1、2或3所述变压器油浸气体分析系统的分析方法，其特征在于首 先对变压器油中气体进行油气分离，然后用傅里叶变换红外光谱仪对所分离出来的气体进 行在线定量分析。
5.基于权利要求4所述变压器油浸气体分析系统的分析方法，其特征在于所分析气 体是甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、乙烯、丙烯、乙炔、丙炔、一氧化碳、二氧化碳、六氟化 硫和水汽中的一种或多种。
6.基于权利要求4所述变压器油浸气体分析系统的分析方法，其特征在于所述对变 压器油中气体进行油气分离是指采用薄膜透气法、抽真空取气法、空气循环法、毛细管柱法 或中空纤维管法进行油气分离。
全文摘要
本发明公开了一种基于傅里叶变换红外光谱定量分析的变压器油浸气体分析系统及其分析方法，所述系统包括第一变压器油阀、第二变压器油阀、一台油气分离装置、一台带有气室的傅里叶变换红外光谱仪、一台电脑、进油管、回油管和气输送管道。该分析方法首先对变压器绝缘油进行油气分离，然后用傅里叶变换红外光谱仪对所分离出来的气体进行定量分析，以实现多组分气体的快速定量分析。所分析气体除了常规变压器油浸气体分析所涉及的甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、乙炔、二氧化碳以外，还包括异丁烷、正丁烷、一氧化碳、丙烯、丙炔、六氟化硫和水汽。由于本方法所分析的气体种类多、速度快、分辨率高、运行成本低、安全可靠，因此是一种有广阔应用前景的变压器油浸气体分析方法。
文档编号G01J3/28GK101975761SQ20101052032
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月26日 优先权日2010年10月26日
发明者刘君华, 姚建军, 孟永鹏, 成永红, 汤晓君 申请人:西安交通大学