激光拉曼光谱技术在油纸绝缘设备状态检测及诊断中的应用课件.ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《激光拉曼光谱技术在油纸绝缘设备状态检测及诊断中的应用课件.ppt》由用户(三亚风情)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 激光 光谱 技术 油纸 绝缘 设备 状态 检测 诊断 中的 应用 课件
- 资源描述:
-
1、 一一.现状与现状与意义意义 电气设备油纸绝缘系统由变压器油和绝缘纸所组成,其运行老化将影响电气设备的正常运行。变压器油纸绝缘系统老化的影响因素及其相互间的关系如右图所示:一.现状与意义 运行运行油纸油纸绝缘系统绝缘系统分解并产分解并产生生的的各种各种反映绝缘反映绝缘性能、老性能、老化状况及化状况及故障性质故障性质的的特征特征量量化化学学特特性性物物质质理理化化特特征征量量黏度、酸值黏度、酸值液体液体固体固体气体气体氢气、烃类气体氢气、烃类气体碳氧气体碳氧气体微碳颗粒微碳颗粒强腐蚀性硫二苄基二强腐蚀性硫二苄基二硫、二苄基硫等硫、二苄基硫等酸类物质(甲酸、乙酸类物质(甲酸、乙酸、乙酰丙酸、环烷酸
2、、乙酰丙酸、环烷酸、硬脂酸等)酸、硬脂酸等)糠醛糠醛,甲甲 醇醇绝缘油的电或热故障绝缘油的电或热故障绝缘油的电或热故障绝缘油的电或热故障绝缘油氧化反应;绝缘纸的热老化绝缘油氧化反应;绝缘纸的热老化绝缘纸氧化、劣化分解绝缘纸氧化、劣化分解绝缘油氧化、绝缘绝缘油氧化、绝缘纸酸性水解老化纸酸性水解老化与铜绕组反应生成硫化与铜绕组反应生成硫化亚铜而导致引起故障亚铜而导致引起故障绝缘油的电或热故障、绝缘绝缘油的电或热故障、绝缘纸酸性水解老化纸酸性水解老化聚合度聚合度促使 绝 缘 系促使 绝 缘 系统加速老化统加速老化一.现状与意义 油中溶解气体及油纸绝缘老化特征物能直接或间接地反映变压器油纸绝缘材料的绝
3、缘性能。准确带电检测变压器油中溶解气体及绝缘老化特征物,是实现对变压器油纸绝缘材料老化及早期故障监测诊断的关键,是确保大型电力变压器安全可靠运行的重要手段之一。一.现状与意义 目前对变压器油中溶解气体和油纸绝缘老化特征物各特征参量的检测分析还停留在用不同的设备分析不同的特征物的水平,而且大多需要人工在实验室分析,缺乏在变压器现场实现多特征物一体化带电检测的有效方法。如:一.现状与意义 2013年12月国家电网公司针对十几年来开展输变电设备状态检修、在线监测的现状,明确发文指示:“必须强化带电检测在设备状态检修中的作用”、“积极研究并推广光谱分析等新技术在电气设备状态检测中的应用”。鉴于此,重庆
4、大学课题组结合“国家重大科学仪器专项子课题”和国家电网公司科技项目,开展了基于拉曼光谱的电气设备油纸绝缘多特征量现场检测及老化诊断一体化集成等相关研究。一.现状与意义 激光拉曼光谱技术是通过直接测量物质因激光照射产生拉曼散射光进而分析物质的一种光谱技术,其原理由下图所示:频率变化对应着分子本身某种振动模式的基频,反映了分子内部的结构信息,与入射光的频率v0无关;因此可实现利用单一频率激光器实现多种物质同时测量。一.现状与意义 拉曼光谱技术作为定性及定量分析手段,已经广泛应用于石油化工、生物环保、医药学、商品检验、食品安全等各个研究领域。但至今尚未发现将其应用于电气设备状态监测的有效文献报道。一
5、.现状与意义 结合已知化合物的拉曼光谱频移数据库,我们可以应用拉曼光谱同时定性分析多种不同的化学物质,而拉曼频移谱峰的强度与化学成分浓度成线性关系,因此能根据拉曼光谱强度,实现分子的定量分析。近几年激光技术、检测系统、表面增强技术(SERS)以及纳米科学技术迅速发展,这无疑为拉曼光谱技术应用于电力变压器油纸绝缘老化特征量的一体化带电检测提供了条件。一.现状与意义 相比传统检测方法,拉曼光谱分析具有以下优势:n 利用单一波长的激光就能同时激发出变压器绝缘材料老化特征混合物的拉曼光谱,可以实现变压器油中溶解气体、油纸绝缘老化多种特征物的一体化带电检测;n 可对混合气体样品进行直接检测,无需进行组分
6、分离,检测周期短;n 对油中溶解的糠醛、丙酮、微水、二苄基二硫、非金属颗粒等油纸绝缘老化特征物,可实现变压器油中直接测量,无需分离或者萃取过程。n 拉曼检测不与样品接触,也不会对样品造成破坏,对同一样品可进行多次重复检测,检测重复性好,并能实现现场原位检测。一.现状与意义 将拉曼光谱技术引入电力变压器油纸绝缘老化故障特征物的检测,可以拓展拉曼光谱检测新方法在电力变压器状态特征检测领域的应用,为电力变压器智能化、有效提升其状态检修水平奠定基础。同时,也会提升了激光拉曼光谱检测微量物质的技术水平。一.现状与意义二二.电力变压器油中溶解气体激光拉曼电力变压器油中溶解气体激光拉曼光谱检测技术光谱检测技
7、术 二.电力变压器油中溶解气体激光拉曼光谱检测技术目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定,分子结构的研究,但在气体探测领域并没有取得突破性地进展,主要原因是气体分子的拉曼散射截面积要比它的吸收截面小多个数量级。要实现油气分离后的变压器油中溶解微量气体的拉曼检测正确检测还有许多研究内容。1.激光拉曼光谱检测平台 实验室搭建的拉曼光谱检测平台,变压器油中溶解气体拉曼光谱检测原理及平台如下图所示:利用GaussView 5.0和 Gaussian 09W程序建立变压器油中溶解气体(H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO、CO2、N2 和 O2)的分子模型,仿真得到各特征量的拉曼谱线,并
8、完成对各拉曼谱线分子振动模式的指认。基于实验室搭建的拉曼光谱分析研究平台,分析了各气体的拉曼特性,并验证了应用拉曼光谱检测变压器油中溶解气体的可行性。2.拉曼谱线 (1).氢气分子模型、仿真及实测拉曼谱线H2的分子模型的分子模型H2的仿真拉曼谱图的仿真拉曼谱图4130414041504160417041804190012345 4160 强度/a.u.拉曼频移/cm-1380040004200440045005000550060006500700075004160强度/a.u.拉曼频移/cm-1H2的实测拉曼谱图的实测拉曼谱图2.拉曼谱线 CH4的分子模型的分子模型15002000250030
9、00-1012345671412 1526 3021 2914 强度/a.u.拉曼频移/cm-1CH4的仿真拉曼谱图的仿真拉曼谱图260028003000320040006000800010000120001400016000 30212914强度/a.u.拉曼频移/cm-1(2).甲烷分子模型、仿真及实测拉曼谱线CH4的实测拉曼谱图的实测拉曼谱图2.拉曼谱线 C2H2的分子模型的分子模型C2H2的仿真拉曼谱图的仿真拉曼谱图5001000150020002500300035000.00.51.01.52.033721974 612强度/a.u.拉曼频移/cm-11800200022002400
10、260028003000320034004000500060007000800090001000011000 1974 3372强度/a.u.拉曼频移/cm-1(3).乙炔分子模型、仿真及实测拉曼谱线乙炔分子模型、仿真及实测拉曼谱线C2H2的实测拉曼谱图的实测拉曼谱图2.拉曼谱线 C2H4的分子模型的分子模型C2H4的仿真拉曼谱图的仿真拉曼谱图500100015002000250030003500-1012345671624302132101375强度/a.u.拉曼频移/cm-11000150020002500300035004000500060007000800090001000011000
11、120001344 16243021强度/a.u.拉曼频移/cm-1(4).乙烯分子模型、仿真及实测拉曼谱线乙烯分子模型、仿真及实测拉曼谱线C2H4的实测拉曼谱图的实测拉曼谱图2.拉曼谱线 C2H6的分子模型的分子模型C2H6的仿真拉曼谱图的仿真拉曼谱图1000150020002500300002468150029552900强度/a.u.拉曼频移/cm-1100015002000250030003500400050006000700080009000100001100012000 29552900 995 强度/a.u.拉曼频移/cm-1(5).乙烷分子模型、仿真及实测拉曼谱线乙烷分子模型、
12、仿真及实测拉曼谱线C2H6的实测拉曼谱图的实测拉曼谱图2.拉曼谱线 CO的分子模型的分子模型CO的仿真拉曼谱图的仿真拉曼谱图20602070208020902100211021200.00.10.20.30.40.50.60.70.82144强度/a.u.拉曼频移/cm-120002050210021502200225023005000520054005600580060006200640066006800强度/a.u.2144拉曼频移/cm-1(6).一氧化碳分子模型、仿真及实测拉曼谱线一氧化碳分子模型、仿真及实测拉曼谱线CO的实测拉曼谱图的实测拉曼谱图2.拉曼谱线 CO2的分子模型的分子模
13、型CO2的仿真拉曼谱图的仿真拉曼谱图1300132013401360138014000.00.20.40.60.81351强度/a.u.拉曼频移/cm-1100011001200130014001500160050005500600065007000 1388 1285强度/a.u.拉曼频移/cm-1(7).二氧化碳分子模型、仿真及实测拉曼谱线二氧化碳分子模型、仿真及实测拉曼谱线CO2的实测拉曼谱图的实测拉曼谱图拉曼谱线1351 cm-1产生费米共振现象,变成1388 cm-1和1285 cm-12.拉曼谱线 N2的分子模型的分子模型N2的仿真拉曼谱图的仿真拉曼谱图22602270228022
14、902300231023200.00.10.20.30.40.50.60.70.82355强度/a.u.拉曼频移/cm-11600180020002200240026005000550060006500700075002355强度/a.u.拉曼频移/cm-1(8).氮气分子模型、仿真及实测拉曼谱线氮气分子模型、仿真及实测拉曼谱线N2的实测拉曼谱图的实测拉曼谱图2.拉曼谱线 O2的分子模型的分子模型O2的仿真拉曼谱图的仿真拉曼谱图13401350136013701380139014000.00.10.20.30.40.50.61554强度/a.u.拉曼频移/cm-1120014001600180
15、0200022005000550060006500700075001554强度/a.u.拉曼频移/cm-1(9).氧气分子模型、仿真及实测拉曼谱线氧气分子模型、仿真及实测拉曼谱线O2的实测拉曼谱图的实测拉曼谱图2.拉曼谱线(10).实现了标准浓度老化特征混合气体 H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO、CO2、N2、O2气体的同时检测,并遵循谱线选取二原则(谱线相互独立和谱线强度高),确定了各气体的一条特征拉曼谱线,其结果如下所示:100015002000250030003500400050010001500200025003000350040004500H2 4160 cm-1C2
16、H2 3372 cm-1C2H4,CH4 3021 cm-1C2H6 2955 cm-1CH4 2914 cm-1C2H6 2900 cm-1N2 2355 cm-1CO 2144 cm-1C2H2 1974 cm-1C2H4 1624 cm-1O2 1554 cm-1CO2 1388 cm-1C2H41344 cm-1CO2 1285 cm-1强度/a.u.拉曼频移/cm-1 混合气体物质物质特征谱线特征谱线(cm-1)物质物质特征谱线特征谱线(cm-1)H24160CO2144CH42914CO21388C2H21974N22355C2H41344O21554C2H629552.拉曼谱线
17、在未有任何增强情况下,对不同浓度的H2,CH4,C2H2,C2H4,C2H6,CO,CO2,N2,O2进行检测,得到各气体的检测限分别约为30700,6800,10000,20200,12500,50600,35900,34500,32200(L/L);右图为不同浓度的C2H2的拉曼谱图:当浓度低于10000 L/L时,拉曼信号会淹没于噪声中,因此确定搭建的检测平台对C2H2的检测极限约为10000 L/L。3.提高检测极限的方法 3.提高检测极限的方法gglCIdI0 其中I0、分别为激光发射功率,拉曼信号损失率,拉曼光子收集角度、气体与入射光作用长度和分子拉曼微分横截面。因此从系统硬件上,
18、可通过提高这些参数实现各状态特征物质检测极限的提高。l(1).由于影响系统检测极限的主要因素为环境噪声水平,可采用光谱信号平均的方法来提高信噪比,以达到提高检测极限的目的;(2).又由于拉曼散射强度与各状态特征物质浓度关系可用下式表示:关键问题:需提高各特征气体的检测极限 目前主要采用增强腔方式来提高气体拉曼光谱检测灵敏度:其主要依靠增加入射激光与气体分子的有效作用长度及提高腔内的激光强度,来达到提高气体拉曼检测灵敏度的目的。主要的增强腔有:White 腔、Herriott 腔、F-P 腔、近共焦腔、近共心腔、V-型腔等,其对气体拉曼检测灵敏度都有一定程度的提高。3.提高检测极限的方法为了解决
19、气体拉曼强度过低的问题,实验室设计制造了镀银石英玻璃管增强型气体样品池以及光反馈V型增强腔。镀银石英玻璃管3.提高检测极限的方法光反馈V型增强腔 调节压电位移器,精确控制腔与V型腔之间的距离,从而使激光器输出频率有效锁定V型增强腔的谐振频率:激光在腔中多次反射(约4560次)、谐振,从而使腔内建立的激光功率提高(约16倍),极大地增加了激光与气体有效作用长度(约4.46 km)。3.提高检测极限的方法 应用阿伦方差法对检测数据进行处理,可进一步提高检测极限 利用Matlab编程对10000次连续光谱数据进行阿伦方差分析,得到系统阿伦方差双对数图右图所示:积分128次时,阿伦方差最小,信噪比最高
20、。3.提高检测极限的方法4.检测极限及定量分析方法结合阿伦方差法,应用光反馈V型增强腔对7种油中溶解气体进行检测(积分128次,即积分时间为8s),各气体的理论检测下限如下表所示:种类种类特征拉曼谱线特征拉曼谱线(cm-1)现有检测限现有检测限(L/L)理论检测极限(平均理论检测极限(平均1次)次)(L/L)理论检测极限(平均理论检测极限(平均128次)次)(L/L)H24160307008.410.62CO21445060013.871.02CO21388359009.840.72CH4291768001.860.14C2H21974100002.740.20C2H41344202005.5
展开阅读全文