36900字硕士毕业论文基于光声光谱理论的电力变压器障碍物检测系统分析
论文类型：硕士毕业论文
论文字数：36900字
论点：在线,声光,气体
论文概述：
本文首先说明了论文研究的目的和意义，接着对现有的电力变压器故障检测及在线监测技术做了系统的阐述和介绍，在此基础上提出了基于光声光谱技术的电力变压器故障检测技术。接着对论文
论文正文：
第一章导言
1.1电力变压器故障检测技术研究的目的和意义
随着电网建设的快速发展，社会对电网的安全稳定提出了更高的要求。近年来，电力行业积极应用在线监测技术，开展状态维修，加强设备的日常测试和综合分析，及时消除设备的一些隐患，2001年全国电网供电可靠性高达99.99%，但与发达国家相比仍有较大差距。电气设备故障，尤其是电力变压器故障，一直是威胁电网稳定安全运行的主要因素。因此，对电力变压器的运行状态进行及时的故障检测甚至实时在线监测尤为重要，这直接关系到电网的稳定可靠运行。
充油电力变压器的主要内部绝缘材料为变压器油、纸、纸板等甲级绝缘材料。在长期运行中，当局部放电、火花放电、油过热等故障发生时，变压器油和纸会破裂，从而产生甲烷、C2H4、H2、一氧化碳、二氧化碳、C2H2等特征气体。然后溶解在绝缘油中。因此，通过分析油中溶解的故障气体的组成和比例，可以及时判断潜在故障的类型、程度和发展趋势，并制定了一系列国际国内标准。经调查可知，目前变电站、电厂等电力部门使用的变压器故障诊断方法主要是基于实验室油中溶解气体的色谱分析。经过多年的使用，这项技术相对成熟。同时，各方评价相对较好，是目前电力部门最信任的方法。然而，随着科学技术的发展，以及智能化水平的提高，电力部门也对电气设备的智能诊断和监控提出了更高的要求。因此，越来越多的基于油中溶解气体色谱分析的在线监测装置已经问世。虽然取得了一些效果，但仍存在许多问题。
近十年来，为了实现变压器油中溶解气体的实时或定期监测和故障的及时检测，国内外都致力于开发在线监测诊断设备，并相继开发了一些实用的油中溶解气体在线监测诊断设备。主要包括:以半导体传感器为检测器的在线监测仪器、以催化燃烧传感器为检测器的在线监测系统、以燃烧电池传感器为检测器的在线监测系统、以光敏气体传感器为检测器的在线监测系统、以色谱分析为检测器的在线监测系统、基于傅里叶红外光谱的在线监测系统等。然而，上述在线监控系统都有其致命的弱点。基于传感器的在线监测系统线性度差，对气体的选择性不理想。同时，信号采集和传输过程中抗干扰能力差。此外，该传感器的使用寿命和长期工作稳定性较差，限制了其推广应用。基于色谱分析的在线监测设备，由于仪器中采用了色谱柱等耗材装置，而且大多数仪器还使用气体渗透膜来分离油气，监测过程中还使用载气，整个仪器体积庞大、价格昂贵，需要频繁维护和更新部件，给电力工作者带来了很多操作上的麻烦。然而，基于傅里叶红外光谱的在线监测设备无法检测出气体H2的重要特征。同时，由于傅里叶红外光谱基于红外光传输原理，气体分子对红外光的折射和散射降低了气体检测的灵敏度和线性度。因此，在克服上述技术缺陷的基础上，需要新技术来更好地实现变压器油中溶解气体的在线监测。基于上述要求，作者开发了一套基于光声光谱检测技术的电力变压器故障检测系统。该系统可用于离线应用，并可方便地扩展到在线监测系统。
目前，全球市场上只有英国凯尔曼公司有相关产品，其产品已经在国内外主要电力部门进行了一系列现场和实验室对比测试。测量结果与传统的实验室气相色谱没有显著差异。但是，这一领域的国内产品仍然是a 空白色，没有拥有自主知识产权的相关产品。此外，由于采用机械调制等技术，凯尔曼的设备在抗干扰能力和长期稳定可靠运行方面还有许多问题需要解决。这些问题也是我们实验室今后将逐步解决的问题。总之，与传统的电力变压器故障检测设备相比，基于光声光谱技术的变压器油故障检测系统具有灵敏度高、检测范围宽、不消耗被测样品、不消耗载气、便于监测H2相对体积分数等一系列优点。此外，各方面的预期指标远高于传统的故障检测设备，具有非常重要的研究价值和现实意义。
1.2电力变压器故障检测技术的研究现状
基于电力变压器油中溶解气体的故障检测技术可以追溯到1921年。德国的马克斯·布霍尔兹(MAXBuhholz)发明了一种可以安装在变压器和其他充油电气设备上的气体继电器，这在当时对促进变压器故障检测起到了很大的作用。到目前为止，它仍然是变压器不可缺少的保护装置，但毕竟它也有缺点。例如，在变压器油中溶解的故障气体达到饱和并释放气体之前，它不能起到报警作用。同时，虽然报警发生，但它不能告诉人们故障的性质和类型，因此这种方法的实时性和可靠性不是很高。为了克服上述气体继电器的缺陷，迪克森(M.R.Dickson)等人在1949年提出用化学分析方法分析溶解在变压器油中的故障气体，并通过故障特征气体与预先制备的反应物之间化学反应所引起的反应物的物理表征来判断故障特征气体的类型。然而，这种电化学传感器的准确度、灵敏度和线性度相对较差，并且无法实现精确的定量分析。判断电力变压器的故障仍然不方便。到1960年，美国能源部使用质谱分析变压器故障气体。虽然准确度和灵敏度很高，检测气体种类丰富，但由于成本高、价格高，仍难以推广应用，不适合在线应用。自从马丁等人在1952年发明气相色谱分析仪以来，气相色谱已迅速应用于化学、农业、生物等行业。Pugh等人于1961年首次将气相色谱法应用于电力变压器油中溶解气体的检测，并取得了良好的效果。此外，已经制定了基于气相色谱法检测电力变压器油中溶解的特征气体来确定变压器故障的国际和国内标准，从而成为基于变压器油中的故障气体来诊断变压器状况的最可靠的检测方法。近年来，随着色谱技术的不断发展，基于气相色谱的变压器故障在线监测设备逐渐走向市场。世界上许多著名的公司和科研机构都热情投入到在线监测的研究中，随着诊断方法的不断改进，变压器的运行维护和故障检测水平也有了很大的提高。
第二章光声光谱技术及系统方案设计
2.1光声光谱学的研究现状
亚历山大·贝尔(Alexander Bell)在1880年发现了光声效应，并提出如果使用固体样品，多孔、海绵状和黑色样品越多，将产生越强的声波。一年后，科学家廷德尔和朗特根在气体样本上观察到了同样的光声效应。然而，很长一段时间都没有人研究和提到光声效应，直到1938年，当时苏联学者维也纳格洛夫(Viengerov)开发了世界上第一台检测气体浓度的光声光谱装置，并成功检测了混合气体中各种成分的浓度。20世纪60年代后期，随着激光的出现和电子检测技术的进步，光声光谱技术的发展得到了进一步的推动。特别是高功率激光器、高灵敏度麦克风和性能优越的锁相放大器大大提高了光声光谱仪的检测灵敏度。1968年，克尔、阿特伍德等人成功开发了一种以红宝石激光器为光源的光声光谱检测系统，用于检测空气体中水分子的红外吸收光谱。
1978年，奇赫尔卡(J.Cihelka)等人使用半导体GaInAsSb/AlGaAsSb激光器作为可调辐射源，并使用光声光谱技术检测汽车尾气中甲烷和乙烯的浓度。2000年，尼伯克等人使用光声光谱技术检测甲烷、一氧化碳和二氧化碳气体的浓度，这些气体是物质的燃烧产物。2002年，荷兰奈梅根大学光声光谱团队建立的光声光谱检测系统将乙烷的检测灵敏度提高到1×10-11。2003年，英国凯尔曼公司首次开发了基于光声光谱的便携式变压器油中溶解气体检测系统。光声光谱的研究早在1977年就在中国开始了。北京大学首次使用光声光谱检测大气污染物。自1979年以来，中国已有20多家研究机构和研究所相继开展了气体光声检测技术的研究，并取得了一系列实质性突破。1983年，中国科学院长春光学精密机械研究所成功研制出GS-1光声光谱仪，可应用于物理、化学、医学等许多领域。1995年，大连理工大学俞庆旭采用纵向共振光声池，将其放入二能级跃迁一氧化碳激光器的光学谐振腔中，形成高灵敏度的光声探测器，使NO2和CH4气体的光声光谱探测灵敏度分别达到37×10-11和37×10-12个数量级。1996年，苏州大学成功研制了600光声光谱仪，成为中国第一台商业化的光声光谱仪。2004年，哈尔滨工业大学的王树涛等人将光声光谱技术与光纤技术相结合，研制了一种基于光声光谱的光纤气体传感器。光纤相位传感器取代传统的麦克风检测光声信号，对SO2气体的最小检测灵敏度达到1.2×10-10。
第三章油气分离和光声模块系统的设计................................29-48
3.1油气分离装置设计..............................29-32
3.1.1油气分离装置的研究现状..............................29-30 [/BR/] 3.1.2油气分离装置方案设计..............................30-32
3.2光声模块设计..............................32-34
3.3光声腔的设计和研究..............................34-40
3.4光声腔的制作和性能研究..............................40-42[/溴/] 3.5光声腔谐振管的材料优化设计..............................42-45 [/BR/] 3.6空空气动力冷却现象..............................45-47
3.7本章概述..............................47-48
第四章光声信号检测和调理模块设计..............................48-64
4.1光声信号检测和调理模块的方案设计..............................48 [/BR/] 4.2模拟锁相放大器设计..............................48-58
4.3数字锁相放大器的设计..............................58-62 [/BR/] 4.4模拟锁相放大器和数字锁相放大器..............................62-63
4.5本章概述..............................63-64
第五章系统检测精度和混合气体交叉口的实验校准..............................64-70
5.1光声光谱模块性能测试系统的构建..............................64-66 [/BR/] 5.1.1气体分配系统的建造..............................64-65
5.1.2实验测试系统..............................65-66[/比尔/] 5.2的实验结果和分析..............................66-67[/溴/] 5.3多组分气体交叉影响校正..............................67-69
5.4本章概述..............................69-70
结论
本文的主要工作是光声光谱技术在电力变压器故障检测中的应用。首先，阐述了电力变压器故障检测技术和光声光谱技术的现状，并在此基础上，提出了基于光声光谱技术的电力变压器故障检测系统的设计方案。其次，设计了系统的两个重要组成部分:油气分离和光声光谱核心模块，并对每个组成部分的工作特性进行了实验测量，为未来基于光声光谱技术的电力变压器故障检测技术奠定了坚实的基础，获得了以下研究成果和结论:
1。第一章设计的四种电力变压器在线监测方案非常可行，初步反映了光声光谱技术在电力变压器在线监测中未来应用的发展方向和趋势。
2。从理论上设计制作了光声模块，特别是光声腔，并对其工作特性进行了实验测量。
3。分别设计制造了信号调理系统、模拟锁相放大器和数字锁相放大器。经过比较，建议使用数字锁相放大器，以确保系统的可靠性和稳定性。
参考
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