基于石英增强光声光谱的变压器故障气体C2H2检测研究

作     者：丁琛斐 

作者单位：石家庄铁道大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵南;刘占阳

授予年度：2023年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：石英增强光声光谱 变压器故障 乙炔气体 有限元分析 

摘      要：变压器是电力系统中的核心器件之一,对变压器油中溶解气体进行分析可以发现存在的早期故障,有效预防电网瘫痪带来的巨大损失。在变压器出现故障时,变压器油会裂解生成不同的气体,如甲烷、乙炔、氢气等等。其中,乙炔(CH)为变压器故障的重要特征气体之一。因此,对CH的浓度进行实时检测,对变压器故障的辅助判断具有重要意义。石英增强光声光谱技术(Quartz Enhanced Photoacoustic Spectroscopy,QEPAS)是一种基于光声效应的气体探测技术,具有检测范围大、检测响应快等优势,因而在气体检测领域应用广泛。本文主要对变压器故障气体乙炔检测进行研究,通过搭建QEPAS变压器故障气体乙炔检测系统,采用锁相放大器进行信号的处理,对检测系统中的音叉耦合共振管模块进行优化,实现对变压器故障气体乙炔的高灵敏度探测。首先,在理论研究部分,对变压器故障类型及气体进行了分析,并针对变压器油中溶解气体,将气体检测技术进行了分类和对比,对气体分子吸收理论进行了分析,通过对光声效应的分析,详细的研究了光声光谱的技术原理;对石英音叉的压电效应以及QEPAS技术的共振增强理论进行了相关的分析。其次,搭建了基于QEPAS的变压器故障气体乙炔探测系统,对变压器故障气体乙炔以及其他影响气体的吸收谱线进行了分析,对光源、音叉、共振管以及锁相放大器等实验设备进行了选择,对锁相放大器的电路以及信号处理过程进行了分析。对变压器故障气体乙炔检测系统的核心之一,即石英音叉进行了优化设计,以有限元方法为基础,建立石英音叉的模型并对其振动模态进行了仿真,并对石英音叉不同的尺寸对应的谐振频率进行了仿真。以标准石英音叉和定制音叉为研究对象,建立了音叉与共振管的耦合模型,对音叉与共振管的耦合位置、共振管的长度和内径进行了研究,分析结果得到两种音叉与共振管的耦合模型的最优参数,由此确定变压器故障气体乙炔检测实验所选取的参数。最后,通过搭建好的石英增强光声光谱气体检测系统进行实验,利用标准音叉对变压器故障气体乙炔进行了探测,通过实验分析了系统性能,实现了对变压器故障气体乙炔1.22 ppm的探测下限,优化了系统的调制深度,完成了对乙炔的浓度测量,并探究了温度和压强对变压器故障气体乙炔检测系统的影响。