基于共振光声光谱的变压器油中溶解气体在线监测原理及方法

论文摘要

油中溶解气体是表征运行电力变压器早期潜伏性故障的重要特征量之一,油中溶解气体的在线监测技术在变压器运行状态的在线评估及剩余寿命的预测领域具有良好的应用前景。光声气体检测技术作为一种光学检测技术,它自身不需要消耗及分离气体,且在灵敏度、选择性、动态检测范围等方面显示了独特的优点,其在变压器油中溶解气体在线监测技术领域具有巨大的应用潜力。论文从气体红外吸收特性分析、光声光谱在线监测系统的构建及微弱信号检测三方面着手,系统地研究了油中溶解气体光声光谱在线监测的原理与方法。深入剖析气体光声效应的产生机理,即热的产生与声的激发,研究标准圆柱形光声池中声场的分布特点及其振幅的大小,在分析实际光声池中声能损耗的基础上,得出计及声能损耗的波动方程与光声信号的振幅幅值,为气体光声检测系统的组建,特别是光声池的优化设计奠定理论基础。气体的红外吸收特性是利用红外光学技术分析气体的理论依据,提出了气体红外吸收特性的逐线积分模型,结合HITRAN2004数据库提供的气体谱线参数,给出在任意温度、任意压强及浓度下,气体在指定波长处的吸收系数;并以CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO和CO2的特定吸收谱线为研究对象,分析了峰值吸收系数及谱线线型受压强和温度的影响。在详细剖析非共振、赫姆霍兹共振及空腔共振光声池的工作原理及特点的基础上,通过分析光声池谐振腔的几何参数与其特性参数-共振频率、品质因数与池常数的关系曲线,设计出能够满足油中溶解气体在线监测实际需求的一阶纵向共振光声池;同时,通过分析非相干与相干红外光源应用于气体光声检测系统的优缺点,并通过对CH4和C2H2气体的近红外光谱的理论分析,建立了基于分布反馈半导体激光器阵列光源的油中溶解气体光声光谱在线监测系统;提出一种基于最小二乘回归的气体光声定量分析方法,实验分析表明,该方法对于选择性优良的光声光谱系统的气体光声定量是有效的。针对目前在微弱信号检测中广泛应用的互相关方法的信噪比门限较高的不足,提出基于互相关和李雅普诺夫指数的微弱信号混沌检测方法,仿真实例分析表明,该方法能够从强噪声中检测出互相关方法所不能检测的微弱正弦信号,且在精度上比单独的互相关和混沌检测方法更优。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 变压器油中溶解气体的产生、应用与检测技术
• 1.1.1 油中溶解气体的产生和应用
• 1.1.2 油中溶解气体检测技术
• 1.2 变压器油中溶解气体在线监测技术的研究现状
• 1.2.1 变压器油中溶解气体在线监测技术研究现状
• 1.2.2 现有气体在线监测技术存在的问题
• 1.3 光声光谱技术在变压器油中溶解气体在线监测中的应用前景
• 1.4 论文的主要研究内容
• 1.5 小结
• 2 气体光声信号的产生机理及实际光声池中的声能损耗
• 2.1 气体光声检测原理
• 2.1.1 气体的光声效应
• 2.1.2 气体光声检测方法
• 2.2 光声信号的产生机理
• 2.2.1 气体分子的热产生过程
• 2.2.2 光声池中声场的激发
• 2.3 实际光声池中的声能损耗
• 2.3.1 气体内部的粘滞与热传导－体损耗
• 2.3.2 气体在边界处的粘滞与热传导－面损耗
• 2.3.3 计及声能损耗的波动方程
• 2.3.4 品质因数
• 2.4 小结
• 3 变压器油中溶解气体的红外吸收特性理论分析
• 3.1 引言
• 3.2 红外光谱基础理论
• 3.2.1 红外光谱概述
• 3.2.2 红外光谱精细结构与气体分子振转能级跃迁
• 3.2.3 谱线的线型及增宽
• 3.3 油中溶解气体的红外吸收特性
• 3.3.1 气体红外吸收特性的逐线积分模型
• 3.3.2 气体红外吸收逐线积分模型的有效性分析
• 3.3.3 油中溶解气体的红外吸收系数
• 3.4 压强、温度对气体红外吸收特性的影响
• 3.4.1 压强的影响
• 3.4.2 温度的影响
• 3.5 小结
• 4 基于互相关和李雅普诺夫指数的微弱信号混沌检测方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 互相关理论在微弱信号检测中的应用
• 4.3 基于互相关和Lyapunov 指数的微弱信号混沌检测方法
• 4.3.1 基于Duffing 振子的微弱信号混沌检测
• 4.3.2 Lyapunov 指数确定临界状态策动力幅值的方法
• 4.3.3 基于互相关和Lyapunov 指数的微弱信号混沌检测方法
• 4.4 小结
• 5 变压器油中溶解气体光声光谱在线监测系统的设计与实现
• 5.1 变压器油中溶解气体光声光谱在线监测系统的设计原则
• 5.2 变压器油中溶解气体光声光谱在线监测系统的组成
• 5.2.1 光源的选择
• 5.2.2 光声池的设计
• 5.2.3 其他组件的选择
• 5.2.4 配气系统的设计
• 5.2.5 光声光谱系统的整体结构
• 5.3 油中溶解气体光声光谱在线监测系统的性能分析
• 5.3.1 DFB 半导体激光器的辐射特性
• 5.3.2 光声系统噪声分析
• 5.3.3 光声池分析
• 5.3.4 背景气体的影响
• 4和C₂H₂ 的光声特性及定量分析'>5.4 CH₄和C₂H₂的光声特性及定量分析
• 4 的光声特性'>5.4.1 CH₄的光声特性
• 2H₂ 的光声特性'>5.4.2 C₂H₂的光声特性
• 4和C₂H₂ 的光声定量分析方法'>5.4.3 CH₄和C₂H₂的光声定量分析方法
• 5.5 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读博士学位期间发表及录用的论文目录
• B. 作者在攻读博士学位期间参加科研项目情况