一种变压器油中气体体积快速定量监测方法与流程

1.本发明涉及电力系统变压器技术领域，尤其是涉及一种变压器油中气体体积快速定量监测方法。


背景技术：

2.变压器的应用范围十分广泛，是电力系统、特别是输变电线路中最重要的电器产品之一。为了保证电力系统供电可靠性和经济性，变压器的在线监测和故障诊断技术应运而生。变压器油是电气设备中起绝缘、冷却、灭弧作用的绝缘油。其质量优劣对保证设备的安全运行具有重要意义。变压器油是通过蒸馏和精炼天然石油而获得的矿物油。它是由不同分子量的各种碳氢化合物组成的混合碳氢化合物。当变压器运行中出现过热、局部放电、电火花和持续电弧等故障时，油中形成的氢气和低分子烃类气体会溶解在油中形成气泡，这些气体会影响变压器油的介电性能，影响变压器的正常运行，这些气体的体积与变压器的故障类型和严重程度密切相关。变压器油中溶解气体体积的检测对于变压器某些潜在故障的早期诊断及其发展具有重要意义。准确测定油中溶解气体各组分的体积，提高实验结果的可靠性，是准确评价设备运行状态的前提和基础。目前常用的监测方法是气相色谱法，该方法无需现场接触，安全性好，但是需要现场取样和实验室分析，耗时长，即时性差；另外，该方法检测程序复杂，对检测人员的操作水平有一定要求；而且色谱柱需要定时清理和更换，增加了成本，也无法随时监控掌握各个变压器的运行状态，无法做到及时预警。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种变压器油中气体体积快速定量监测方法，该方法可实现监测变压器油气体体积的变化，进而实时监测变压器是否有过热、局部放电、电火花和持续电弧等故障发生，保证变压器的正常运行。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
5.一种变压器油中气体体积快速定量监测方法，该方法采用图像采集装置获取变压器运行状态下的变压器油中气泡的在焦、左右离焦图，并求解变压器油中气泡的相位图，根据气泡的相位图计算变压器油中的实时气体体积，根据计算得到的变压器油中的气体体积获取变压器运行状态。
6.所述图像采集装置包括相位实时显微相机和商用显微镜，在变压器运行状态监测过程中，将变压器油放置于商用显微镜下，调节变压器油在商用显微镜下的清晰程度，直至得到清晰的在焦、左右离焦图后，通过相位实时显微相机采集在焦、左右离焦图，并将其传输至计算机。
7.进一步地，在变压器运行状态监测过程中，将变压器油放置于商用显微镜下，调整焦距，使显微镜下的图像处于聚焦状态，使用相位实时显微相机拍摄变压器油处于聚焦情况下的在焦图、欠焦图和过焦图。
8.进一步地，相位实时显微相机结合商用显微镜获得变压器油中的气泡的在焦图、
欠焦图和过焦图后，基于光强传输方程求解出变压器油中气泡的相位图。
9.本发明提供的变压器油中气体体积快速定量监测方法，相较于现有技术至少包括如下有益效果：
10.1)利用相位实时显微相机结合商用显微镜装置获取变压器油的在焦、左右离焦图，利用计算机处理提取的相位信息便可分析变压器油的品质，最终实现实时监测变压器运行状态的目的，装置简单，节约成本，可以实现在现场实时检测，速度较快，而且不需接触，安全性好；
11.2)可根据计算得到气体体积的占比分析变压器油是否发生变质，进而监测变压器是否发生过热、局部放电、电火花和持续电弧等故障，便于及时发现变压器故障，避免火灾、设备或电子元器件损坏等事故的发生。
附图说明
12.图1为实施例中本发明变压器油中气体体积快速定量监测方法的原理示意图；
13.图2为实施例中本发明的理论支持原理图。
具体实施方式
14.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
15.实施例
16.变压器在故障情况下，如过热、局部放电、电火花和持续电弧等，由于热应力和电应力的影响，纤维素绝缘纸和变压器油会发生分解，产生溶解在油中的气体，形成气泡，并降低其介电强度，导致变压器更易发生故障。基于此，本发明涉及一种变压器油中气体体积快速定量监测方法，该方法基于相位实时显微相机结合商用显微镜装置获得肉眼情况下无法观察到的变压器油的在焦、左右离焦图，将获得到的在焦、左右离焦图，基于光强传输方程(tie，transport of intensity equation)解出气泡的相位分布图，在视场内提取相位后，利用经典的阈值分割算法，根据气泡的相位值自动识别出具有该视场的气泡。气泡的面积可以从它所占的象素来估计，因为单个象素所占的面积以前已经用美国空军1951年的两步相位分辨率目标进行了校准；根据式(1)可计算出气泡的高度h：
[0017][0018]
其中，n
oil
为折射计测得的变压器油的折射率，n
gas
为气体的折射率近似为1，总气体体积v
gas
可测量为样品室中变压器油样品中所有气泡体积之和，气油体积比可简单计算为v
gas
/(v
total
‑
v
gas
),，其中v
total
为移液管测定的总体积。算出变压器油中气体的占比，可以快速定量地检测变压器油中的气体体积。
[0019]
利用相位实时显微相机结合商用显微镜装置获得变压器运行状态下的变压器油的在焦、左右离焦图进行监测。具体地，为了获得这些图像，调整焦距，使显微镜下的图像处于聚焦状态，使用相位实时显微相机拍摄变压器油处于聚焦情况下的在焦图、欠焦图和过焦图。
[0020]
如图1所示，相位实时显微相机结合商用显微镜装置，将变压器油放置于显微镜下，调节焦距，直到得到清晰的在焦、左右离焦图(在焦图、欠焦图和过焦图)。然后通过相位实时显微相机采集在焦、左右离焦图。相位实时显微相机可获得到不同气体体积的变压器油的在焦、左右离焦图，并将其传输到计算机，以进一步实现在计算机界面的相位恢复。
[0021]
计算机根据在焦、左右离焦图，采用光强传输方程(tie)解出油中气泡的相位图。通过相位实时显微相机记录一系列在焦和离焦图，利用光强传输方程求解相位反演变压器油中所有气泡的相位分布。
[0022]
因变压器油与油中气体的折射率不同，会导致变压器油的局部折射率发生改变，在物理量中的表现为相位的不同，因此根据相位值的不同来检测变压器油中的气体体积。
[0023]
在实时监测过程中，可根据时得到的气体体积的占比监测变压器油是否发生变质，即通过实时提取变压器油相位信息，计算出变压器油中的实时气体体积，分析变压器运行状态，为变压器故障检测提供依据，避免火灾、设备或电子元器件损坏等事故的发生。从而达到即时监测变压器运行状态的目的。
[0024]
本发明的理论支持为光强传输方程(tie)，其基本原理是在满足傍轴近似条件下，由和光轴垂直的平面上光波的相位决定沿着光轴方向上光强度的变化，在本发明中，利用相位实时显微相机捕获变压器油的在焦，左右离焦图，就可以得到变压器油在不同平面上光的强度变化信息，就可以通过求解tie来恢复变压器油的相位分布，根据变压器油中气泡与变压器油得相位值不同识别出气泡。tie具体推导内容如下：
[0025]
在光学中，单色光的复振幅表达式为：
[0026][0027]
其中，i为光强，为相位，z轴是为传播方向。
[0028]
在满足旁轴近似的条件下，通过带入验证可得用来推导光强传输方程(tie)的单色光的复振幅u(x，y，z)，其严格满足抛物线方程即：
[0029][0030]
其中，表示沿z轴的强度梯度，k＝2π/λ为波矢，表示沿z轴的强度梯度，k＝2π/λ为波矢，为二维拉普拉斯算符，为梯度算子。
[0031]
求u(x，y，z)的共轭函数u
*
(x，y，z)：
[0032][0033]
将u
*
(x，y，z)乘以可得：
[0034][0035]
将u(x，y，z)乘以的共轭得：
[0036]
[0037]
将上面两个乘积相减得：
[0038][0039]
此式即为强度传播方程，即tie方程。从以上方程可以得知，tie把强度i(x，y，z)及强度变化与相位φ(x，y,z)联系起来。强度变化可以通过在传播z轴的z
‑
z0和z z0处的强度测量求解得到，如图2所示。
[0040]
本发明利用相位实时显微相机结合商用显微镜装置获取变压器油的在焦、左右离焦图，利用计算机处理提取的相位信息便可分析变压器油的品质，最终实现实时监测变压器运行状态的目的，装置简单，节约成本，可以实现在现场实时检测，速度较快，而且不需接触，安全性好；可根据计算得到气体体积的占比分析变压器油是否发生变质，进而监测变压器是否发生过热、局部放电、电火花和持续电弧等故障，便于及时发现变压器故障，避免火灾、设备或电子元器件损坏等事故的发生。
[0041]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。