变压器油中溶解气体在线监测的光声光谱法研究-物理电子学专业论文.docx

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。  本论文属于 必威体育官网网址□， 在 年解密后适用本授权书。 不必威体育官网网址□。 （请在以上方框内打“√”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 电网运行的可靠性和安全性越来越受到社会的广泛关注，电气设备故障，尤其是 大型电力变压器故障，一直是影响整个电网正常工作的重要因素，而变压器故障较为 全面的早期预防与诊断主要是依靠对变压器油中溶解气体的成分与含量进行分析。 目前针对此类气体的在线监测技术有很多种，然而较为新颖的光声光谱技术相对于 传统方式具有灵敏度高、选择性好及检测范围广等特点，在变压器油中溶解气体在线 监测领域的应用具有巨大潜力，因此，对基于光声光谱法的气体监测技术进行研究是 十分有意义的。 论文从气体红外吸收理论与光声光谱原理出发，实现了气体监测系统的搭建，并 对光声光谱气体监测技术进行了系统地分析与研究。论文主要工作内容包括： (1) 阐述了红外吸收光谱理论及光声效应产生机理，给出了光声池内的声场分布 表达式，推导出了光声电压信号、气体浓度及光功率之间的正比例关系，并分析了采 用光声光谱技术检测气体浓度的基本原理与方法。 (2) 根据气体在线监测系统的设计原则，对监测系统的组成部件进行了分析和选 择，搭建了监测系统的实验平台，并对系统的噪声源及其控制措施进行了探讨。 (3) 对光声池中的光声信号分布进行了建模，得出了光声池各参数的理论公式， 并对其进行仿真计算得出了光声池各参数与光声池各尺寸的关系。同时确定了光声 池的基本尺寸，使用 COMSOL Multiphysics 5.0 对光声信号的分布和共振特性进行了 模拟，并对光声池进行了设计与制作。 (4) 实验分析了 C2H4 的红外吸收特性与 CO2 激光谱线的关系，研究了 C2H4 的光 声光谱检测特性。通过实验确定了光声池各参数，并通过测量光声池中的各类噪声， 计算出了系统的最低检测极限为 20.1ppb。最后对 C2H4 浓度进行了定量分析和信号 重复性研究。 系统通过采用光声光谱技术，实现了低浓度 C2H4 的监测，同时通过实验证明了 系统可以对气体浓度进行较为准确的检测，并能长期稳定的工作。 关键词：光声光谱 在线监测 变压器 光声池 乙烯气体 II Abstract The reliability and security of power grid has got more and more widespread concern from the society. Faults in Electrical equipment, especially in large power transformers, has always been the most important factor that Influence the regular operation of entire grid. However, The comprehensive early prevention and diagnosis of the faults in transformers mainly relies on the analysis of dissolved gases in transformer oil. Currently, there are many techniques for on-line monitoring of such gases, but compared with traditional methods, more novel technique called photoacoustic spectroscopy has many advantages including high sensitivity, good selectivity and wide detection range, and has