劉麗嫻，宦惠庭，Mandelis Andreas，邵曉鵬

1. 西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，陜西 西安 710071 2. Center for Advanced Diffusion-Wave and Photoacosutic Technologies (CADIPT), Department of Mechanical and Industrial Engineering, University of Toronto, Toronto M5S 3G8, Canada 3. 光電集團(tuán)河南平原光電有限公司，河南 焦作 454100

引 言

電網(wǎng)中大型充油變壓器是輸電系統(tǒng)的樞紐設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)直接決定整個(gè)電網(wǎng)的安全性和可靠性。變壓器油紙絕緣系統(tǒng)在電、熱和機(jī)械等因素作用下會(huì)發(fā)生分解并產(chǎn)生C2H2，CH4，C2H4，C2H6，CO2，CO和H2等變壓器油中溶解氣。大量實(shí)例表明，其溶解氣體的種類和含量是表征變壓器早期潛伏性故障的重要特征，可用于評(píng)估變壓器運(yùn)行狀態(tài)和預(yù)測其工作壽命。如CO2是變壓器中油和絕緣紙熱解時(shí)產(chǎn)生的主要?dú)怏w，C2H2可表征變壓器油紙中火花放電、電弧放電故障[1]。

現(xiàn)常用油中溶解氣體分析技術(shù)主要分為離線式和在線式檢測兩種形式。最為常見的離線式檢測方式為氣相色譜法。該方法雖然具有選擇性強(qiáng)、檢測精度高和準(zhǔn)確性好等優(yōu)點(diǎn)，但由于需要現(xiàn)場采樣、實(shí)驗(yàn)室氣體分離等復(fù)雜過程，檢測周期長且色譜柱易受到污染[2]。光聲光譜技術(shù)作為光譜式在線式檢測式的重要代表[3-6]，具有目標(biāo)選擇性[7-8]、反應(yīng)時(shí)間短[9]、對(duì)樣品無破壞[10-11]等優(yōu)點(diǎn)，可在不易接近的危險(xiǎn)區(qū)域或難以到達(dá)的不利地形實(shí)現(xiàn)非接觸式實(shí)時(shí)在線檢測，受到了普遍關(guān)注。

變壓器油中溶解氣體除H2外，其他氣體在中紅外波段均有明顯的吸收特性。因此基于傅里葉變換紅外光譜儀，結(jié)合高精度T型光聲池[6, 12]，構(gòu)建傅里葉變換紅外光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)(Fourier transform infrared photoacoustic spectroscopy，F(xiàn)TIR-PAS)，以CO2和C2H2作為氣體樣品，開展多種油中溶解氣體定量檢測研究。

1 基礎(chǔ)理論

FTIR光譜儀基于對(duì)Michelson干涉后的紅外光進(jìn)行傅里葉變換，可克服色散型光譜儀分辨能力低、光能量輸出小、光譜范圍窄、測量時(shí)間長等缺點(diǎn)。光譜B(σ)與入射光I(δ)滿足如式(1)所示的傅里葉余弦變換關(guān)系。σ和δ分別為光譜波數(shù)和兩臂之間的光程差。

(1)

當(dāng)光譜儀工作在步進(jìn)掃描模式時(shí)，動(dòng)鏡以設(shè)置的速度移動(dòng)至指定光程差對(duì)應(yīng)位置并保持靜止，數(shù)據(jù)單元采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。光譜圖關(guān)于零光程差點(diǎn)對(duì)稱，此時(shí)滿足離散傅里葉變換關(guān)系，如式(2)所示。其中，干涉譜圖中含有N個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，h為相鄰兩點(diǎn)間距離，M為光譜波數(shù)總和。

j: 1, 2, 3，…，N-1；m: 1, 2, 3，…，M

(2)

當(dāng)以共振頻率ω0調(diào)制系統(tǒng)入射光聲池光時(shí)，目標(biāo)氣體吸收入射光所激發(fā)的光聲信號(hào)S如式(3)所示[13]。其中，I為入射光能量，C為光聲池常數(shù)，Rmic為微音器靈敏度，Ntot為單位體積內(nèi)氣體分子密度，E(ν)為目標(biāo)氣體的光吸收截面，c為目標(biāo)氣體濃度。

S=ICRmic(ω0)NtotE(ν)c

(3)

應(yīng)用FTIR光譜儀中寬譜光源激勵(lì)氣體，所得光聲信號(hào)BPAS(σm)如式(4)所示。該結(jié)果證明FITR-PAS痕量氣體檢測系統(tǒng)可根據(jù)單光譜傅里葉變換結(jié)果獲得紅外寬譜波段氣體吸收信息，且在氣體吸收峰處，其光聲信號(hào)與對(duì)應(yīng)氣體濃度成正比，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)多種痕量氣體的同時(shí)高精度檢測。

BPAS(σm)=CRmic(ω0)NtotE(ν)c×

j: 1, 2, 3，…，N-1,m: 1, 2, 3，…，M

(4)

2 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)建立的FTIR-PAS氣體檢測系統(tǒng)如圖1所示，采用FTIR光譜儀(Bruker Verterx70)中光源作為光聲信號(hào)激勵(lì)源，其可同時(shí)發(fā)射連續(xù)波數(shù)光。復(fù)色光經(jīng)由透鏡匯聚、斬波器以共振頻調(diào)制后照射至T型光聲池。透射光由紅外探測器采集用來監(jiān)測入射光源光能量的波動(dòng)情況。所激發(fā)的光聲信號(hào)由前置放大器濾波放大，鎖相放大器采集并輸送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖1 FTIR-PAS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

所設(shè)計(jì)的T型光聲池主要包含吸收腔和共振腔兩個(gè)部分，入射光貫穿照射吸收腔，其截面尺寸可根據(jù)入射光光斑等特性改變；共振頻率主要由共振腔決定，產(chǎn)生的聲波在共振腔的開端被反射而形成聲駐波。共振腔與入射光路垂直，其長度不受水平面狹窄空間的影響，故可在有限的空間中實(shí)現(xiàn)低頻率共振，滿足機(jī)械調(diào)制的需求。微音器位于共振腔頂端遠(yuǎn)離入射光路，避免了由雜散光引起的系統(tǒng)噪聲。經(jīng)驗(yàn)證T型光聲池的共振頻率為342 Hz，光聲池常數(shù)為2 063 Pa·cm·W-1 [14]，屬于高品質(zhì)光聲池[15]。

3 結(jié)果與討論

根據(jù)Hitran數(shù)據(jù)庫[16]，C2H2的吸收譜線理論仿真結(jié)果如圖2(a)所示。由ν3C—H伸縮振動(dòng)引起的吸收帶位于3 294 cm-1附近；1 302和1 360 cm-1處的吸收峰是由于ν4+ν5聯(lián)合振動(dòng)引起的[13]。為驗(yàn)證FTIR-PAS系統(tǒng)可靠性，測試了C2H2在1 000～6 500 cm-1的紅外吸收光聲譜圖，如圖2所示。經(jīng)對(duì)比觀察，所有氣體吸收峰位置與仿真結(jié)果完全吻合，證實(shí)了FTIR-PAS氣體檢測系統(tǒng)可精確檢測目標(biāo)氣體吸收峰信息，具有極高的波數(shù)分辨率。

圖2 C2H2紅外吸收譜仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

采用380 μL·L-1CO2∶1 000 μL·L-1C2H2∶N2混合氣體作為待測氣體樣品，鎖相放大器積分時(shí)間為300 ms，空間分辨率為6 cm-1，驗(yàn)證FTIR-PAS氣體檢測系統(tǒng)多氣體組分同時(shí)分析的能力，結(jié)果如圖3所示。CO2的吸收峰(2 349，3 620和3 730 cm-1)和C2H2的吸收峰(1 302，1 360和3 294 cm-1)清晰可見，證明了該技術(shù)基于寬光譜光源可實(shí)現(xiàn)多種變壓器油中溶解氣體同時(shí)檢測。

圖3 混合氣體(380 μL·L-1CO2∶1 000 μL·L-1 C2H2∶N2) FTIR-PA譜圖

FTIR光譜儀寬光譜光源的光譜能量分布如圖4所示。由式(4)可知，氣體檢測靈敏度與光聲池入射光能量成正比，因此分別選用光能量較強(qiáng)的1 360 cm-1(光能量30 μW)和2 349 cm-1(12.6 μW)的吸收峰信息來進(jìn)一步分析C2H2和CO2的檢測靈敏度。

1 000 μL·L-1C2H2在1 360 cm-1處產(chǎn)生的吸收峰值為1.86×10-3。對(duì)遠(yuǎn)離吸收帶的波數(shù)區(qū)間(1 700～1 850 cm-1)的光聲信號(hào)幅值進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試值間的標(biāo)準(zhǔn)偏差作為系統(tǒng)的平均噪聲水平[5]，計(jì)算得噪聲水平為7.63×10-6?？傻肍TIR-PAS氣體檢測系統(tǒng)的信噪比為243.7(1.86×10-3/7.63×10-6)，C2H2的檢測靈敏度為5 μL·L-1(1 000 μL·L-1/243.7)，達(dá)到中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則(DL/T 722—2014)中對(duì)運(yùn)行中220 kV及以下的變壓器和電抗器設(shè)備油中溶解氣體含量C2H2含量上限的限定。應(yīng)用相同的方法計(jì)算可得CO2的檢測精度為4 μL·L-1[12]，滿足國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(Q/GDW 536—2010)變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范中在線監(jiān)測裝置技術(shù)指標(biāo)對(duì)CO2氣體最低監(jiān)測極限值的要求。

圖4 寬譜光源碳棒光能量分布圖

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了高性能T型光聲池，使用μW量級(jí)紅外入射光源，結(jié)合FTIR光譜的寬譜性和PAS技術(shù)的高檢測精度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了CO2和C2H2氣體的高精度檢測。CO2和C2H2的探測靈敏度分別為4和5 μL·L-1，達(dá)到了國家/企業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了T型光聲池增強(qiáng)型FTIR-PAS氣體檢測系統(tǒng)高精度多種痕量氣體檢測的可行性，有望為變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障類型早期診斷提供理論支撐。