方 祺，瞿殿桂

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司，上海 201700)

油浸式電力變壓器作為電網(wǎng)中最關(guān)鍵且昂貴的設(shè)備，通常被公認(rèn)為是電力系統(tǒng)的“核心”。變壓器油作為變壓器正常運(yùn)行的重要介質(zhì)，在絕緣、冷卻、滅弧等方面起著重要作用[1-3]。變壓器運(yùn)行周期內(nèi)任何時(shí)期的意外故障都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。為了決定何時(shí)、以何種方式維護(hù)電力設(shè)備，基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的維護(hù)策略已被普遍認(rèn)可[4-5]。其中，變壓器油中溶解氣體分析技術(shù)已成為變壓器故障診斷最有效的方法[6-8]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼提出了各種檢測(cè)變壓器油中溶解氣體的技術(shù)并予以實(shí)施。氣相色譜分析法主要用于實(shí)驗(yàn)室的定量測(cè)量和離線常規(guī)測(cè)試[5,9]，該方法可檢測(cè)多種氣體組分，但需消耗載氣和定期更換色譜柱，無法滿足變壓器運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)的要求。在線氣體探測(cè)器主要有物理/化學(xué)技術(shù)和光學(xué)方法兩類。一般來說，物理/化學(xué)氣體探測(cè)器包括導(dǎo)熱探測(cè)器、火焰電離探測(cè)器、半導(dǎo)體探測(cè)器、電化學(xué)探測(cè)器、催化燃燒探測(cè)器、鈀柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管探測(cè)器、陣列氣體傳感器等[10]。這些探測(cè)器的制造工藝相對(duì)成熟，大批量生產(chǎn)成本較低。由于物理/化學(xué)探測(cè)器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性相對(duì)較差，定期更換和校準(zhǔn)將增加操作和維護(hù)的工作量。此外，大多數(shù)物理/化學(xué)技術(shù)都依賴于外部載體氣體。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，固體氧化物燃料電池傳感器[11]、碳納米管傳感器[12]和納米金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器[13]已被提出和研究，部分探測(cè)器的性能得以提升。但存在易老化、易飽和、電磁兼容性、雜質(zhì)污染等問題，需要在今后的研究中加以考慮。

光聲光譜技術(shù)以測(cè)量和抗電磁干擾的優(yōu)勢(shì)進(jìn)入在線溶解氣體分析技術(shù)領(lǐng)域?；诠饴曉淼墓饴暪庾V學(xué)器件已開發(fā)并應(yīng)用[14-15]。經(jīng)驗(yàn)證，光聲光譜技術(shù)可在不消耗故障氣體的條件下進(jìn)行多組分氣體檢測(cè)[16-17]。光聲光譜技術(shù)容易受到許多因素的影響，如噪聲、入射激光功率和溫度，特別是在實(shí)際應(yīng)用中難以消除和控制大量的噪聲源，降低檢測(cè)靈敏度。已有多位學(xué)者相繼開展了光聲光譜氣體檢測(cè)相關(guān)技術(shù)的研究。文獻(xiàn)[18]基于激光拉曼光譜對(duì)變壓器溶解氣體進(jìn)行了光學(xué)檢測(cè)?；诟道锶~變換紅外光譜，文獻(xiàn)[19]利用算法增強(qiáng)了測(cè)量能力。雖然具備高靈敏度，但組件的復(fù)雜脆弱性并不適合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。此外，嘗試用纖維布拉格光柵(FBG)檢測(cè)溶解氣體中的氫元素[20]，但由于缺乏相應(yīng)的傳感材料，它不適用于檢測(cè)烴類氣體。為了解決目前光聲光譜技術(shù)的問題，提出了可調(diào)二極管激光吸收光譜技術(shù)來完成甲烷和乙炔檢測(cè)[21]，具有實(shí)時(shí)檢測(cè)、信噪比高、可靠性高、無樣品、無損檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。如只有單組件檢測(cè)，很難滿足實(shí)際需求[14,22]。特別是，在線溶解氣體分析(On-line Dissolved Gas Analysis，簡(jiǎn)稱DGA)中，多組分氣體的檢測(cè)分析信息對(duì)于診斷絕緣油的確切狀態(tài)至關(guān)重要。

本文基于可調(diào)二極管激光吸收光譜原理，研究一種多組分氣體(甲烷、乙烯、乙烯、乙烷)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，分析待測(cè)氣體之間交叉干擾的定量關(guān)系并通過理論結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 可調(diào)二極管激光吸收光譜檢測(cè)原理

1.1 可調(diào)二極管激光吸收光譜技術(shù)

不同于直接吸收光譜的方法，可調(diào)二極管激光吸收光譜技術(shù)通過可調(diào)諧掃描二極管激光源測(cè)量高分辨率目標(biāo)光譜區(qū)域。由于不同氣體的振轉(zhuǎn)吸收線位于特定的光譜帶上，根據(jù)Beer-Lamert吸收定律，入射/發(fā)射強(qiáng)度的變化與激光束的路徑和特定波長(zhǎng)內(nèi)氣體的濃度有關(guān)，忽略了散射和反射過程。激光輸出和氣體濃度的量化表達(dá)式由式(1)[23]給出。

(1)

指數(shù)項(xiàng)可以看作是氣體的吸光度系數(shù)，與特定溫度和壓力下的譜線強(qiáng)度成線性相關(guān)，

(2)

氣體介質(zhì)的管線強(qiáng)度極弱(10-5～10-7)，因此將傳輸強(qiáng)度計(jì)算為

(3)

探測(cè)器接收到的光強(qiáng)信號(hào)與大量的背景噪聲信號(hào)混合，因此不利于直接測(cè)量濃度。激光束與驅(qū)動(dòng)電流成正比，為了實(shí)現(xiàn)所傳輸信號(hào)的諧波調(diào)制，采用了激光器注入電流的余弦調(diào)制，

ΔIcosωt→(I0+ΔIcosωt)(1-δ)

(4)

(5)

式中Hn——n個(gè)諧波調(diào)制系數(shù)傅里葉分量的階數(shù)，在nω的頻率下，可以通過鎖定放大器檢測(cè)到。

則，傳輸強(qiáng)度：

(6)

由此可以建立氣體濃度與諧波信號(hào)之間的關(guān)系。對(duì)于高階諧波分量的振幅，二次諧波信號(hào)(2f)易于檢測(cè)和計(jì)算[24-25]。信號(hào)處理情況如圖1所示。

當(dāng)光道中沒有吸收待測(cè)氣體時(shí)，光電探測(cè)器(PD)輸出與可調(diào)激光光源的調(diào)制強(qiáng)度成正比，如圖1(a)和(b)所示。一旦存在目標(biāo)待測(cè)氣體，在PD檢測(cè)周期中會(huì)出現(xiàn)吸收區(qū)域，而吸收信號(hào)很容易通過鎖定放大器獲得，如圖1(c)和(d)所示。由于激光器的輸出強(qiáng)度隨注入調(diào)制電流的變化而變化，圖1(e)中的2f諧波信號(hào)實(shí)際上在中心位置附近是不對(duì)稱的。

圖1 TDLAS信號(hào)處理圖

1.2 多組分氣體系統(tǒng)的建立

一個(gè)典型的可調(diào)二極管激光吸收光譜檢測(cè)硬件系統(tǒng)主要由光源及其驅(qū)動(dòng)單元、氣體單元(吸收光路)、光電探測(cè)器、控制裝置和DAQ設(shè)備組成，如圖2所示?？烧{(diào)二極管激光吸收光譜系統(tǒng)在檢測(cè)工業(yè)氣體等應(yīng)用中已相對(duì)成熟。但考慮到多組分氣體的測(cè)量、交叉干擾、高靈敏度要求和實(shí)際應(yīng)用的振動(dòng)干擾，不能直接應(yīng)用于電力變壓器的在線溶解氣體檢測(cè)。

圖2 典型TDLAS系統(tǒng)中的主要硬件

為了分析烴類多組分氣體檢測(cè)系統(tǒng)的影響因素，分別考慮了單組分檢測(cè)和多組分切換部分。對(duì)于單個(gè)氣體檢測(cè)，該檢測(cè)與氣體吸收強(qiáng)度、交叉靈敏度和噪聲水平密切相關(guān)。其中，吸收強(qiáng)度由吸收系數(shù)和光路決定，最終取決于激光源和氣體電池。烴類氣體檢測(cè)系統(tǒng)的影響因素如圖3所示。

圖3 烴類氣體檢測(cè)系統(tǒng)的影響因素

為了實(shí)現(xiàn)多重氣體的檢測(cè)和提高測(cè)量效果，需要解決3個(gè)問題。

(1) 激光源。為了提高單組分氣體檢測(cè)的選擇性，避免碳?xì)浠项悮怏w的交叉干擾，應(yīng)選擇高性能、窄線寬的激光光源。

(2) 氣室。為了提高激光束的有效吸收，長(zhǎng)光程氣室的設(shè)計(jì)和集成至關(guān)重要。同時(shí)，與光學(xué)平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試不同，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮振動(dòng)問題。

(3) 切換拓?fù)洹Ｓ捎诙喾N碳?xì)錃怏w采用多種激光器，因此應(yīng)獨(dú)立控制各激光源的輸出和溫度，以避免相互干擾。使用光開關(guān)或耦合器是一種通過分時(shí)策略將多個(gè)光纖通道合并為一個(gè)光纖通道的方法。

2 TDLAS系統(tǒng)的試驗(yàn)裝置

2.1 光學(xué)激光器

在可調(diào)二極管激光吸收光譜檢測(cè)系統(tǒng)中，激光不僅是一個(gè)光源，而且是光譜細(xì)分的保證。這要求激光器的光譜寬度遠(yuǎn)小于吸收峰的寬度，如圖4所示。

圖4 吸收線選擇示意圖

可采用快速調(diào)諧(高于1 kHz)來獲得整個(gè)吸收峰的信息。關(guān)于光源的選擇，本研究還考慮了以下問題。

(1) 傳輸帶?；練怏w吸收條帶一般位于中紅外區(qū)域。使用中紅外激光器具有較高的檢測(cè)靈敏度。然而，不同的氣體有不同的吸收峰，使系統(tǒng)復(fù)雜、昂貴，難以集成。近紅外激光器可以在室溫下工作，可以覆蓋各種吸收波段，但氣體吸收強(qiáng)度較弱。長(zhǎng)路徑吸收單元和波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)可用于提高檢測(cè)靈敏度。因此，首選近紅外區(qū)域(由ASTMNIR工作組定義為780～2 526 nm)。近紅外光纖傳輸損耗相對(duì)較低，特別是光電信頻帶(O帶：1 260～1 360 nm；E帶：1 360～1 460 nm；S帶：1 460～1 530 nm；C帶：1 530～1 565 nm；L帶：1 565～1 625 nm；U帶：1 625～1 675 nm)，如圖5所示。本研究重點(diǎn)關(guān)注了電信頻帶中的吸收線。

圖5 4種烴類氣體的吸收波長(zhǎng)分布

(2) 中心波長(zhǎng)。在吸收線的選擇中，主要考慮2個(gè)因素：一個(gè)是吸收線的強(qiáng)度；另一個(gè)是避免變壓器油中溶解的氣體線之間的相互干擾。例如，E波段代表水峰區(qū)域，將不會(huì)選擇這個(gè)波段的波長(zhǎng)。因此，選擇了以下中心波長(zhǎng)：甲烷1 653.72 nm，乙炔1 530.37 nm，乙烯1 620.04 nm，乙烷1 679.06 nm。

(3) 線性寬度。激光器的線寬是表示光譜寬度(通常是半最大值的全寬FWHM)的參數(shù)。首選線寬極窄、單色度高的激光器。

(4) 光學(xué)輸出。低光輸出不利于吸收，使用了微波電平激光器。

(5) 激光器類型。選擇分布式反饋激光器，其具有更好的動(dòng)態(tài)單穩(wěn)定性、低噪聲操作、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 多通氣室

在微量氣體檢測(cè)中，可調(diào)二極管激光吸收光譜檢測(cè)系統(tǒng)的光道設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的性能有很大的影響。Beer-Lamert定律表明，對(duì)于某一氣體，氣體吸收與氣體濃度引起的信號(hào)衰減呈正相關(guān)。通過增加光路，可以有效地提高衰減信號(hào)的強(qiáng)度。因此，需要具有高靈敏度的長(zhǎng)光路氣室。

傳統(tǒng)的多反射長(zhǎng)氣程氣室主要包括Herriott氣室和White氣室。與White氣室相比，Herriott氣室只有兩個(gè)球面鏡，光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單。長(zhǎng)光路氣室的設(shè)計(jì)可以在短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)，并且其光路易于調(diào)整。它的孔徑角小于White氣室。本文將Herriott氣室作為首選。當(dāng)氣室內(nèi)的環(huán)境溫度和氣體壓力變化時(shí)，待測(cè)氣體的光譜寬度和振幅會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致測(cè)量氣體濃度出現(xiàn)偏差。此外，氣室的振動(dòng)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中是不可避免的。因此，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)專門的Herriott電池，將溫度、壓力和振動(dòng)等因素考慮其中。

為了控制環(huán)境參數(shù)，氣室使用壓力和溫度傳感器。真空脫氣是油氣分離的一種有效技術(shù)，預(yù)計(jì)氣室內(nèi)的壓力將低于正常大氣。將霍尼韋爾19真空儀表系列傳感器安裝在氣體電池上，與316不銹鋼兼容。特殊的真空表系列傳感器是專門為真空暴露的應(yīng)用設(shè)計(jì)的。此外，溫度傳感器和加熱帶用以保持溫度的穩(wěn)定。

為了減少振動(dòng)的影響，必須保持光學(xué)器件的相對(duì)固定。通過機(jī)械連接將PD、準(zhǔn)直器和氣室作為一個(gè)整體，從氣室到真空泵使用柔性管道來避免振動(dòng)。

本研究開發(fā)了一個(gè)定制的Herriott氣室。在0.34 m機(jī)械長(zhǎng)度內(nèi)實(shí)現(xiàn)10.13 m的光程，如圖6所示。

圖6 特殊的長(zhǎng)路徑Herriott氣室的結(jié)構(gòu)視圖

氣室的詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 專用Herriott氣室的技術(shù)參數(shù)

2.3 多組分氣體檢測(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

碳?xì)錃怏w的中心波長(zhǎng)不同，需4個(gè)單獨(dú)控制的激光器。使用4個(gè)熱電控制器模塊和FPGA板來獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和控制。熱電控制器模塊是為了保持激光的溫度穩(wěn)定性，F(xiàn)PGA是為了精確控制激光的輸出并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。由于4個(gè)激光器的波長(zhǎng)彼此接近，因此單個(gè)氣室的波長(zhǎng)更有利。這意味著有4個(gè)入射光和一個(gè)輸出光，因此必須通過光耦合器或光纖開關(guān)將激光通道依次切換到Herriott氣室。

在相同的條件下，比較了兩個(gè)光學(xué)元件的效果，如圖7所示。選擇光纖開關(guān)，因光纖開關(guān)具有更好的信噪比性能。

圖7 光耦合器與光開關(guān)的比較

基于可調(diào)二極管激光吸收光譜的烴類氣體檢測(cè)系統(tǒng)的配置如圖8所示。整個(gè)系統(tǒng)由光源控制單元、激光發(fā)射和接收單元、氣體電池和氣體路徑、數(shù)據(jù)采集單元4個(gè)部分組成。所述光源控制單元包括4個(gè)FPGA模塊、4個(gè)熱電控制器模塊、4個(gè)分布式反饋激光器和一個(gè)光學(xué)開關(guān)。

圖8 變壓器油中烴類氣體的TDLAS系統(tǒng)配置

光源控制單元實(shí)現(xiàn)光源的調(diào)制輸出。光發(fā)射/接收單元包括光纖準(zhǔn)直器和光電探測(cè)器，完成光源的準(zhǔn)直輸出和光強(qiáng)度檢測(cè)。氣室和氣體路徑單元包含專用的Herriott單元、進(jìn)氣管、出口管、壓力/溫度傳感器、輔助溫度控制模塊等。數(shù)據(jù)采集單元主要包括鎖定放大器、前置放大器、數(shù)據(jù)采集裝置NI-USB-6341和計(jì)算機(jī)，完成諧波信號(hào)的采集、記錄和氣體濃度反轉(zhuǎn)。為了提高系統(tǒng)的集成和穩(wěn)定性，調(diào)制信號(hào)發(fā)生器、控制器、前置放大器和鎖式放大器都集成在單個(gè)FPGA集成板上。

基準(zhǔn)正弦波(1f調(diào)制)頻率設(shè)置為31.4 kHz，以避免低頻噪聲。因此，基于FPGA的2f解調(diào)的頻率為62.8 kHz。

3 結(jié)果和分析

3.1 試驗(yàn)裝置測(cè)試

用所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置對(duì)甲烷、乙炔、乙烯和乙烷光譜吸收的測(cè)量，以確定其檢測(cè)靈敏度。選擇化學(xué)性能穩(wěn)定、無光譜吸收的氮?dú)?N2)作為平衡氣體。利用質(zhì)量流量控制器獲得不同濃度的碳?xì)浠衔餁怏w，如50，100，200 μL/L和500 μL/L。將混合氣體分別通入專用的Herriott氣室中。

通常，吸收光譜的2f信號(hào)(以甲烷為例)如圖9所示。

圖9 甲烷的典型吸收光譜

由圖9可見，出現(xiàn)殘余振幅調(diào)制現(xiàn)象，峰峰電壓值反映了吸收強(qiáng)度。

不同濃度的甲烷、乙炔、乙烯、乙烷的峰峰電壓值及其之間的線性關(guān)系如圖10至圖13所示。峰峰電壓值是傳感裝置檢測(cè)到的二次諧波電壓的峰值，各氣體濃度單位為μL/L。擬合曲線表明，該傳感器具有良好的線性度和靈敏度。以甲烷測(cè)量為例，甲烷濃度增加100 μL/L，電壓增加0.086 V。

圖10 不同濃度下甲烷的2f信號(hào)

圖11 不同濃度下乙炔的2f信號(hào)

圖12 不同濃度下乙烯的2f信號(hào)

圖13 不同濃度下乙烷的2f信號(hào)

為了研究各種氣體的檢測(cè)性能，必須考慮噪聲水平和信噪比。對(duì)于氣體檢測(cè)，噪聲振幅控制在mV水平。因此，甲烷和乙炔的檢測(cè)靈敏度達(dá)到1.2 (μL/L)/mV分別和0.4 (μL/L)/mV。乙烯和乙烷的檢測(cè)靈敏度分別為2.0 (μL/L)/mV和2.86 (μL/L)/mV。

高線性度和高靈敏度證明了所提出的基于可調(diào)二極管激光吸收光譜的多組分氣體檢測(cè)系統(tǒng)的有效性。特別在檢測(cè)乙炔(高強(qiáng)度放電指示氣體)靈敏度最高，有助于發(fā)現(xiàn)電力變壓器的早期故障。

3.2 交叉干擾測(cè)試

首先，對(duì)烴類氣體的互相交叉干擾情況進(jìn)行分析。依次分別用甲烷、乙炔、乙烯、乙烷代替氮?dú)庾鳛槠胶鈿怏w通入氣室中，與用氮?dú)庾鳛槠胶鈿怏w時(shí)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖14所示。

圖14 烴類氣體互相干擾情況

從圖14(a)可以看出，乙炔(C2H2)對(duì)甲烷(CH4)具有明顯的干擾，對(duì)乙烷(C2H6)的干擾較小，對(duì)乙烯(C2H4)幾乎沒有干擾。從圖14(b)可以看出，乙烯對(duì)其他3種氣體的干擾都很小。從圖14(c)可以看出，乙烷對(duì)乙炔跟甲烷的干擾很小，對(duì)乙烯幾乎沒干擾。從圖14(d)可以看出，甲烷對(duì)其他3種氣體的干擾幾乎沒有。

其次，考慮到變壓器實(shí)際運(yùn)行時(shí)CO2的含量通常在500～10 000 μL/L，向氣室通入3 000 μL/L的高濃度CO2氣體，分別測(cè)量4種烴類氣體受到其干擾的情況。試驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。由圖15可以看出，CO2對(duì)4種烴類氣體的干擾都較小。

圖15 CO2對(duì)烴類氣體的干擾情況

最后，為了研究水氣對(duì)烴類氣體的干擾情況，通入10 000 μL/L的飽和鹽溶液與高純度氮?dú)饣旌蠚怏w，得到的測(cè)量結(jié)果如圖16所示。由圖16可以發(fā)現(xiàn)，水氣對(duì)甲烷的干擾尤其明顯，對(duì)其他3種氣體的影響較小，可以忽略。

圖16 測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)語

(1)本文研究了一種基于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜原理的光學(xué)技術(shù)，該技術(shù)可對(duì)電力變壓器油中的多組分故障氣體進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

(2)區(qū)別于單組分測(cè)量，本文研究了光源、長(zhǎng)路徑氣體氣室以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3個(gè)核心技術(shù)問題，分析確定了碳?xì)錃怏w的特定中心波長(zhǎng)：甲烷(1 653.72 nm)、乙炔(1 530.37 nm)、乙烯(1 620.04 nm)和乙烷(1 679.06 nm)。

(3)本文設(shè)計(jì)了一種光學(xué)集成0.34 m的氣室，可以減少實(shí)際應(yīng)用的振動(dòng)效應(yīng)。此外，在光開關(guān)的作用下實(shí)現(xiàn)了多種氣體的分時(shí)向性。由試驗(yàn)結(jié)果表明，甲烷、乙烯和乙烷的檢測(cè)靈敏度分別為1.2，2.0 (μL/L)/mV和2.86 (μL/L)/mV。特別是臨界故障氣體乙炔的靈敏度高達(dá)0.4 (μL/L)/mV。在此基礎(chǔ)上研究了多組分氣體交叉干擾特性，可為光譜多組分氣體檢測(cè)的修正給出了參考。