劉麗榮

中國(guó)南方電網(wǎng)東莞供電局，廣東 東莞 523000

0 引言

就目前而言，中國(guó)的電力行業(yè)發(fā)展最為快速，電能在我國(guó)的廣泛應(yīng)用不僅能夠推動(dòng)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還能夠促進(jìn)我國(guó)工業(yè)的良好發(fā)展。因此需要重視光聲光譜技術(shù)在變壓器油中氣體監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[1]。

1 光聲光譜技術(shù)的氣體監(jiān)測(cè)理論

1.1 氣體的紅外吸收特性

紅外輻射是電磁輻射的一種，其頻率低于可見光，波長(zhǎng)范圍約為0.78～1 000 μm，氣體的分子不同，其物理化學(xué)性質(zhì)也有所不同。例如，原子間鍵角、化學(xué)鍵強(qiáng)度、分子內(nèi)原子數(shù)目等，這些決定了氣體對(duì)紅外輻射吸收性質(zhì)。紅外光譜根據(jù)紅外輻射波長(zhǎng)能夠分為三個(gè)區(qū)域，即轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)的遠(yuǎn)紅外、基頻區(qū)的中紅外、泛音區(qū)的近紅外，三個(gè)區(qū)域的光能力與分子作用形式如表1 所示。氣體分子可以分為非對(duì)稱雙原子分子與多原子分子，比如CO2、C2H4、CH4等都在紅外波長(zhǎng)區(qū)有吸收，而N2、O2、H2等對(duì)稱雙原子分子則對(duì)紅外輻射無吸收[2]。

表1 各區(qū)域中光能量與分子的作用形式

在不同波長(zhǎng)處，氣體分子有著不同的吸收強(qiáng)度，所以光聲光譜技術(shù)的不同譜線處有著不同的吸收強(qiáng)度，其縱坐標(biāo)為透射率、吸光度，橫坐標(biāo)為波數(shù)、波長(zhǎng)，記錄坐標(biāo)能夠獲得氣體紅外光譜[3]。紅外光譜區(qū)能夠根據(jù)縱坐標(biāo)的不同分為透射率光譜（T,Transmittance）與吸光度光譜（A,Absorbance）。C2H4的吸光度光譜如圖1 所示。在圖中能夠看出C2H4氣體的吸收峰值在紅外光譜中較多。相關(guān)研究表明，吸收譜帶與吸收峰值的不同，與之相應(yīng)的氣體分子有著不同的能級(jí)躍遷。振轉(zhuǎn)能級(jí)躍遷是吸收譜帶與吸收峰值在紅外波段的主要表現(xiàn)。一般情況下，紅外光譜能夠有效區(qū)分氣體其他物質(zhì)的吸收譜線，通常被稱之為特征吸收譜線。紅外光譜儀一般是利用氣體特征吸收光譜所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)或者波數(shù)信息對(duì)氣體進(jìn)行分析與定性[4]。

圖1 C2H4 的吸光度光譜

1.2 氣體光聲監(jiān)測(cè)原理

光聲光譜技術(shù)屬于間接量熱技術(shù)的一種，主要是通過對(duì)聲信號(hào)振幅進(jìn)行測(cè)量，對(duì)氣體濃度進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算。一般情況下，監(jiān)測(cè)極限較低[5]。光聲光譜產(chǎn)生效應(yīng)主要是依賴氣體吸收紅外輻射，而氣體在吸收紅外輻射時(shí)存在選擇性，因此光聲光譜技術(shù)需要合適光源，也就是在波長(zhǎng)處的氣體存在一定強(qiáng)度吸收，光聲光譜效應(yīng)原理如圖2 所示。圖中產(chǎn)生、監(jiān)測(cè)光聲光譜效應(yīng)主要可以分為如下幾個(gè)步驟。（1）選擇合適光源，即能夠覆蓋氣體吸收的光譜，然后周期性地調(diào)制光源輻射波長(zhǎng)或者強(qiáng)度。（2）目標(biāo)分子吸收紅外輻射，部分基態(tài)分子躍遷至激發(fā)態(tài)[6]。（3）激發(fā)態(tài)分子轉(zhuǎn)化為分子的平動(dòng)動(dòng)能，主要是以非輻射弛豫形式來轉(zhuǎn)化、吸收光能。在這一過程中，氣體分子有溫度升高表的現(xiàn)。氣體體積恒定下，氣體分子的溫度升高會(huì)導(dǎo)致氣體壓強(qiáng)增加。因?yàn)橹芷谛缘卣{(diào)制光源，氣體溫度在密閉空間下會(huì)隨著光源的調(diào)制出現(xiàn)周期性變化，所以氣體壓強(qiáng)與光源調(diào)制頻率呈現(xiàn)相同的變化周期，期間出現(xiàn)的壓強(qiáng)變化便為聲波。（4）利用微音器來監(jiān)測(cè)所產(chǎn)生的光波，之后將微音器所產(chǎn)生的電信號(hào)接入外部電路，然后對(duì)聲信號(hào)振幅信息進(jìn)行提取[7]。

圖2 光聲光譜效應(yīng)產(chǎn)生的原理圖

2 變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

2.1.1 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)范圍

變壓器油中一共有7 種溶解的特征氣體，而且每種氣體有著不同的吸收光譜，所以在對(duì)多種氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，氣體之間會(huì)相互干擾。因此在處理監(jiān)測(cè)信號(hào)時(shí)，應(yīng)當(dāng)用抗交叉干擾的智能算法對(duì)變壓器油中溶解氣體進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)[8]。不過這樣會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)更加復(fù)雜，因此需要盡可能地選擇互不干擾的波長(zhǎng)來監(jiān)測(cè)待測(cè)氣體，通常情況下需要對(duì)HITRAN2008 數(shù)據(jù)庫(kù)中的吸收光譜進(jìn)行查詢，然后對(duì)比各類氣體的不同吸收特性，之后選擇與波長(zhǎng)適合的光源。在正常情況下，變壓器油中的溶解氣體濃度低于10-5，但變壓器在長(zhǎng)期運(yùn)行后，溶解氣體濃度可能會(huì)增加。因此設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要具備比較大的監(jiān)測(cè)范圍，只有這樣才能夠最大程度地滿足應(yīng)用要求。

2.1.2 油氣分離模塊

光聲光譜技術(shù)與其他所有變壓器油氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)一樣，溶解在絕緣油中的氣體需要在液態(tài)油中進(jìn)行分離，然后進(jìn)行監(jiān)測(cè)。一般情況下，在液態(tài)油中分離出來的氣體約為幾十毫升，因此需要有效控制整個(gè)油氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的耗氣量。對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，氣室體積不宜過大。為了確保光聲光譜技術(shù)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、長(zhǎng)期地工作，微音器以及光源都需要具備長(zhǎng)期穩(wěn)定性，如果缺乏足夠的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，則需要時(shí)常對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，這就導(dǎo)致監(jiān)測(cè)過程變得更加復(fù)雜。搭建光聲光譜技術(shù)系統(tǒng)后，還需要對(duì)電磁噪聲、聲噪聲等環(huán)境噪聲進(jìn)行一定程度地隔離與屏蔽，從而保證光聲光譜技術(shù)系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地工作[9]。變壓器油中溶解氣體的油、氣需要通過油氣分離模塊來實(shí)現(xiàn)，然后將光聲光譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)導(dǎo)入其中，以此監(jiān)測(cè)氣體濃度。目前應(yīng)用在變壓器油中溶解氣分離的模塊主要有如下幾種：（1）真空法為基礎(chǔ)的油氣分離模塊。該裝置使油進(jìn)入分離室，液態(tài)油在反復(fù)真空狀態(tài)下能夠破壞油氣平衡，從而揮發(fā)大量氣體。液態(tài)油在反復(fù)抽取后，能夠?qū)⒔^大部分氣體抽取出，但所監(jiān)測(cè)出來的特征氣體種類比較少，大約為4 種。而且該油氣分離模塊在長(zhǎng)時(shí)間使用后，真空泵的效率會(huì)逐漸降低，會(huì)導(dǎo)致油氣分離不徹底，所以很難對(duì)后續(xù)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量[10]。（2）高分子膜的油氣分離模塊。該裝置以亨利定律為基礎(chǔ)，只需要使用高分子聚合物膜。變壓器油中溶解氣體會(huì)通過高分子膜實(shí)施分離，直至油氣平衡。不過該裝置氣體分離的時(shí)間較長(zhǎng)，一般需要超過10 h，進(jìn)而會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)。而且該裝置需要定期更換高分子聚合物膜。（3）油中吹氣法的油氣分離模塊。通過吹氣方法來替換油中的氣體。

2.2 氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建

CO2激光器在工作過程中能夠產(chǎn)生多條發(fā)射譜線，根據(jù)分子躍遷特性分為R 支、P 支。其中R 支譜線主要在9.6 μm 附近集中，P 支譜線主要在10.6 μm 波長(zhǎng)附近。文章選擇Firestar OEM v30 型號(hào)的CO2激光器，其參數(shù)如表2 所示。由于CO2激光器光束有著非常小的發(fā)散角與直徑，所以在對(duì)光聲光譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不需要聚焦光束，而且光功能的穩(wěn)定性與大小均與該系統(tǒng)相契合。

表2 CO2 激光器光束主要參數(shù)

2.3 光聲池幾何形態(tài)及工作模式選擇

光聲池在光聲光譜效應(yīng)的氣體監(jiān)測(cè)中有著極為重要的作用，聲場(chǎng)在光聲池中產(chǎn)生與放大，其設(shè)計(jì)參數(shù)、幾何形態(tài)與整個(gè)系統(tǒng)的靈敏性、穩(wěn)定性以及最低監(jiān)測(cè)極限等有著密切聯(lián)系。光聲池工作模式可以分為兩種，即非共振工作模式與共振工作模式。文章考慮簡(jiǎn)正模式特性、品質(zhì)因素、信噪比、共振腔幾何形態(tài)與體積等因素，光聲池中的共振腔設(shè)計(jì)為圓柱形，工作在第一縱向共振模式。

2.4 系統(tǒng)其他組件

2.4.1 調(diào)制器

文章使用械斬波方式來調(diào)制光，同時(shí)選擇HB-404型頻率可控雙參考斬光器，其外觀如圖3 所示。該斬光器由機(jī)械外殼包裹，預(yù)防撞擊損壞。斬光盤可以分為外孔與內(nèi)孔，頻率可以調(diào)制的范圍為10～2 000 Hz。斬光器能夠自主生成參考信號(hào)，而且與調(diào)制光頻率一致，能夠?yàn)楹罄m(xù)處理提供相關(guān)信號(hào)。

圖3 HB-404 型頻率可控雙參考斬光器

2.4.2 鎖相放大器

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室經(jīng)驗(yàn)與市場(chǎng)調(diào)研分析，選擇DSP 7280鎖相放大器，滿刻度靈敏度為10 nV～1 V，時(shí)間常數(shù)為5 ms～100 ks，工作頻率為0.5 Hz～250 kHz，噪聲電壓大于100 dB，輸入阻抗為-90 dB，時(shí)間常數(shù)為≦0.01°，輸入阻抗為100 MΩ//25 pF。

2.4.3 微音器

選擇Knowles 公司生產(chǎn)的EK-23024-000，有著噪聲低、體積小、靈敏度高等特點(diǎn)，而且在600～1 200 Hz范圍內(nèi)，頻率響應(yīng)曲線非常平坦。文章設(shè)計(jì)的光聲池共振頻率（833 Hz）處?kù)`敏度約為22 mV/Pa。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)選擇N2作為載氣，在氣室中充入一定體積分?jǐn)?shù)的N2，將斬波器調(diào)節(jié)到調(diào)制頻率，然后將斬波器頻率作為鎖相放大儀的參考信號(hào)。先測(cè)量該系統(tǒng)的本底信號(hào)，在不開斬波器以及光源情況下，本底噪聲為5 μV；開斬波器但不開光源情況下，本底噪聲為14 μV；同時(shí)開啟斬波器與光源情況下，本底噪聲明顯增大，為67 μV。之后在氣室內(nèi)通入一定體積分?jǐn)?shù)的CO、CO2，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)線性擬合測(cè)量結(jié)果，得到CO 的體積分?jǐn)?shù)與輸出光聲信號(hào)線性相關(guān)性系數(shù)為0.998 57，CO2的相關(guān)性系數(shù)為0.999 95。以信噪比1 ∶1對(duì)系統(tǒng)極限靈敏度進(jìn)行計(jì)算，得到該系統(tǒng)對(duì)于CO 體積分?jǐn)?shù)測(cè)量極限靈敏度為3×10-6，CO2的體積分?jǐn)?shù)測(cè)量極限靈敏度為10×10-6，均滿足《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》中要求，即最小體積分?jǐn)?shù)要求為25×10-6。

4 結(jié)束語

穩(wěn)定現(xiàn)代電網(wǎng)運(yùn)行的主要因素有三個(gè)方面，即優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)以及安全，其中安全是基礎(chǔ)。智能電網(wǎng)輸電的關(guān)鍵設(shè)備為變壓器，如果該設(shè)備出現(xiàn)故障，則容易產(chǎn)生比較大的損失。我國(guó)多數(shù)變壓器為油浸式變壓器，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，油浸式變壓器會(huì)出現(xiàn)老化，或者內(nèi)部組織會(huì)出現(xiàn)故障，進(jìn)而產(chǎn)生有害氣體，所以采取有效方法在線監(jiān)測(cè)變壓器油中溶解氣體就顯得尤為重要，能夠極大地保障運(yùn)作安全。文章基于光聲光譜技術(shù)設(shè)計(jì)的變壓器油中氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足，具有一定的推廣價(jià)值。