基于恒功率調(diào)諧式激光吸收光譜的變壓器運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

陳黎軍，許晨進(jìn)，王 維

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司無錫供電分公司，江蘇無錫214000；2.南京師范大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇南京210046）

0 引言

變壓器作為支撐智能電網(wǎng)輸變電環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備，一旦發(fā)生故障將會(huì)對(duì)發(fā)電廠乃至電力公司及用戶造成巨大損失，變壓器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)手段主要采用通過信號(hào)調(diào)理電路提取特征電能參數(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)變壓器故障診斷功能［1-2］，但上述測(cè)量方式需加裝在變壓器內(nèi)部，且靈敏度低，操作過程煩瑣，不利于變壓器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此，具備非接觸式測(cè)量特性且響應(yīng)速度快的監(jiān)測(cè)方式亟待解決。

光譜測(cè)量靈敏度和時(shí)空分辨率高，非接觸式測(cè)量技術(shù)使變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)不再受變壓器體積，高溫等制約，其中激光光譜技術(shù)作為光譜測(cè)量技術(shù)的迭代革新技術(shù)，具有良好的單色性、時(shí)空相干性、方向性。

由于油浸式變壓器的工作機(jī)制，變壓器運(yùn)行缺陷時(shí)將會(huì)產(chǎn)生碳?xì)浠衔锘蛱佳趸衔铮鏑O，CO2，H2，C2H4，C2H2，C2H6等故障氣體，并且不同故障類型下產(chǎn)生的氣體濃度比例各異，因此在對(duì)變壓器運(yùn)維過程中可以根據(jù)氣體濃度指標(biāo)進(jìn)行故障定位或溯源。其中變壓器運(yùn)行過程中故障類型與形成的氣體的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示，這也為激光光譜診斷技術(shù)在變壓器在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究提供了依據(jù)［3-5］。

激光光譜主要包含激光吸收光譜、激光熒光光譜和激光拉曼光譜等，其中激光拉曼光譜直接用于變壓器微量氣體檢測(cè)時(shí)，由于待測(cè)容器存在拉曼散射光從而導(dǎo)致氣體檢測(cè)準(zhǔn)確性不足。激光熒光光譜診斷技術(shù)主要針對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和區(qū)域氣體濃度的相對(duì)變化，難以獲取特定區(qū)域氣體濃度。激光吸收光譜測(cè)量技術(shù)測(cè)量精確度與穩(wěn)定性高，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，其中激光光聲光譜氣體檢測(cè)技術(shù)是間接式激光吸收光譜檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)重要分支，但是該檢測(cè)技術(shù)中光聲信號(hào)對(duì)溫度和壓力等因素比較敏感且光聲轉(zhuǎn)換過程煩瑣精確度不高，聲波重疊信號(hào)之間存在干擾問題［6-7］。

表1 不同故障類型產(chǎn)生的氣體

本文提出一種可調(diào)諧式激光吸收光譜變壓器故障診斷技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量精確度高，重組能力強(qiáng)，能夠基于新型分布式反饋半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)激光光源波長(zhǎng)可調(diào)諧，且輸出功率穩(wěn)定。通過集成數(shù)據(jù)傳輸模塊，滿足發(fā)電廠監(jiān)控終端對(duì)變壓器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求，掌握變壓器實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，為發(fā)電廠輸變電設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

1 可調(diào)諧式激光吸收光譜氣體組分檢測(cè)模型

1.1 激光吸收光譜氣體組分檢測(cè)

基于比爾-朗伯定律的激光吸收光譜技術(shù)廣泛適用于變壓器故障狀態(tài)溶解氣體組分檢測(cè)，檢測(cè)過程如下，激光器發(fā)射特定波長(zhǎng)且強(qiáng)度為I（f）的激光束線穿過待測(cè)氣體的容器，該容器光學(xué)程長(zhǎng)為L(zhǎng)，激光被待測(cè)氣體吸收，X為氣體吸收分子的組分濃度，出射光強(qiáng)度發(fā)生衰減成I1（f），其衰減情況可表示為：

對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)得：

式中，f為激光頻率，α（f）為譜線的線強(qiáng)度，φf為線性函數(shù)，P為大氣壓強(qiáng)。由此可見，氣體組分濃度越大，吸收的激光能量越多，激光衰減度越高，且可以通過測(cè)量出射光與入射光的非線性關(guān)系得到氣體濃度。其中α（f）表現(xiàn)為不同類型的氣體對(duì)激光強(qiáng)度的剝削程度，其大小取決于被測(cè)氣體種類與試驗(yàn)溫度，結(jié)合光譜數(shù)據(jù)庫可得到該數(shù)值。

傳統(tǒng)直接吸收光譜技術(shù)操作簡(jiǎn)單，可以直接測(cè)量氣體組分濃度和壓強(qiáng)絕對(duì)值，但是采用該技術(shù)測(cè)量變壓器中溶解的痕量氣體時(shí)，微量氣體識(shí)別度與靈敏度不高，為了提高變壓器運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)水平，增加激光吸收光譜技術(shù)靈敏度與準(zhǔn)確度，本文在傳統(tǒng)直接激光光譜吸收技術(shù)上加入激光器入射光載波調(diào)制技術(shù)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 激光吸收光譜檢測(cè)系統(tǒng)示意

由圖1可知，變壓器異常運(yùn)行時(shí)溶解氣體激光吸收光譜檢測(cè)系統(tǒng)主要由激光器與探測(cè)器形成信號(hào)收發(fā)單元，探測(cè)器接收由激光器發(fā)出的定頻率且方向恒定的衰減入射光。計(jì)算機(jī)與鎖相放大器形成信號(hào)處理單元，鎖相放大器通過探測(cè)器輸入的電信號(hào)將解調(diào)信號(hào)反饋給計(jì)算機(jī)識(shí)別處理。長(zhǎng)光程吸收池作為激光光譜吸收單元通過光線在待測(cè)氣體中連續(xù)反射可明顯提高試驗(yàn)精度，大鏡面M與小鏡面N1、N2曲率半徑相同，入射光在鏡面間多次反射提高光程，有效增加測(cè)量靈敏度。為了精確測(cè)量氣體類型及組分，可從激光激勵(lì)源切入，波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器在下文進(jìn)行分析。

1.2 波長(zhǎng)可調(diào)諧分布式反饋半導(dǎo)體激光器

根據(jù)上述分析，測(cè)量某一氣體時(shí)，激光器所發(fā)出的入射光頻率需滿足待測(cè)氣體的譜線要求，由于傳統(tǒng)激光器只能發(fā)出定頻率的入射光，變壓器故障時(shí)典型氣體的譜線不同，實(shí)際測(cè)量時(shí)需要更換不同的激光器實(shí)現(xiàn)不同氣體濃度的測(cè)量，這給應(yīng)用在變壓器運(yùn)行缺陷中的激光光譜吸收技術(shù)的實(shí)際操作帶來巨大不便，考慮變壓器運(yùn)行缺陷時(shí)典型溶解氣體譜線信息，本文提出一種新型波長(zhǎng)可調(diào)諧式分布式反饋半導(dǎo)體（Distributed Feedback Laser，DFB）激光器，通過調(diào)整激光器入射光的相關(guān)氣體對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)待測(cè)氣體組分高精度測(cè)量，其中變壓器運(yùn)行缺陷時(shí)所涉及的典型溶解氣體對(duì)應(yīng)的DFB中心波長(zhǎng)如表2所示。

DFB激光器基于高精度電流與溫度可實(shí)現(xiàn)寬帶波長(zhǎng)調(diào)諧，調(diào)諧方式簡(jiǎn)易可控。DFB激光器內(nèi)部存在光柵層與有源層，光柵層實(shí)現(xiàn)更寬的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍，有源層即半導(dǎo)體增益介質(zhì)，當(dāng)波長(zhǎng)滿足布拉格反射定律時(shí)可在DFB激光器中發(fā)生反射，可表示為：

式（3）中：m為整數(shù)，λBragg是布拉格波長(zhǎng)，neff是有源區(qū)有效折射率實(shí)部，Λ為光柵周期，上式轉(zhuǎn)化為：

式（4）中：Δn為有效折射率變化量，Δλ為相應(yīng)波長(zhǎng)變化量。輸入電流的變化導(dǎo)致有源區(qū)內(nèi)載流子濃度變化，從而影響Δn，波長(zhǎng)也隨之改變，Δn也與激光器工作溫度相關(guān)，因此根據(jù)式（4）可以說明通過電流或溫度均可調(diào)節(jié)DFB激光器有效折射率，繼而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧。

值得注意的是，DFB激光器進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)諧時(shí)輸出功率也會(huì)發(fā)生改變［8］，其變化量可能會(huì)超過待測(cè)氣體對(duì)光強(qiáng)的吸收，引起氣體組分及濃度的測(cè)量誤差，定義閾值電流為DFB激光器激發(fā)輸出光功率從零值開始變化的最低電流，當(dāng)溫度增加時(shí)導(dǎo)致載流子擴(kuò)散能量增加，系統(tǒng)增益降低，為了達(dá)到閾值電流需擴(kuò)大輸入載流子，具體特征表現(xiàn)為溫度增加引起閾值電流增大，該閾值電流Ith與溫度存在如下關(guān)系：

表2 變壓器運(yùn)行缺陷時(shí)典型溶解氣體中的DFB中心波長(zhǎng)值

式（5）中：I0為已知溫度T0下閾值電流，T為Ith對(duì)應(yīng)的溫度變量。室溫環(huán)境下DFB激光器輸出光功率隨溫度與電流的變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 電流和溫度的變化曲線

由圖2（a）可知，當(dāng)電流值大于閾值電流20 mA時(shí)，激光器輸出光功率隨電流幾乎呈線性正相關(guān)，由圖2（b）可知，隨著溫度的增加，輸出光功率呈單調(diào)遞減趨勢(shì)，最大和最小輸出功率分別為8.5和6.1 mW。根據(jù)輸出光功率隨電流或溫度單調(diào)特性，通過波長(zhǎng)關(guān)鍵調(diào)諧因子對(duì)輸出光功率穩(wěn)定控制方法分析，調(diào)節(jié)恒定輸出功率下電流或溫度參量，提出一種基于波長(zhǎng)可調(diào)諧技術(shù)DFB激光器的功率穩(wěn)定控制策略，進(jìn)一步提高系統(tǒng)測(cè)量精度。具體控制策略如圖3所示。

圖3 波長(zhǎng)可調(diào)諧DFB激光器功率穩(wěn)定控制模塊

波長(zhǎng)可調(diào)諧DFB激光器功率穩(wěn)定控制模塊由微處理器、電源模塊、高精度溫控模塊和電流驅(qū)動(dòng)電路、功率檢測(cè)單元、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊組成。微處理器實(shí)時(shí)計(jì)算試驗(yàn)溫度下的閾值電流和輸出光功率對(duì)電流或溫度的近似定量線性關(guān)系，存儲(chǔ)變壓器運(yùn)行缺陷時(shí)典型溶解氣體中的DFB中心波長(zhǎng)值和恒定輸出功率值等信息。功率穩(wěn)定控制策略主要分為兩種方式，即溫控電路調(diào)諧結(jié)合電流驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定功率和電流驅(qū)動(dòng)調(diào)諧結(jié)合溫控電路穩(wěn)定功率。通過調(diào)節(jié)激光器溫度的D/A轉(zhuǎn)換模塊調(diào)節(jié)激光器溫度（電流）實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧，輸出功率經(jīng)功率探測(cè)單元轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入微處理器識(shí)別，繼而微處理器經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換通過微調(diào)DFB激光器驅(qū)動(dòng)電流（溫度），在實(shí)現(xiàn)寬帶調(diào)諧的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)輸出光功率穩(wěn)定控制，電源模塊為上述功率穩(wěn)定控制模塊提供多等級(jí)能量。

2 變壓器運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為了加強(qiáng)發(fā)電廠對(duì)變壓器運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控力度并提高信息可視化程度，對(duì)變壓器運(yùn)行和健康狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，基于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)油中溶解氣體組分及濃度信息，實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠監(jiān)控終端與變壓器本體運(yùn)行狀態(tài)的近場(chǎng)實(shí)時(shí)通信，保障變壓器正常運(yùn)轉(zhuǎn)。變壓器運(yùn)行狀態(tài)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 變壓器運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

變壓器的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由變壓器本體，油氣轉(zhuǎn)化單元，激光吸收光譜檢測(cè)單元與狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元組成，各單元功能具體介紹如下。

2.1 油氣轉(zhuǎn)化單元

當(dāng)變壓器運(yùn)行狀態(tài)異常時(shí)，溶解在絕緣油中的氣體成分及濃度無法直接被測(cè)量，因此采樣絕緣油經(jīng)進(jìn)油閥流入油氣采樣模塊，在油氣分離模塊中通過攪拌變壓器絕緣油降低氣體溶解度，采用溶解平衡法對(duì)油內(nèi)氣體采取油氣轉(zhuǎn)化操作［9］，將溶劑氣體轉(zhuǎn)化為氣相氣體后充入檢測(cè)容器進(jìn)行測(cè)量與分析，根據(jù)平衡原理得到油相與氣相氣體濃度的轉(zhuǎn)換公式，具體表示為［10］：

式中，Cio為氣相中氣體濃度，t為試驗(yàn)溫度，Pa為油室壓強(qiáng)，P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)，Cig為油相中氣體濃度，Ki為試驗(yàn)溫度下的奧斯特瓦爾德系數(shù)，Vg為平衡氣體體積，Vo為油樣體積。

2.2 激光吸收光譜檢測(cè)單元

激光吸收光譜單元由氣體進(jìn)出模塊與組分測(cè)量模塊組成，氣體進(jìn)出模塊控制待測(cè)氣體的進(jìn)出，在氣體組分測(cè)量模塊中，對(duì)于關(guān)鍵溶解氣體H2的譜線信息HITRAN數(shù)據(jù)庫中暫未收錄，無法調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)中心波長(zhǎng)的激光器，因此，H2通過氫氣傳感器測(cè)定，其他變壓器運(yùn)行缺陷典型溶解氣體由上述激光吸收光譜測(cè)定。

2.3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元

狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元的主要作用是控制油氣轉(zhuǎn)化單元與激光吸收光譜檢測(cè)單元，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信管理。由于油浸式變壓器的特殊地理位置，其實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息可采用近場(chǎng)通信ZigBee模塊傳遞給操作人員，實(shí)現(xiàn)與發(fā)電廠后臺(tái)數(shù)據(jù)交互，該模塊具備成本低、功耗低、延時(shí)低、安全性高、通信效率高等優(yōu)勢(shì)，并能促成各傳感器之間的相互通信，進(jìn)一步推動(dòng)智能電網(wǎng)的發(fā)展。

3 結(jié)語

恒功率調(diào)諧式激光吸收光譜作為一種變壓器運(yùn)行缺陷油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，相比于其他激光光譜技術(shù)存在諸多優(yōu)勢(shì)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，無須根據(jù)氣體波段更換相應(yīng)激光器，針對(duì)性對(duì)變壓器故障氣體在線監(jiān)測(cè)，減少運(yùn)維成本。通過對(duì)變壓器運(yùn)行缺陷時(shí)典型溶解氣體實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，增加輸變電設(shè)備工作中的預(yù)警機(jī)制，提高了變壓器運(yùn)行可靠性與安全性，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。