變壓器油中溶解氣體的光聲光譜檢測氣壓特性研究

吳俊杰 吳水鋒 萬 濤 龔尚昆 龍思文

（1.國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南長沙410000；2.南京正合盛奇電力科技有限公司，江蘇南京210005）

0 引言

在診斷油浸式變壓器早期潛在故障上，溶解氣體分析是最便捷、最有效的方法之一。其中光聲光譜法具有靈敏度高、穩定性好、實時性等優點，有利于變壓器的故障診斷和預測，也能用于分析待測氣體與變壓器故障間的聯系[1]，因而得到廣泛應用。光聲光譜法是一種基于光聲效應的量熱光譜技術，在光和聲的影響下，通過測量材料吸收光后產生的聲場強度來對氣體進行定性和定量分析，其中氣壓是最重要的干擾因素之一[2]。因此，有必要分析氣壓對光聲光譜技術的影響。本文基于氣體光聲電壓信號的激勵機制，設計了一種可調的便攜式實驗裝置，理論推導了氣壓與氣體吸收系數、光聲電壓（PAV）信號之間的函數關系，并對溶解在變壓器油中的乙炔、甲烷和二氧化碳進行實驗，結果證明了函數關系的正確性，理論與實驗結果為油氣光聲光譜在線監測系統的進一步改進提供了參考和技術支持。

1 光聲信號激發機理

氣體光聲信號是經過光、熱、聲信號的轉換，最后由聲信號經過微音器轉換成電信號，其轉換過程如圖1所示。

圖1 氣體光聲光譜技術

光源向光聲池發出頻率可調制的光照射氣體，氣體吸收光能發生躍遷，后以熱能釋放的方式退激，溫度的升高改變壓強，產生聲波，再由微音器轉換成電信號輸出[3]。熱和聲的產生是最重要的環節，聲音產生來源是氣體吸收的光能，聲音可用聲壓描述，忽略由于熱傳導和粘性引起的能量損失，聲壓的波動方程會改變表示為：

若光束在穿過光聲池時僅受很小的衰減，則氣體吸收的光功率為每單位體積而可表示為：

根據上述公式和光聲池設計原理，合理實施形狀、尺寸設計和結構、材料選擇，使光聲池在正常模式下工作，確保諧振頻率為w=ωj，那么光聲電池的壓力rM可表示為：

微音器用于檢測光聲單元中的周期性壓力波動，其靈敏度S的單位為mV/Pa。光聲電壓信號表示為：

式（4）表明光聲電壓信號與微音器的靈敏度線性相關，單元常數Ccel1、氣體吸收系數α∑（λ）、激光功率P0具有良好的線性相關性。其中單元常數Ccel1反映了系統將吸收光轉換成聲能的能力。

2 實驗裝置設計和氣體壓力特征的理論推導

2.1 實驗裝置設計

本實驗裝置采用DFB二極管激光器，在激光器的末端安裝一個準直儀，使壁吸收產生的聲噪聲最小。光調制頻率由機械斬波器SR540控制，以實現穩定的性能；微音器EK-3024用于獲取光聲電壓信號；使用鎖定放大器SR830測量光聲電壓信號。光聲池是由不銹鋼制成的光聲光譜檢測裝置的核心部分，其表面通過超聲波技術拋光，并且兩側都使用透射率大于90%的石英窗以布魯斯特角密封。

2.2 氣體壓力特征的理論推導

吸收系數能表征氣體吸收行為并清楚顯示各種波長的紅外輻射吸收的特性。考慮到氣體分子的吸收譜帶由可能重疊的數千個吸收譜線組成[4]。因此吸收系數α∑（λ）可以表示為：

式中：Si、gi（λ）分別為氣體分子第i條譜線的線強度和線性函數。

由式（5）可知，吸收系數與氣壓P成正比。基于數據庫HITRAN2008，使用Voigt線理論計算出壓力對296 K時C2H2、CH4和CO2的氣體吸收線的峰吸收系數的影響，幅度相同。

圖2表明C2H2、CH4和CO2的氣體吸收曲線的吸收系數對P具有近似的線性關系（0.1 kPa＜P＜100 kPa），并且在P＞100 kPa時幾乎保持不變。這是因為在不同的壓力下氣體增寬機制不同：當P＜0.1 kPa時，多普勒增寬機制起主導作用；隨著壓強的增加，碰撞增寬機制起主導作用。其他溶解的油中氣的吸收系數具有相同的趨勢。

圖2 氣壓對氣體吸收譜線峰值吸收系數的影響

圖3為氣壓分別為20 kPa、60 kPa、80 kPa時C2H2分子吸收6 578.5 cm-1的吸收系數。由圖可知，吸收光譜線的峰值吸收系數隨著P的增加而逐漸增加，但增加率趨于減小，同時吸收光譜線的線寬增加，這加劇了不同光譜線的重疊。因此，氣壓一定范圍內，在降低氣壓檢測靈敏度的條件下降低氣壓，可以提高光譜的分辨率。

圖3 20 kPa、60 kPa、80 kPa時C2H2分子吸收6 578.5 cm-1的吸收系數

結合氣壓與氣體吸收系數、分子平均自由程、分子平均速度、粘滯系數、導熱系數、品質因數、光聲池常數之間的函數關系，氣壓與光聲電壓信號之間的函數關系，可以推導得到：

從式（6）可知，光聲電壓信號對氣壓P1.5有近似的線性相關。

3 氣體壓力特性實驗分析

本次實驗采用C2H2來進行氣體壓力特性分析，實驗步驟如下：首先在光電池中密封標準濃度的400 μL/L C2H2，用恒溫器保持溫度穩定在296 K，鎖定放大器的積分時間設置為1 s，將DFB激光電流調整為45.30 mA，功率調整為13.7 mW；然后調節溫度控制電阻，使激光輻射波長為1 520.09 nm，并將池中的氣壓從0 kPa更改為140 kPa；接著調節斬波器的斬波頻率，以在不同氣壓下最大化光聲電壓信號的值，并記錄斬波頻率和最大值；最后調整并保持斬波器的斬波頻率為1 309 Hz，并記錄不同氣壓下的光聲電壓信號值。

氣壓與光聲電壓信號之間的關系如圖4所示，圖4說明氣壓極大地影響了光聲光譜檢測，光聲電壓信號的最大值和斬波頻率1 309 Hz時的值隨氣壓的增加而增加，并且光聲電壓信號與成近似線性關系，這基本服從式（6）的規律。圖4還表明光聲電壓信號的最大值不同于斬波頻率1 309 Hz時的值，偏差值在約30 kPa處時達到最大值41.2 μV。

圖4 不同氣壓下的C2H2光聲電壓信號

4 結論

本文從理論上推導了氣體壓力與氣體吸收系數、光聲電壓信號之間的函數關系，結合實驗分析得到氣壓對各參數的影響：

（1）296 K處的氣體峰值吸收系數與P呈近似線性關系（0.1 kPa＜P＜100 kPa），并且當P＞100 kPa時幾乎保持不變。

（2）在沒有氣體吸收飽和效應的情況下，光聲光譜電壓信號對具有較好的線性相關。

（3）雖然實驗數據僅在一定范圍內符合理論趨勢，但函數關系對改進光聲單元的設計和建立變壓器油中氣體的光聲光譜在線監測系統具有重要意義。