基于近紅外TDLAS變壓器油中溶解氣體在線檢測裝置

陳 楊，戴景民，王振濤，楊宗舉

哈爾濱工業大學儀器科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

引 言

電網進行可靠供電對變壓器穩定地運行具有較高的需求[1]。變壓器健康狀態以絕緣油中氣體濃度作為判別依據[2]。由此，獲取溶解在變壓器油里的氣體濃度以確定變壓器的健康狀態對于有效維護電網的運行非常重要。

常規的混合氣體檢測手段是現今油中氣體測量的主要手段，隨著光學技術的發展，光學檢測被引進該領域。光學檢測技術相比于常規混合氣體檢測技術在響應速度方面表現更為突出。吸收光譜法是甄別分子最為高效的檢測技術，可調諧激光吸收光譜法，在吸收光譜法中尤為重要，克服了其他分析方法對譜線距離很近時難以分辨局限性，從而實現對混合氣體濃度的測量。

可調諧激光吸收光譜法(TDLAS)于20世紀70年代首先由Hinkley和Reid等[3]提出，隨之在可燃氣體檢測方向上進行應用。2002年，Werle等對近中紅外波段最佳吸收峰及對應的檢測下限進行研究，Kormann等[4]選用多個激光器實現對大氣中的一氧化氮、甲醛、過氧化氫痕量氣體的檢測。2005年，闞瑞峰等設計了基于TDLAS的甲烷濃度檢測的實驗裝置，并提出二次諧波信號幅值與濃度正比關系的標定方法。2006年，涂興華等應用TDLAS系統檢測了一氧化碳與二氧化碳濃度。2008年，Schiller等在飛行裝置上安裝量子級聯激光器對大氣中二氧化氮、一氧化碳、甲烷等濃度測量進行研究。2012年，Wagner等為實現對火焰中乙炔定性定量檢測，基于TDLAS技術研制新型分光計。2013年，Nwaboth等以Herriott池為裝置氣室完成對二氧化碳濃度的檢測。同年潘衛東等[5]應用White池為氣室實現對礦道乙烯痕量氣體檢測。2015年，Pogany等[6]開發設計了同時檢測二氧化碳與水蒸氣的實驗裝置。2016年，He等使用近紅外波段采用TDLAS技術與波長調制技術進行了乙炔濃度檢測的實驗[7]。2017年，Ye等[8]實現了中紅外波段同時檢測甲烷與乙烷的實驗系統，Ivan Tadic等[9]在飛行器上安裝中紅外激光器實現對大氣對流層中一氧化碳濃度的檢測。與其他的工業應用場合不同，電力系統行業對于多組分特征氣體在線檢測的精確度及測量速度的要求更為嚴苛，中遠紅外波段檢測的下限可達到nL·L-1級，但由其造價成本高同時其運行工況需在高效制冷的條件，使其無法滿足在電廠、變電站及惡劣的環境下廣泛的裝配和穩定的運行。

本文以近紅外波段為基礎，采用TDLAS技術研制了同時檢測6種變壓器油中特征氣體的快速精確在線檢測裝置。對所研制的裝置進行了現場環境試驗測試，在保證滿足惡劣工況條件下的同時，快速檢測出變壓器油中的6種特征氣體數據。將數據進行計算得出變壓器油中特征氣體濃度，并與常規線下檢測裝置(變壓器油氣相色譜儀，ZTGC-TD-2014D)進行對照，根據實驗結果表明在線檢測裝置所得數據符合國家標準。

1 裝置檢測原理

本文研制多組分氣體檢測裝置采用TDLAS技術，使用線寬遠小于氣體吸收譜線寬度的激光器，并利用激光器的可調諧性對氣體的單條特征譜線進行掃描。用特征吸收光譜高分辨率的特點，清除非被測氣體光譜對要測氣體間的相互干擾[5，10]。

根據Beer-Lambert定律，一束光經過氣體分子被吸收后，其光強的變化為

It(ν)=I0(ν)exp[-α(v)cL]

(1)

式(1)中：I0(ν)為入射無吸收時輻射強度，It(ν)為接收端輻射強度，α(ν)為在頻率ν處氣體的吸收截面，為某氣體的吸收系數，c為所測氣體濃度，L為氣室內光的路徑長度。

采用波長調制及諧波檢測技術將高頻調制信號與掃描信號相疊加，此時激光瞬時頻率ν(t)為

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式(6)中，M=1+x2+m2，在吸收線中心位置時，因為此時x=0，對式(6)進行簡化并得出二次諧波波峰與濃度成正比關系

(7)

2 氣體檢測裝置設計

多組分氣體測量裝置由激光控制光源、氣室、數據采集、數據處理四部分組成，其原理如圖1所示。裝置采用分時掃描的時分多路技術，通過激光控制光源切換至不同的工作狀態，使激光依次入射到氣室內，實現多組分氣體的分時檢測； 激光經由氣室后到達光電探測器，通過放大電路和鎖相放大器的調節輸出二次諧波信號，由A/D轉換電路采集到上位機系統中，并以TDLAS為理論基礎得到各組分氣體的數值。

圖1 多組分氣體測量裝置原理Fig.1 Principle of multi-component gas measuring device

本裝置針對變壓器所用絕緣油在長期運行下所分解出的故障氣體(CH4，C2H2，C2H4，C2H6，CO，CO2)進行檢測。氣體吸收譜線的選取原則是激光器近紅外波段能夠最大限度地覆蓋多種氣體，同時具有良好的單峰性。特征氣體的近紅外吸收譜線及線強，如表1所示。

表1 特征氣體的吸收譜線Table 1 Absorption lines of characteristic gases

通常，可調諧激光器調諧范圍為1～2 nm，不能覆蓋全寬度光譜范圍。CO和CO2的吸收譜線相隔0.17 nm，CH4和C2H6相隔0.4 nm。選取兩種DFB型激光器用以實現對4種氣體的精確掃描。而C2H4和C2H2分別應用適于各自吸收譜線的激光器進行精確掃描，因此多組分氣體檢測裝置通過4種激光器實現對6種特征氣體的精確掃描。本裝置的多組分氣體檢測功能，可消除背景氣體交叉干擾、并同時檢測多種成分氣體的濃度、測量精度高、測量時間短、進行溫度壓力修正以適應惡劣測量環境。

3 裝置標定與實驗

3.1 多組分氣體標定實驗

在進行標定實驗之前，先對氣室通入高純氮氣(濃度為99.99%)，清除氣室內已存氣體。根據氣室大小選擇合理的通氣時間(本裝置的時間為10 min)，之后設定氣體分割儀器濃度配比數值，打開氣閥通入待標定氣體，當氣體完全充滿氣室后開始標定。利用波長調制技術獲得特征氣體的二次諧波的幅值，對氣體分割儀設置的各種特征氣體濃度與相應的二次諧波幅值進行擬合，得出對應濃度的數值。為提高裝置檢測的準確性，需降低檢測過程中基線漂移對峰值的影響。因此，本裝置采用二次諧波最大峰值與最小谷值的絕對值之和來定義二次諧波幅值，如圖2所示。

圖2 特征氣體的二次諧波的幅值Fig.2 The amplitude of the second harmonic of the characteristic gas

特征氣體在不同濃度下吸收峰的二次諧波信號峰谷值和相應濃度進行最小二乘法進行擬合，如圖3所示，擬合度分為： 乙炔0.999 4、甲烷0.999 3、乙烷0.998 0、乙烯0.999 5、一氧化碳0.997 7、二氧化碳0.996 4。

圖3 特征氣體的二次諧波信號峰谷值和相應濃度的擬合曲線Fig.3 The fitting curve of the peak and valley value of the second harmonic signal of the characteristic gas and the corresponding coocentration

3.2 實驗及驗證

在絕緣油檢測室對本文裝置，如圖4(a)，進行準確性驗證。選取同組變壓器油中溶解氣體與變壓器油氣相色譜儀(型號ZTGC-TD-2014D)進行對照實驗，如圖4(b)，對照實驗數據如表2。

圖4 變壓器油特征氣體檢測裝置Fig.4 Transformer oil characteristic gas detection devices

為驗證裝置在復雜情況下的運行穩定性和適應性，在實際現場對其進行了100 h的連續工況測試，采樣間隔為30 min，數據如圖5所示。

圖5 多組分氣體實時監控數據Fig.5 Real-time monitoring data of multi-component gases

本文研制的多組份氣體在線檢測裝置與變壓器油氣相色譜儀(型號ZTGC-TD-2014D)進行對照實驗，試驗共分三組，根據表2的實驗結果可以看出： CO2濃度的測量誤差小于20 μL·L-1，CO濃度的測量誤差小于2 μL·L-1，CH4濃度的測量誤差在實驗組2與實驗組3均在1 μL·L-1以下，實驗組1的誤差也僅僅只有1.09 μL·L-1，C2H2濃度的三組實驗測量誤差均在1 μL·L-1以下，C2H4濃度的測量誤差小于6 μL·L-1，C2H6濃度的測量誤差小于4 μL·L-1。在實際工況穩定性測試中，連續進行了100 h的運行檢測，氣體濃度檢測未發生明顯跳變，其穩定性滿足在線檢測要求，綜上所述，本文裝置為檢測變壓器油中溶解氣體的在線檢測提供了有效的實踐經驗。

表2 特征氣體實時檢測數據與對照數據Table 2 Characteristic gas real-time detection data and control data

4 結 論

采用可調諧激光吸收光譜法，面向變壓器油中6種特征氣體，研制了基于近紅外波段的多組分氣體在線檢測裝置。根據分時掃描的時分多路技術，實現對6種特征氣體測量，實驗結果表明：

(1)運用波長調制技術及標定手段可以消除背景氣體的交叉干擾，提高檢測特征氣體濃度的精度、降低檢測特征氣體濃度的測量時間，并適應變電站及電廠等工況條件惡劣的測量環境； (2)在實際現場測試中，除CO2(20 μL·L-1以下)以外，其他氣體濃度的測量誤差均在6 μL·L-1以下，測量精度完全滿足復雜工況的生產需求； (3)基于TDLAS變壓器油中溶解的特征氣體測量裝置的成功研制，為變壓器中特征氣體的在線檢測提供了一種較為精準的有效裝置。