光聲光譜技術在變壓器油中氣體監測中的應用思路介紹

劉麗榮

中國南方電網東莞供電局，廣東 東莞 523000

0 引言

就目前而言，中國的電力行業發展最為快速，電能在我國的廣泛應用不僅能夠推動我國的經濟發展，還能夠促進我國工業的良好發展。因此需要重視光聲光譜技術在變壓器油中氣體監測中的應用[1]。

1 光聲光譜技術的氣體監測理論

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，波長范圍約為0.78～1 000 μm，氣體的分子不同，其物理化學性質也有所不同。例如，原子間鍵角、化學鍵強度、分子內原子數目等，這些決定了氣體對紅外輻射吸收性質。紅外光譜根據紅外輻射波長能夠分為三個區域，即轉動區的遠紅外、基頻區的中紅外、泛音區的近紅外，三個區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稱雙原子分子與多原子分子，比如CO2、C2H4、CH4等都在紅外波長區有吸收，而N2、O2、H2等對稱雙原子分子則對紅外輻射無吸收[2]。

表1 各區域中光能量與分子的作用形式

在不同波長處，氣體分子有著不同的吸收強度，所以光聲光譜技術的不同譜線處有著不同的吸收強度，其縱坐標為透射率、吸光度，橫坐標為波數、波長，記錄坐標能夠獲得氣體紅外光譜[3]。紅外光譜區能夠根據縱坐標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。相關研究表明，吸收譜帶與吸收峰值的不同，與之相應的氣體分子有著不同的能級躍遷。振轉能級躍遷是吸收譜帶與吸收峰值在紅外波段的主要表現。一般情況下，紅外光譜能夠有效區分氣體其他物質的吸收譜線，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應的波長或者波數信息對氣體進行分析與定性[4]。

圖1 C2H4 的吸光度光譜

1.2 氣體光聲監測原理

光聲光譜技術屬于間接量熱技術的一種，主要是通過對聲信號振幅進行測量，對氣體濃度進行精準計算。一般情況下，監測極限較低[5]。光聲光譜產生效應主要是依賴氣體吸收紅外輻射，而氣體在吸收紅外輻射時存在選擇性，因此光聲光譜技術需要合適光源，也就是在波長處的氣體存在一定強度吸收，光聲光譜效應原理如圖2 所示。圖中產生、監測光聲光譜效應主要可以分為如下幾個步驟。（1）選擇合適光源，即能夠覆蓋氣體吸收的光譜，然后周期性地調制光源輻射波長或者強度。（2）目標分子吸收紅外輻射，部分基態分子躍遷至激發態[6]。（3）激發態分子轉化為分子的平動動能，主要是以非輻射弛豫形式來轉化、吸收光能。在這一過程中，氣體分子有溫度升高表的現。氣體體積恒定下，氣體分子的溫度升高會導致氣體壓強增加。因為周期性地調制光源，氣體溫度在密閉空間下會隨著光源的調制出現周期性變化，所以氣體壓強與光源調制頻率呈現相同的變化周期，期間出現的壓強變化便為聲波。（4）利用微音器來監測所產生的光波，之后將微音器所產生的電信號接入外部電路，然后對聲信號振幅信息進行提取[7]。

圖2 光聲光譜效應產生的原理圖

2 變壓器油中溶解氣體在線監測系統的設計

2.1 氣體監測系統的設計原則

2.1.1 系統監測范圍

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，所以在對多種氣體進行監測時，氣體之間會相互干擾。因此在處理監測信號時，應當用抗交叉干擾的智能算法對變壓器油中溶解氣體進行定量監測[8]。不過這樣會導致系統更加復雜，因此需要盡可能地選擇互不干擾的波長來監測待測氣體，通常情況下需要對HITRAN2008 數據庫中的吸收光譜進行查詢，然后對比各類氣體的不同吸收特性，之后選擇與波長適合的光源。在正常情況下，變壓器油中的溶解氣體濃度低于10-5，但變壓器在長期運行后，溶解氣體濃度可能會增加。因此設計系統需要具備比較大的監測范圍，只有這樣才能夠最大程度地滿足應用要求。

2.1.2 油氣分離模塊

光聲光譜技術與其他所有變壓器油氣體監測技術一樣，溶解在絕緣油中的氣體需要在液態油中進行分離，然后進行監測。一般情況下，在液態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油氣監測系統的耗氣量。對其進行設計時，氣室體積不宜過大。為了確保光聲光譜技術系統能夠穩定、長期地工作，微音器以及光源都需要具備長期穩定性，如果缺乏足夠的長期穩定性，則需要時常對其進行標定，這就導致監測過程變得更加復雜。搭建光聲光譜技術系統后，還需要對電磁噪聲、聲噪聲等環境噪聲進行一定程度地隔離與屏蔽，從而保證光聲光譜技術系統能夠長期、準確、穩定地工作[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現，然后將光聲光譜監測系統導入其中，以此監測氣體濃度。目前應用在變壓器油中溶解氣分離的模塊主要有如下幾種：（1）真空法為基礎的油氣分離模塊。該裝置使油進入分離室，液態油在反復真空狀態下能夠破壞油氣平衡，從而揮發大量氣體。液態油在反復抽取后，能夠將絕大部分氣體抽取出，但所監測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時間使用后，真空泵的效率會逐漸降低，會導致油氣分離不徹底，所以很難對后續結果進行準確測量[10]。（2）高分子膜的油氣分離模塊。該裝置以亨利定律為基礎，只需要使用高分子聚合物膜。變壓器油中溶解氣體會通過高分子膜實施分離，直至油氣平衡。不過該裝置氣體分離的時間較長，一般需要超過10 h，進而會使得整個系統的響應時間過長。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 氣體監測系統的搭建

CO2激光器在工作過程中能夠產生多條發射譜線，根據分子躍遷特性分為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 波長附近。文章選擇Firestar OEM v30 型號的CO2激光器，其參數如表2 所示。由于CO2激光器光束有著非常小的發散角與直徑，所以在對光聲光譜監測系統進行設計時，不需要聚焦光束，而且光功能的穩定性與大小均與該系統相契合。

表2 CO2 激光器光束主要參數

2.3 光聲池幾何形態及工作模式選擇

光聲池在光聲光譜效應的氣體監測中有著極為重要的作用，聲場在光聲池中產生與放大，其設計參數、幾何形態與整個系統的靈敏性、穩定性以及最低監測極限等有著密切聯系。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。文章考慮簡正模式特性、品質因素、信噪比、共振腔幾何形態與體積等因素，光聲池中的共振腔設計為圓柱形，工作在第一縱向共振模式。

2.4 系統其他組件

2.4.1 調制器

文章使用械斬波方式來調制光，同時選擇HB-404型頻率可控雙參考斬光器，其外觀如圖3 所示。該斬光器由機械外殼包裹，預防撞擊損壞。斬光盤可以分為外孔與內孔，頻率可以調制的范圍為10～2 000 Hz。斬光器能夠自主生成參考信號，而且與調制光頻率一致，能夠為后續處理提供相關信號。

圖3 HB-404 型頻率可控雙參考斬光器

2.4.2 鎖相放大器

經過實驗室經驗與市場調研分析，選擇DSP 7280鎖相放大器，滿刻度靈敏度為10 nV～1 V，時間常數為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，時間常數為≦0.01°，輸入阻抗為100 MΩ//25 pF。

2.4.3 微音器

選擇Knowles 公司生產的EK-23024-000，有著噪聲低、體積小、靈敏度高等特點，而且在600～1 200 Hz范圍內，頻率響應曲線非常平坦。文章設計的光聲池共振頻率（833 Hz）處靈敏度約為22 mV/Pa。

3 系統驗證

實驗選擇N2作為載氣，在氣室中充入一定體積分數的N2，將斬波器調節到調制頻率，然后將斬波器頻率作為鎖相放大儀的參考信號。先測量該系統的本底信號，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。之后在氣室內通入一定體積分數的CO、CO2，對其進行測量，同時線性擬合測量結果，得到CO 的體積分數與輸出光聲信號線性相關性系數為0.998 57，CO2的相關性系數為0.999 95。以信噪比1 ∶1對系統極限靈敏度進行計算，得到該系統對于CO 體積分數測量極限靈敏度為3×10-6，CO2的體積分數測量極限靈敏度為10×10-6，均滿足《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》中要求，即最小體積分數要求為25×10-6。

4 結束語

穩定現代電網運行的主要因素有三個方面，即優質、經濟以及安全，其中安全是基礎。智能電網輸電的關鍵設備為變壓器，如果該設備出現故障，則容易產生比較大的損失。我國多數變壓器為油浸式變壓器，在長時間運行后，油浸式變壓器會出現老化，或者內部組織會出現故障，進而產生有害氣體，所以采取有效方法在線監測變壓器油中溶解氣體就顯得尤為重要，能夠極大地保障運作安全。文章基于光聲光譜技術設計的變壓器油中氣體在線監測系統能夠有效彌補傳統監測系統的不足，具有一定的推廣價值。