變壓器油中溶解一氧化碳?xì)怏w的光纖傳感技術(shù)

馬鳳翔，趙 躍，李辰溪，郭 珉，朱 峰，杭 忱，陳 珂*

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，合肥 230601；2.大連理工大學(xué) 光電工程與儀器科學(xué)學(xué)院，大連 116024)

引 言

近幾年來，國民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，社會(huì)用電量日益增大，對電力安全的要求也越來越高。變壓器是電網(wǎng)運(yùn)行的核心器件，作用是承載和連接不同的電壓等級(jí)，其運(yùn)行可靠性對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全至關(guān)重要[1]。目前，大型電力變壓器通常采用高介電常數(shù)的絕緣油或者絕緣紙板以減小變壓器的體積。然而，隨著變壓器運(yùn)行時(shí)間的增長，絕緣油和絕緣紙板的大分子因過熱、放電等絕緣故障發(fā)生裂解，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的故障特征氣體。其中，絕緣紙板裂解主要產(chǎn)生一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)等故障特征氣體[2-3]。通過對油中溶解故障特征氣體的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行定期檢測，監(jiān)測長期變化情況，可有效對變壓器出現(xiàn)的故障類型和故障的嚴(yán)重程度進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)故障早期預(yù)警。

油中溶解的故障特征氣體的檢測手段主要有氣相色譜法[4]、喇曼光譜法[5]、紅外吸收光譜法以及光聲光譜法[6-7]。其中，光聲光譜溶解氣體分析(dissolved gas analysis,DGA)檢測技術(shù)因其具有的無需載氣、無需頻繁標(biāo)定和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，適用于變壓器的在線監(jiān)測[8]。近年來，光聲光譜儀取得了廣泛關(guān)注，正逐步成為主流DGA檢測裝置。然而，現(xiàn)有基于光聲光譜技術(shù)的油中溶解氣體分析儀應(yīng)用過程中暴露了很多問題。比如，實(shí)際測量精度不高，這是因?yàn)榉治鰞x使用紅外熱輻射光源與帶通濾波器相結(jié)合，導(dǎo)致多種氣體成分之間存在明顯的交叉干擾[9]。半導(dǎo)體激光技術(shù)近年來得到了快速的發(fā)展，激光取代傳統(tǒng)非相干光源作為激發(fā)光，其光譜功率密度高于傳統(tǒng)非相干光源幾個(gè)數(shù)量級(jí)，激光光聲光譜技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，具有高靈敏度、低交叉干擾的優(yōu)勢[10]。同時(shí)，光聲光譜結(jié)合二次諧波檢測技術(shù)和波長調(diào)制技術(shù)，消除了因光聲池壁和入射窗片吸收而產(chǎn)生的基頻本底干擾，大大提高了目標(biāo)氣體的檢測靈敏度[11]。

傳統(tǒng)的光聲光譜油中溶解氣體分析裝置在現(xiàn)場運(yùn)行中存在抗電磁干擾能力差等問題。為了解決這一問題，光纖聲波傳感器因其具有的自身不帶電、靈敏度高和本質(zhì)安全等特點(diǎn)被用于光聲信號(hào)的探測。近年來，本研究團(tuán)隊(duì)借鑒傳統(tǒng)電容式微音器的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了基于非本征法布里-珀羅(Fabry-Perot,F-P)干涉儀(Fabry-Perot interferometer,FPI)的膜片式光纖聲波傳感器。光纖端面與有機(jī)膜片構(gòu)成一個(gè)微型光纖F-P腔。當(dāng)聲波作用于敏感膜片時(shí)，膜片振動(dòng)引起F-P腔的腔長變化，干涉儀通過檢測光程差的改變實(shí)現(xiàn)對聲波信號(hào)的檢測。光纖FPI結(jié)構(gòu)使得聲波傳感探頭體積較小，易于和光聲池進(jìn)行結(jié)構(gòu)匹配。目前，基于懸臂梁的光纖FPI聲波傳感器已應(yīng)用于光聲光譜測量中，對乙炔氣體的檢測極限達(dá)到0.08×10-9[12]。此外，香港理工大學(xué)、安徽大學(xué)和華中科技大學(xué)也開展了基于膜片式光纖聲波傳感的光聲光譜技術(shù)的研究工作。其中，香港理工大學(xué)的JIN小組制作了基于多層石墨烯薄膜的光纖聲波傳感器，聲壓響應(yīng)度達(dá)到1.1nm/Pa，對乙炔氣體的檢測極限為119.8×10-9[13]。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離氣體測量并進(jìn)一步提高全光學(xué)光聲探頭的氣體檢測靈敏度，荷蘭的ZHOU等人于2017年報(bào)道了一種新的微型全光學(xué)光聲氣體傳感器，懸臂梁通過微鏡的受迫運(yùn)動(dòng)感測光聲信號(hào)，微鏡連接到懸臂梁的自由懸掛端，懸臂梁寬度僅為14μm[14],這種結(jié)構(gòu)可以大幅減少氣體的粘性阻力損耗，對乙炔氣體的檢測極限可達(dá)15×10-9，但這種細(xì)長型懸臂梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差。本研究團(tuán)隊(duì)于2019年設(shè)計(jì)了一種用于監(jiān)測遠(yuǎn)距離氣體泄漏的光纖光聲傳感器，傳感器中氣室的體積僅為70μL[15]，氣體通過小孔和縫隙擴(kuò)散進(jìn)入到探頭中的微型氣室中，采用高穩(wěn)定性和高靈敏度的光譜解調(diào)技術(shù)，對乙炔氣體的檢出限達(dá)到2×10-8。

在前期研究的基礎(chǔ)上，本文作者提出了一種基于光纖光聲傳感的變壓器油中溶解一氧化碳?xì)怏w檢測技術(shù)。將光聲光譜、光纖傳感和膜分離技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)了集成油氣分離和氣體檢測功能于一體的光纖光聲傳感探頭。油中溶解的一氧化碳?xì)怏w通過油氣分離膜進(jìn)入到光纖探頭中的微型氣腔。采用兩根光纖將探頭連接到激光器和解調(diào)儀，分別傳輸激發(fā)光和探測光。氣體吸收光能產(chǎn)生的光聲信號(hào)被光纖F-P傳感器探測，并被設(shè)計(jì)的新型光纖光聲解調(diào)儀進(jìn)行信號(hào)處理。該技術(shù)方案抗電磁干擾能力強(qiáng)、無需抽油、無需載氣，可實(shí)現(xiàn)對油中溶解一氧化碳?xì)怏w的連續(xù)監(jiān)測。

1 光聲光譜原理

一部分氣體分子在吸收了激光的能量后被激發(fā)到高能級(jí)。一般來說，自發(fā)輻射和碰撞弛豫是吸收能量釋放的兩種主要方式。然而，振動(dòng)能級(jí)輻射弛豫時(shí)間太長抑制了能量的釋放。因此，激發(fā)態(tài)氣體分子主要通過碰撞弛豫釋放能量，轉(zhuǎn)化為氣體分子的平動(dòng)能，引起氣體的周期性振動(dòng)，產(chǎn)生光聲壓力波。在非共振圓柱形光聲管中，光聲聲波處處均等，光聲(photoacoustic,PA)壓力波pPA的振幅可表示為:

(1)

式中，pPA是頻率f的函數(shù)，用pPA(f)表示;γ為氣體的質(zhì)量熱容比;P0為激光功率;α(λ)為氣體吸收系數(shù),是吸收光波長λ的函數(shù);l為光聲管的長度;V為光聲管的體積;τ表示氣體的熱阻尼，是一個(gè)隨溫度變化的函數(shù)，τ越大，光聲壓力波越大。光聲管產(chǎn)生的光聲壓力波通過光纖FPI聲波傳感器檢測，通過檢測F-P腔變化量獲得光聲信號(hào)大小。

2 光纖傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 傳感器設(shè)計(jì)

用于測量油中溶解一氧化碳?xì)怏w的光纖傳感探頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)是一個(gè)直徑為8mm、高為15mm的不銹鋼柱體，其主要由不銹鋼外殼、兩根光纖、銅管、懸臂梁聲波探測元件和油氣分離膜組成。

Fig.1 Schematic diagram of the structure of the sensor probe for dissolved gas in fiber optic oil

溶解在油中的一氧化碳?xì)怏w分子可以通過分離膜擴(kuò)散到銅管氣室中，而較大的油分子則不能通過。由于無孔有機(jī)膜分離效率高，對油分子截留效果好，因此采用分離速度較快的聚全氟乙丙烯膜作為滲透膜[16]。滲透膜的直徑和厚度分別為50mm和12.5μm，對CO氣體的滲透系數(shù)為20×10-18m2/(s·Pa)。為了支撐有機(jī)膜，將有機(jī)膜夾在兩塊厚度為0.2mm的不銹鋼片，在不銹鋼片上加工了方孔陣列。圓柱形微型氣室的長度和直徑分別為10mm和1mm。油中溶解的CO氣體經(jīng)分離膜的分離作用脫出，進(jìn)入氣室并平衡后，氣室內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)與油中溶解氣體的體積分?jǐn)?shù)呈正比。油中溶解氣體脫出并在氣室內(nèi)達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)間與系統(tǒng)氣室體積呈反比，當(dāng)測量溫度為50℃時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約2h，具有較快的響應(yīng)速度。光聲激發(fā)光通過其中一根光纖入射到微型氣室中，氣室中的氣體吸收光能并躍遷到高能級(jí)，光能通過無輻射躍遷轉(zhuǎn)化為平動(dòng)能。產(chǎn)生的光聲壓力波推動(dòng)不銹鋼懸臂梁產(chǎn)生周期性偏轉(zhuǎn)。懸臂的長度、寬度和厚度分別為3mm、1mm和10μm。另一根光纖和懸臂梁形成了一個(gè)基于光纖FPI的聲波傳感單元，F(xiàn)-P腔由光纖端面和懸臂梁之間的間隙構(gòu)成，探測光在光纖端面和懸臂梁表面反射并形成干涉光譜。當(dāng)固定頻率的聲壓作用在懸臂梁膜片時(shí)，懸臂梁周期性振動(dòng)，引起F-P腔長改變，導(dǎo)致干涉光譜移動(dòng)，相位信息發(fā)生變化。通過白光干涉法解調(diào)光纖光聲FPI的干涉光譜相位信息，獲得光聲壓力波的大小。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2是設(shè)計(jì)的光纖油中溶解一氧化碳?xì)怏w傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。變壓器油中溶解的一氧化碳?xì)怏w通過聚全氟乙丙烯膜進(jìn)入傳感探頭。近紅外分布反饋 (distributed feedback,DFB) 激光器發(fā)射激光，傳入光纖傳感探頭激發(fā)CO氣體產(chǎn)生光聲壓力波。為避免由于池壁吸收造成的干擾和其它振動(dòng)干擾，采用二次諧波-波長調(diào)制(2f-wavelength modulation spectroscopy,2f-WMS)技術(shù)對光聲信號(hào)進(jìn)行檢測。使用鋸齒波信號(hào)驅(qū)動(dòng)DFB激光器進(jìn)行波長掃描，現(xiàn)場可編程門陣列(field-programmable gate array,FPGA)信號(hào)處理電路提供一個(gè)頻率為500Hz的正弦信號(hào)做調(diào)制以產(chǎn)生2f-WMS信號(hào)。產(chǎn)生的2f-WMS信號(hào)由懸臂梁探測，并被基于白光干涉儀的光纖聲波解調(diào)模塊處理。懸臂梁的工作頻率為1000Hz，該頻率正好為2f-WMS信號(hào)的頻率。中心波長1535nm、帶寬45nm的超輻射發(fā)光二極管(superluminescent light-emitting diode,SLED)作為探測光源，發(fā)射的寬譜光經(jīng)過光纖環(huán)形器傳輸?shù)交贔PI的懸臂梁傳感單元產(chǎn)生干涉光譜。F-P干涉光譜由微型光纖光譜儀采集。為了實(shí)現(xiàn)光聲信號(hào)的窄帶檢測，采用數(shù)字鎖相放大技術(shù)。光譜采集由信號(hào)處理電路提供的方波信號(hào)進(jìn)行同步觸發(fā)。由于F-P腔的腔長是通過光譜解調(diào)法實(shí)時(shí)測量的，光聲壓力信號(hào)通過對連續(xù)測量的腔長進(jìn)行高通濾波得到。解調(diào)的數(shù)字光聲信號(hào)通過通信接口傳輸?shù)焦た貦C(jī)，利用基于LabVIEW的虛擬鎖相放大器測量2f-WMS光聲光譜信號(hào)。

Fig.2 Schematic diagram of the structure of the optical fiber oil dissolved gas sensing system

2.3 激光光源

根據(jù)光聲光譜原理，光聲信號(hào)的強(qiáng)度與待測氣體的吸收系數(shù)成正比。為了提高氣體的檢測靈敏度，通常選擇強(qiáng)吸收系數(shù)對應(yīng)的激光波長。對于一氧化碳?xì)怏w，其基頻吸收帶位于4.6μm附近。然而，中紅外波長的激光在石英光纖中的傳輸損耗極大，因此，對一氧化碳的近紅外泛頻吸收帶進(jìn)行分析[17]。根據(jù)HITRAN2012數(shù)據(jù)庫，得到一氧化碳?xì)怏w在2300nm～2400nm波長范圍內(nèi)的吸收光譜，如圖3所示。一氧化碳?xì)怏w在該波段存在多根較強(qiáng)的吸收譜線，其中在2331.9nm波長處具有最強(qiáng)的吸收系數(shù)。因此，采用中心波長為2331.9nm的DFB激光器作為光纖傳感系統(tǒng)的光聲激發(fā)光源，通過石英光纖傳輸?shù)焦饴曁筋^中。

DFB激光器的發(fā)光原理是沿縱向等間隔分布的光柵所形成的光耦合實(shí)現(xiàn)激光振蕩。通過光柵實(shí)現(xiàn)波長選擇和光反饋，得到穩(wěn)定的單模輸出，并使其有較好的頻率穩(wěn)定性。通過改變光柵折射率可實(shí)現(xiàn)波長調(diào)諧，溫度和驅(qū)動(dòng)電流變化都可以改變光柵的折射率。改變溫度的方式可實(shí)現(xiàn)慢速調(diào)諧，而改變驅(qū)動(dòng)電流可實(shí)現(xiàn)快速調(diào)諧[10,18]。通過設(shè)計(jì)的激光器驅(qū)動(dòng)電路對DFB激光器進(jìn)行恒溫控制并將電流設(shè)置到95.5mA，使波長調(diào)節(jié)到2331.9nm處。

Fig.3 Near-infrared absorption spectrum of CO

2.4 光纖光聲解調(diào)模塊

為了實(shí)現(xiàn)對F-P干涉光譜的高速采集和處理，設(shè)計(jì)了光纖光聲傳感解調(diào)模塊。光纖光聲解調(diào)模塊主要由SLED光源、微型光纖光譜儀、光譜采集與處理電路構(gòu)成。中心波長為1535nm的超輻射發(fā)光二極管用作探測光源，發(fā)射寬譜光經(jīng)過光纖環(huán)形器入射到傳感探頭中，F(xiàn)-P干涉光譜由微型光纖光譜模塊采集。光譜儀由分光元件、光檢測單元和電子處理單元組成。透射型體相位光柵用作光譜元件，并利用光電二極管陣列型圖像傳感器作為光檢測單元，可實(shí)現(xiàn)對光譜信號(hào)的高速探測[19]。為了實(shí)現(xiàn)對光譜信號(hào)的高速采集，設(shè)計(jì)了如圖4所示的FPGA光譜信號(hào)采集電路板，主要由FPGA芯片、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、通用串行總線通信芯片和電源芯片等組成。FPGA將采集到的光譜信號(hào)通過USB接口高速地傳輸?shù)焦た貦C(jī)。

Fig.4 Physical map of the spectrum acquisition and processing circuit board

利用LabVIEW軟件對采集的光譜信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，利用全相位解調(diào)法將光聲信號(hào)從光譜信號(hào)中提取出來。信號(hào)處理過程主要由歸一化光譜、插值、快速傅里葉變換、頻率估計(jì)、全相位信號(hào)處理等組成。歸一化光譜是為了消除寬譜光源包絡(luò)的影響；插值過程將信號(hào)從光譜域轉(zhuǎn)換到光頻域；快速傅里葉變換和頻率估計(jì)過程可初步解調(diào)出F-P腔長；利用全相位信號(hào)處理過程可實(shí)現(xiàn)超高分辨的F-P腔長解調(diào)。工控機(jī)采集的干涉光譜如圖5所示，具有約7.5個(gè)周期，解調(diào)的F-P腔長為211.5μm。

Fig.5 F-P interference spectrum

3 結(jié)果與分析

3.1 激光器調(diào)制參數(shù)優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)2f-WMS檢測，對激光器提供一個(gè)頻率為500Hz的正弦信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，根據(jù)波長調(diào)制光譜技術(shù)原理，二次諧波信號(hào)的幅度隨調(diào)制深度變化，通過優(yōu)化激光器的調(diào)制深度，可以提高信噪比。首先對體積分?jǐn)?shù)為250×10-6的CO氣體進(jìn)行測試，控制激光器在中心波長2331.9nm處掃描，該波長對應(yīng)CO氣體一個(gè)吸收峰。改變正弦激光調(diào)制電流的有效值從1mA～6mA，記錄光聲信號(hào)的輸出值，圖6所示為信號(hào)幅度隨調(diào)制電流的變化關(guān)系。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，調(diào)制電流為3.25mA時(shí)，光聲信號(hào)的二次諧波幅度最大，即最佳調(diào)制電流為3.25mA。

Fig.6 Relationship between PA signal and modulation current amplitude

3.2 一氧化碳?xì)怏w測試

為了測試所設(shè)計(jì)的光纖光聲氣體傳感器的一氧化碳體積分?jǐn)?shù)的響應(yīng)特性，將不同氣體體積分?jǐn)?shù)的一氧化碳/高純氮?dú)饣旌蠚怏w依次通入測試氣室，并且記錄二次諧波信號(hào)。使用質(zhì)量流量控制器(S48-300，HORIBA)控制氣體流速，對氣體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行稀釋。將高純氮?dú)馀c氣體體積分?jǐn)?shù)為1000×10-6的一氧化碳標(biāo)準(zhǔn)氣體安裝一定比例混合，得到氣體體積分?jǐn)?shù)分別為1000×10-6，500×10-6，250×10-6，100×10-6，50×10-6和25×10-6的測試氣體。設(shè)定鎖相積分時(shí)間為1s，將DFB激光器的偏置電流調(diào)制范圍為90mA～100mA，實(shí)現(xiàn)在2331.9nm附近的波長掃描。為進(jìn)一步提信噪比，采用小波去噪法對2f-WMS進(jìn)行去噪。測量的2f-WMS光譜光聲信號(hào)如圖7所示。提取測得的波長調(diào)制光譜信號(hào)的峰值，分析信號(hào)峰值隨氣體體積分?jǐn)?shù)的變化，所得結(jié)果如圖8所示。通過線性擬合，估算了設(shè)計(jì)的光纖光聲氣體傳感器對一氧化碳?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)的檢測靈敏度為0.345pm/10-6,計(jì)算線性擬合的R2≈0.996。這表明該傳感器對氣體體積分?jǐn)?shù)小于1000×10-6的一氧化碳?xì)怏w具有良好的線性響應(yīng)。

Fig.7 2f-wavelength modulation PA signal

Fig.8 Linearity fitting of the measured value of PA signal with different gas volume fraction

3.3 油中溶解氣體測試

為進(jìn)一步確定設(shè)計(jì)的光纖光聲傳感器對油中溶解一氧化碳?xì)怏w的測量精度，分別配置了油中溶解氣體體積分?jǐn)?shù)為5×10-6,10×10-6,50×10-6和100×10-6的油樣各3份進(jìn)行測試。將溶解不同氣體體積分?jǐn)?shù)CO的油樣充入油室，控制鎖相積分時(shí)間為5s，脫氣溫度為50℃，為保證脫氣充分平衡，等待2.5h后對CO進(jìn)行檢測。結(jié)合CO氣體響應(yīng)度和氣室油室的氣體體積分?jǐn)?shù)比，對測得的光聲信號(hào)測量值進(jìn)行標(biāo)定獲得油中溶解氣體體積分?jǐn)?shù)，測試結(jié)果如表1所示。當(dāng)油中溶解一氧化碳?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)大于10×10-6時(shí)，測量值誤差均在±15%以內(nèi)，并且最低檢出限達(dá)到5×10-6，完全滿足《變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范》中對一氧化碳的A級(jí)誤差要求[20]。

Table 1 Measurement results of dissolved carbon monoxide gas in oil with different gas volume fraction

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了用于測量變壓器油中溶解一氧化碳?xì)怏w的光纖傳感系統(tǒng)，將光聲光譜、光纖傳感和膜分離技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)了集成油氣分離和氣體檢測功能于一體的光纖光聲傳感探頭，結(jié)合光纖光聲解調(diào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對油中溶解一氧化碳?xì)怏w的高靈敏度檢測。通過吸收譜線分析，激光波長選擇為2331.9nm。利用光學(xué)干涉型懸臂梁和光纖光聲傳感解調(diào)模塊實(shí)現(xiàn)對微弱光聲信號(hào)的高靈敏度探測。通過優(yōu)化激光參數(shù)，將調(diào)制電流設(shè)置為3.25mA。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的光纖傳感系統(tǒng)對一氧化碳?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)具有良好的線性響應(yīng)，對一氧化碳?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)的檢測靈敏度為0.345pm/10-6；對油中溶解一氧化碳?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)的檢出限達(dá)到5×10-6。該系統(tǒng)具有抗電磁干擾、靈敏度高和無需抽油等優(yōu)點(diǎn)，為變壓器中溶解氣體的在線監(jiān)測需求提供了一種新的技術(shù)方案。