基于TDLAS 的變壓器油中C2H2 在線監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)

曹 旺 ，萬 元 ，唐 偉 ，劉章進(jìn) ，李橙橙 ，廖學(xué)順 ，吳昊天

（1. 國家電力投資集團(tuán)水電產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410004;2. 湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長沙 410004）

油中溶解氣體分析（dissolved gas analysis，DGA）是國內(nèi)外公認(rèn)的識別油浸式變壓器早期故障的最有效方法，對維護(hù)變壓器安全、可靠運(yùn)行具有重要意義[1]。變壓器運(yùn)行過程中，絕緣油受放電、過熱等因素影響而生裂解，產(chǎn)生H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2等特征氣體[2]。氣體的含量、產(chǎn)生速率以及不同成分之間的比例是DGA 實(shí)現(xiàn)故障判別的基礎(chǔ)。在變壓器的故障特診氣體中，C2H2是區(qū)分過熱性故障與放電性故障的標(biāo)志性氣體，并且是高溫過熱與高能放電故障產(chǎn)生總烴的主要構(gòu)成成分。文獻(xiàn)[3]中1 臺500 kV 變壓器的C2H2出現(xiàn)激增，導(dǎo)致變壓器停運(yùn)，檢修后查明變壓器內(nèi)部存在放電故障，變壓器在制造工藝、材料質(zhì)量上存在不足。文獻(xiàn)[4]中1 臺1 000 kV 變壓器C2H2超標(biāo)，原因?yàn)樘坠馨惭b工藝不到位導(dǎo)致的放電故障。文獻(xiàn)[5]分析了一起冷卻器潛油泵出現(xiàn)問題導(dǎo)致C2H2超標(biāo)的案例。因此，C2H2在變壓器故障判別中具有重要地位，實(shí)現(xiàn)變壓器油中C2H2的在線監(jiān)測，能為變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行提供重要參考信息。

油中溶解氣體檢測主要有氣相色譜法、光聲光譜法以及可調(diào)諧二極管激光器吸收光譜法（tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS）。氣相色譜法測量穩(wěn)定可靠，應(yīng)用廣泛，但取樣過程中易受污染，消耗載氣，須定期更換色譜柱。光聲光譜法通過采集氣體分子躍遷產(chǎn)生的光聲壓力波進(jìn)行體積分?jǐn)?shù)測量，測量精準(zhǔn)，無須消耗載氣，但抗干擾能力弱，難以適應(yīng)變壓器現(xiàn)場高電磁干擾的環(huán)境[6-7]。TDLAS 利用可調(diào)諧激光器的波長可調(diào)諧、譜線寬度窄、相干性好等特性，掃描被測氣體吸收譜線，從而實(shí)現(xiàn)氣體體積分?jǐn)?shù)的測量，具有測量快速精準(zhǔn)、靈敏度高的特點(diǎn)。本文以波長1 532 nm 的DFB 激光器作為檢測光源，研制了變壓器油中C2H2在線監(jiān)測裝置。該裝置實(shí)具有自動取油、油氣分離、TDLAS 測量、回油以及告警功能，可在高溫潮濕強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中正常工作，為變壓器提供自動化C2H2體積分?jǐn)?shù)檢測。

1 TDLAS 檢測原理

在被測氣體中射入一束激光，當(dāng)激光波長與氣體的吸收譜線相同時，氣體吸收激光能量，造成出射激光強(qiáng)度衰減[8]。衰減過程可由比爾-朗伯定律描述。

式中：I0為入射光強(qiáng)；I(ν) 為出射光強(qiáng)； α(ν) 為吸收系數(shù)；C為被測氣體體積分?jǐn)?shù)；L為光程長度。

波長調(diào)制技術(shù)增強(qiáng)了抑制背景噪聲能力，提升了測量靈敏度。在激光器的低頻鋸齒掃描信號中注入高頻調(diào)制正弦波，將波長的檢測頻率由低頻提升至高頻，再利用鎖相方法技術(shù)提取高次諧波，用于體積分?jǐn)?shù)計(jì)算[9]。調(diào)制后的激光器瞬時頻率 ν(t) 為：

式中：a為調(diào)制幅度； ν0為激光器掃描頻率；f為調(diào)制頻率。在痕量氣體檢測時，氣體體積分?jǐn)?shù)極低，因此 α(ν)CL遠(yuǎn)小于1，則I(ν) 可表示為：

將式（2）代入式（3），并進(jìn)行傅里葉級數(shù)展開：

式中：An(νc) 為諧波分量，可由鎖相放大器計(jì)算；θ=2πft。

由式（4）可知，光程長度L、體積分?jǐn)?shù)C均與諧波分量An成正比。在調(diào)制幅度a遠(yuǎn)小于吸收線寬時，對式（4）進(jìn)行泰勒級數(shù)展開：

由式（5）可知，諧波幅值隨著諧波次數(shù)增加而快速減小。一次諧波具有最大的幅值，在頻率 ν0處過零點(diǎn)，并且關(guān)于零點(diǎn)奇對稱。二次諧波在偶次諧波中具有最大幅值，關(guān)于頻率 ν0偶對稱，并在對稱點(diǎn)的幅值達(dá)到最大，有利于氣體吸收峰定位。因此，選擇二次諧波作為體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算依據(jù)[10]。

2 裝置結(jié)構(gòu)

基于TDLAS 檢測技術(shù)原理，設(shè)計(jì)了變壓器油中C2H2在線檢測裝置。結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由油氣分離單元、DFB 激光器驅(qū)動單元、氣體吸收池、鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)構(gòu)成。工控機(jī)是系統(tǒng)中樞，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各模塊之間的動作，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)

脫氣效果是檢測穩(wěn)定精準(zhǔn)的基礎(chǔ)。油氣分離單元注油時，先將裝置空腔內(nèi)部抽至負(fù)壓狀態(tài)，有利于油中溶解氣體析出。注油后開啟加熱棒與攪拌器，利用高溫與攪拌促進(jìn)油氣分離。在壓力表檢測到裝置內(nèi)部空腔壓力不再變化時，油氣達(dá)到平衡狀態(tài)，油氣分離完成。

激光器驅(qū)動單元包括鎖相放大器、硬件驅(qū)動電路與DFB 激光器。鎖相放大器產(chǎn)生掃描鋸齒信號與高頻正弦信號疊加的調(diào)制信號，另一方面產(chǎn)生解調(diào)的參考信號，如圖2 所示。硬件驅(qū)動電路將調(diào)制信號轉(zhuǎn)換為電流信號，控制激光器波長在一定范圍內(nèi)掃描，并提供電流過載保護(hù)。

圖2 調(diào)制信號

激光器發(fā)射的調(diào)制激光在懷特池中被C2H2吸收后，激光強(qiáng)度得到衰減，信號中出現(xiàn)凹陷。光電探測器接收到激光信號后轉(zhuǎn)換為電信號，并傳回至鎖相放大器解調(diào)為二次諧波。數(shù)據(jù)采集卡采集二次諧波，傳輸至進(jìn)行工控機(jī)進(jìn)行體積分?jǐn)?shù)計(jì)算。同時，數(shù)據(jù)采集卡采集系統(tǒng)內(nèi)部空腔壓力、油位、油溫等系統(tǒng)控制參數(shù)，實(shí)時監(jiān)測裝置內(nèi)部測量環(huán)境變化。

裝置選取C2H2在波長1 531.6 nm 附近的吸收譜線，采用中心波長為1 532 nm 的N 型DFB 激光器，氣體吸收池采用懷特池。變壓器油中溶解的其余氣體在1 531.6 nm 附近無明顯吸收，不會對C2H2測量產(chǎn)生干擾，保證了選取譜線的單峰性。DFB 激光器的造型小巧，發(fā)光的線寬小，功率大，提取譜線更加精準(zhǔn)。裝置的檢測下限與懷特池光程成反比，光程越長，檢測下限越低。為防止懷特池體積過大，懷特池內(nèi)部通過鏡面反射增加光程，從而實(shí)現(xiàn)降低檢測下限目的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 氣體測試

在進(jìn)行氣體測試前，先對裝置進(jìn)行標(biāo)定，建立二次諧波與體積分?jǐn)?shù)的對應(yīng)關(guān)系。為進(jìn)一步提升二次諧波的信噪比，對所測得二次諧波進(jìn)行積分梳狀濾波，降低采樣過程中的噪聲干擾。裝置采用100 ×10-6的乙烷、99.999% 的氮?dú)庖约案呔扰錃鈨x配置10 × 10-6、20 × 10-6、50 × 10-6、80 × 10-6、100 ×10-6的氣體進(jìn)行標(biāo)定。在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，記錄的二次諧波如圖3 所示。

圖3 二次諧波

通過計(jì)算二次諧波吸收峰的峰谷值，完成體積分?jǐn)?shù)與二次諧波之間的擬合，如圖4 所示。計(jì)算得線性擬合的R2值為0.999 8，說明裝置對C2H2具有良好的線性響應(yīng)。

圖4 不同體積分?jǐn)?shù)與二次諧波的擬合關(guān)系

C2H2是最為重要的故障標(biāo)志性氣體，低體積分?jǐn)?shù)C2H2的出現(xiàn)即表示變壓器可能出現(xiàn)故障，須要擇機(jī)檢修。所以針對變壓器油中溶解C2H2的測量系統(tǒng)必須在低體積分?jǐn)?shù)具有極好的穩(wěn)定性，既要能準(zhǔn)確識別氣體體積分?jǐn)?shù)，又要防止虛高誤報(bào)，造成不必要的損失。裝置C2H2氣體測量時間約為30 s，本文設(shè)計(jì)了C2H2體積分?jǐn)?shù)為2 × 10-6的24 h 連續(xù)測量實(shí)驗(yàn)，累計(jì)測量2 880 次。部分測量結(jié)果如圖5所示。

圖5 低體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定性測試

在連續(xù)24 h 的C2H2測試中，變化范圍為2.2～1.90，隨著時間而成微弱的下降趨勢。測試結(jié)果穩(wěn)定可靠，無明顯異常增大與減小。

3.2 油樣測試

為進(jìn)一步評估變壓器油中C2H2在線監(jiān)測裝置對油中C2H2的靈敏度，分別配置了體積分?jǐn)?shù)為0.5 ×10-6、2 × 10-6、5 × 10-6、10 × 10-6、25 × 10-6的油樣各3 分進(jìn)行測試。測試結(jié)果如表1 所示。

表1 不同體積分?jǐn)?shù)油樣測量結(jié)果

在所測樣本中，體積分?jǐn)?shù)測量絕對誤差均在1 ×10-6以內(nèi)，相對誤差均小于30%，滿足 Q/GDW 10536—2021《變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范》關(guān)于少組分裝置測量的A 類要求[11]。在體積分?jǐn)?shù)為0.5 × 10-6的油樣測試中，測得二次諧波如圖6 所示，氣體吸收峰明顯高于周邊噪聲干擾，說明本裝置可精準(zhǔn)檢測更低濃度的油樣。

圖6 0.5×10-6 油樣二次諧波

4 結(jié)束語

本文分析了TDLAS 與WMS 氣體檢測原理，采用動態(tài)頂空恒溫脫氣法，研制了變壓器油中C2H2在線監(jiān)測裝置。裝置從取油到測試完成，無需人工操作，用時為25 min 左右，少于傳統(tǒng)色譜檢測所需時間。測試結(jié)果表明，該裝置在油中溶解C2H2體積分?jǐn)?shù)大于2 × 10-6時，相對誤差小于1%，測量穩(wěn)定可靠、精度高，實(shí)現(xiàn)了變壓器油中溶解C2H2的全天候監(jiān)測。