基于恒功率调谐式激光吸收光谱的变压器运行状态在线监测系统研究

陈黎军，许晨进，王 维

（1.国网江苏省电力有限公司无锡供电分公司，江苏无锡214000；2.南京师范大学电气与自动化工程学院，江苏南京210046）

0 引言

变压器作为支撑智能电网输变电环节的关键设备，一旦发生故障将会对发电厂乃至电力公司及用户造成巨大损失，变压器工作状态监测的传统手段主要采用通过信号调理电路提取特征电能参数的方法，实现变压器故障诊断功能［1-2］，但上述测量方式需加装在变压器内部，且灵敏度低，操作过程烦琐，不利于变压器运行状态的实时监测，因此，具备非接触式测量特性且响应速度快的监测方式亟待解决。

光谱测量灵敏度和时空分辨率高，非接触式测量技术使变压器状态监测不再受变压器体积，高温等制约，其中激光光谱技术作为光谱测量技术的迭代革新技术，具有良好的单色性、时空相干性、方向性。

由于油浸式变压器的工作机制，变压器运行缺陷时将会产生碳氢化合物或碳氧化合物，如CO，CO2，H2，C2H4，C2H2，C2H6等故障气体，并且不同故障类型下产生的气体浓度比例各异，因此在对变压器运维过程中可以根据气体浓度指标进行故障定位或溯源。其中变压器运行过程中故障类型与形成的气体的对应关系如表1所示，这也为激光光谱诊断技术在变压器在线运行状态监测中的应用研究提供了依据［3-5］。

激光光谱主要包含激光吸收光谱、激光荧光光谱和激光拉曼光谱等，其中激光拉曼光谱直接用于变压器微量气体检测时，由于待测容器存在拉曼散射光从而导致气体检测准确性不足。激光荧光光谱诊断技术主要针对流场结构特点和区域气体浓度的相对变化，难以获取特定区域气体浓度。激光吸收光谱测量技术测量精确度与稳定性高，系统响应速度快，其中激光光声光谱气体检测技术是间接式激光吸收光谱检测技术的一个重要分支，但是该检测技术中光声信号对温度和压力等因素比较敏感且光声转换过程烦琐精确度不高，声波重叠信号之间存在干扰问题［6-7］。

表1 不同故障类型产生的气体

本文提出一种可调谐式激光吸收光谱变压器故障诊断技术，抗干扰能力强，测量精确度高，重组能力强，能够基于新型分布式反馈半导体激光器实现激光光源波长可调谐，且输出功率稳定。通过集成数据传输模块，满足发电厂监控终端对变压器实时监测需求，掌握变压器实时运行状态，为发电厂输变电设备安全稳定运行提供保障。

1 可调谐式激光吸收光谱气体组分检测模型

1.1 激光吸收光谱气体组分检测

基于比尔-朗伯定律的激光吸收光谱技术广泛适用于变压器故障状态溶解气体组分检测，检测过程如下，激光器发射特定波长且强度为I（f）的激光束线穿过待测气体的容器，该容器光学程长为L，激光被待测气体吸收，X为气体吸收分子的组分浓度，出射光强度发生衰减成I1（f），其衰减情况可表示为：

对上式两边取对数得：

式中，f为激光频率，α（f）为谱线的线强度，φf为线性函数，P为大气压强。由此可见，气体组分浓度越大，吸收的激光能量越多，激光衰减度越高，且可以通过测量出射光与入射光的非线性关系得到气体浓度。其中α（f）表现为不同类型的气体对激光强度的剥削程度，其大小取决于被测气体种类与试验温度，结合光谱数据库可得到该数值。

传统直接吸收光谱技术操作简单，可以直接测量气体组分浓度和压强绝对值，但是采用该技术测量变压器中溶解的痕量气体时，微量气体识别度与灵敏度不高，为了提高变压器运行状态在线监测水平，增加激光吸收光谱技术灵敏度与准确度，本文在传统直接激光光谱吸收技术上加入激光器入射光载波调制技术，其结构示意图如图1所示。

图1 激光吸收光谱检测系统示意

由图1可知，变压器异常运行时溶解气体激光吸收光谱检测系统主要由激光器与探测器形成信号收发单元，探测器接收由激光器发出的定频率且方向恒定的衰减入射光。计算机与锁相放大器形成信号处理单元，锁相放大器通过探测器输入的电信号将解调信号反馈给计算机识别处理。长光程吸收池作为激光光谱吸收单元通过光线在待测气体中连续反射可明显提高试验精度，大镜面M与小镜面N1、N2曲率半径相同，入射光在镜面间多次反射提高光程，有效增加测量灵敏度。为了精确测量气体类型及组分，可从激光激励源切入，波长可调谐激光器在下文进行分析。

1.2 波长可调谐分布式反馈半导体激光器

根据上述分析，测量某一气体时，激光器所发出的入射光频率需满足待测气体的谱线要求，由于传统激光器只能发出定频率的入射光，变压器故障时典型气体的谱线不同，实际测量时需要更换不同的激光器实现不同气体浓度的测量，这给应用在变压器运行缺陷中的激光光谱吸收技术的实际操作带来巨大不便，考虑变压器运行缺陷时典型溶解气体谱线信息，本文提出一种新型波长可调谐式分布式反馈半导体（Distributed Feedback Laser，DFB）激光器，通过调整激光器入射光的相关气体对应的中心波长，实现待测气体组分高精度测量，其中变压器运行缺陷时所涉及的典型溶解气体对应的DFB中心波长如表2所示。

DFB激光器基于高精度电流与温度可实现宽带波长调谐，调谐方式简易可控。DFB激光器内部存在光栅层与有源层，光栅层实现更宽的波长调谐范围，有源层即半导体增益介质，当波长满足布拉格反射定律时可在DFB激光器中发生反射，可表示为：

式（3）中：m为整数，λBragg是布拉格波长，neff是有源区有效折射率实部，Λ为光栅周期，上式转化为：

式（4）中：Δn为有效折射率变化量，Δλ为相应波长变化量。输入电流的变化导致有源区内载流子浓度变化，从而影响Δn，波长也随之改变，Δn也与激光器工作温度相关，因此根据式（4）可以说明通过电流或温度均可调节DFB激光器有效折射率，继而实现波长调谐。

值得注意的是，DFB激光器进行波长调谐时输出功率也会发生改变［8］，其变化量可能会超过待测气体对光强的吸收，引起气体组分及浓度的测量误差，定义阈值电流为DFB激光器激发输出光功率从零值开始变化的最低电流，当温度增加时导致载流子扩散能量增加，系统增益降低，为了达到阈值电流需扩大输入载流子，具体特征表现为温度增加引起阈值电流增大，该阈值电流Ith与温度存在如下关系：

表2 变压器运行缺陷时典型溶解气体中的DFB中心波长值

式（5）中：I0为已知温度T0下阈值电流，T为Ith对应的温度变量。室温环境下DFB激光器输出光功率随温度与电流的变化趋势如图2所示。

图2 电流和温度的变化曲线

由图2（a）可知，当电流值大于阈值电流20 mA时，激光器输出光功率随电流几乎呈线性正相关，由图2（b）可知，随着温度的增加，输出光功率呈单调递减趋势，最大和最小输出功率分别为8.5和6.1 mW。根据输出光功率随电流或温度单调特性，通过波长关键调谐因子对输出光功率稳定控制方法分析，调节恒定输出功率下电流或温度参量，提出一种基于波长可调谐技术DFB激光器的功率稳定控制策略，进一步提高系统测量精度。具体控制策略如图3所示。

图3 波长可调谐DFB激光器功率稳定控制模块

波长可调谐DFB激光器功率稳定控制模块由微处理器、电源模块、高精度温控模块和电流驱动电路、功率检测单元、A/D和D/A转换模块组成。微处理器实时计算试验温度下的阈值电流和输出光功率对电流或温度的近似定量线性关系，存储变压器运行缺陷时典型溶解气体中的DFB中心波长值和恒定输出功率值等信息。功率稳定控制策略主要分为两种方式，即温控电路调谐结合电流驱动稳定功率和电流驱动调谐结合温控电路稳定功率。通过调节激光器温度的D/A转换模块调节激光器温度（电流）实现波长调谐，输出功率经功率探测单元转换成电压信号经A/D转换模块输入微处理器识别，继而微处理器经A/D转换通过微调DFB激光器驱动电流（温度），在实现宽带调谐的基础上实现输出光功率稳定控制，电源模块为上述功率稳定控制模块提供多等级能量。

2 变压器运行状态在线监测系统

为了加强发电厂对变压器运行状态的监控力度并提高信息可视化程度，对变压器运行和健康状态实时监测，基于可调谐激光吸收光谱技术重点监测油中溶解气体组分及浓度信息，实现发电厂监控终端与变压器本体运行状态的近场实时通信，保障变压器正常运转。变压器运行状态故障监测系统如图4所示。

图4 变压器运行状态在线监测系统结构示意

变压器的运行状态实时在线监测系统由变压器本体，油气转化单元，激光吸收光谱检测单元与状态监测单元组成，各单元功能具体介绍如下。

2.1 油气转化单元

当变压器运行状态异常时，溶解在绝缘油中的气体成分及浓度无法直接被测量，因此采样绝缘油经进油阀流入油气采样模块，在油气分离模块中通过搅拌变压器绝缘油降低气体溶解度，采用溶解平衡法对油内气体采取油气转化操作［9］，将溶剂气体转化为气相气体后充入检测容器进行测量与分析，根据平衡原理得到油相与气相气体浓度的转换公式，具体表示为［10］：

式中，Cio为气相中气体浓度，t为试验温度，Pa为油室压强，P0为标准大气压强，Cig为油相中气体浓度，Ki为试验温度下的奥斯特瓦尔德系数，Vg为平衡气体体积，Vo为油样体积。

2.2 激光吸收光谱检测单元

激光吸收光谱单元由气体进出模块与组分测量模块组成，气体进出模块控制待测气体的进出，在气体组分测量模块中，对于关键溶解气体H2的谱线信息HITRAN数据库中暂未收录，无法调节对应中心波长的激光器，因此，H2通过氢气传感器测定，其他变压器运行缺陷典型溶解气体由上述激光吸收光谱测定。

2.3 状态监测单元

状态监测单元的主要作用是控制油气转化单元与激光吸收光谱检测单元，监测数据通信管理。由于油浸式变压器的特殊地理位置，其实时运行状态信息可采用近场通信ZigBee模块传递给操作人员，实现与发电厂后台数据交互，该模块具备成本低、功耗低、延时低、安全性高、通信效率高等优势，并能促成各传感器之间的相互通信，进一步推动智能电网的发展。

3 结语

恒功率调谐式激光吸收光谱作为一种变压器运行缺陷油中溶解气体在线监测技术，相比于其他激光光谱技术存在诸多优势：结构简单，灵敏度高，系统响应速度快，无须根据气体波段更换相应激光器，针对性对变压器故障气体在线监测，减少运维成本。通过对变压器运行缺陷时典型溶解气体实时在线监测，增加输变电设备工作中的预警机制，提高了变压器运行可靠性与安全性，具有重要的经济效益与社会效益。