电力变压器油多组分气体检测及交叉干扰特性研究

方 祺，瞿殿桂

(国网上海市电力公司青浦供电公司，上海 201700)

油浸式电力变压器作为电网中最关键且昂贵的设备，通常被公认为是电力系统的“核心”。变压器油作为变压器正常运行的重要介质，在绝缘、冷却、灭弧等方面起着重要作用[1-3]。变压器运行周期内任何时期的意外故障都会导致严重的后果。为了决定何时、以何种方式维护电力设备，基于状态监测的维护策略已被普遍认可[4-5]。其中，变压器油中溶解气体分析技术已成为变压器故障诊断最有效的方法[6-8]。

国内外学者相继提出了各种检测变压器油中溶解气体的技术并予以实施。气相色谱分析法主要用于实验室的定量测量和离线常规测试[5,9]，该方法可检测多种气体组分，但需消耗载气和定期更换色谱柱，无法满足变压器运行状态在线监测的要求。在线气体探测器主要有物理/化学技术和光学方法两类。一般来说，物理/化学气体探测器包括导热探测器、火焰电离探测器、半导体探测器、电化学探测器、催化燃烧探测器、钯栅极场效应晶体管探测器、阵列气体传感器等[10]。这些探测器的制造工艺相对成熟，大批量生产成本较低。由于物理/化学探测器的长期稳定性相对较差，定期更换和校准将增加操作和维护的工作量。此外，大多数物理/化学技术都依赖于外部载体气体。随着相关技术的发展，固体氧化物燃料电池传感器[11]、碳纳米管传感器[12]和纳米金属氧化物半导体传感器[13]已被提出和研究，部分探测器的性能得以提升。但存在易老化、易饱和、电磁兼容性、杂质污染等问题，需要在今后的研究中加以考虑。

光声光谱技术以测量和抗电磁干扰的优势进入在线溶解气体分析技术领域。基于光声原理的光声光谱学器件已开发并应用[14-15]。经验证，光声光谱技术可在不消耗故障气体的条件下进行多组分气体检测[16-17]。光声光谱技术容易受到许多因素的影响，如噪声、入射激光功率和温度，特别是在实际应用中难以消除和控制大量的噪声源，降低检测灵敏度。已有多位学者相继开展了光声光谱气体检测相关技术的研究。文献[18]基于激光拉曼光谱对变压器溶解气体进行了光学检测。基于傅里叶变换红外光谱，文献[19]利用算法增强了测量能力。虽然具备高灵敏度，但组件的复杂脆弱性并不适合实际现场应用。此外，尝试用纤维布拉格光栅(FBG)检测溶解气体中的氢元素[20]，但由于缺乏相应的传感材料，它不适用于检测烃类气体。为了解决目前光声光谱技术的问题，提出了可调二极管激光吸收光谱技术来完成甲烷和乙炔检测[21]，具有实时检测、信噪比高、可靠性高、无样品、无损检测等优点。如只有单组件检测，很难满足实际需求[14,22]。特别是，在线溶解气体分析(On-line Dissolved Gas Analysis，简称DGA)中，多组分气体的检测分析信息对于诊断绝缘油的确切状态至关重要。

本文基于可调二极管激光吸收光谱原理，研究一种多组分气体(甲烷、乙烯、乙烯、乙烷)光学检测系统，分析待测气体之间交叉干扰的定量关系并通过理论结合试验验证。

1 可调二极管激光吸收光谱检测原理

1.1 可调二极管激光吸收光谱技术

不同于直接吸收光谱的方法，可调二极管激光吸收光谱技术通过可调谐扫描二极管激光源测量高分辨率目标光谱区域。由于不同气体的振转吸收线位于特定的光谱带上，根据Beer-Lamert吸收定律，入射/发射强度的变化与激光束的路径和特定波长内气体的浓度有关，忽略了散射和反射过程。激光输出和气体浓度的量化表达式由式(1)[23]给出。

(1)

指数项可以看作是气体的吸光度系数，与特定温度和压力下的谱线强度成线性相关，

(2)

气体介质的管线强度极弱(10-5～10-7)，因此将传输强度计算为

(3)

探测器接收到的光强信号与大量的背景噪声信号混合，因此不利于直接测量浓度。激光束与驱动电流成正比，为了实现所传输信号的谐波调制，采用了激光器注入电流的余弦调制，

ΔIcosωt→(I0+ΔIcosωt)(1-δ)

(4)

(5)

式中Hn——n个谐波调制系数傅里叶分量的阶数，在nω的频率下，可以通过锁定放大器检测到。

则，传输强度：

(6)

由此可以建立气体浓度与谐波信号之间的关系。对于高阶谐波分量的振幅，二次谐波信号(2f)易于检测和计算[24-25]。信号处理情况如图1所示。

当光道中没有吸收待测气体时，光电探测器(PD)输出与可调激光光源的调制强度成正比，如图1(a)和(b)所示。一旦存在目标待测气体，在PD检测周期中会出现吸收区域，而吸收信号很容易通过锁定放大器获得，如图1(c)和(d)所示。由于激光器的输出强度随注入调制电流的变化而变化，图1(e)中的2f谐波信号实际上在中心位置附近是不对称的。

图1 TDLAS信号处理图

1.2 多组分气体系统的建立

一个典型的可调二极管激光吸收光谱检测硬件系统主要由光源及其驱动单元、气体单元(吸收光路)、光电探测器、控制装置和DAQ设备组成，如图2所示。可调二极管激光吸收光谱系统在检测工业气体等应用中已相对成熟。但考虑到多组分气体的测量、交叉干扰、高灵敏度要求和实际应用的振动干扰，不能直接应用于电力变压器的在线溶解气体检测。

图2 典型TDLAS系统中的主要硬件

为了分析烃类多组分气体检测系统的影响因素，分别考虑了单组分检测和多组分切换部分。对于单个气体检测，该检测与气体吸收强度、交叉灵敏度和噪声水平密切相关。其中，吸收强度由吸收系数和光路决定，最终取决于激光源和气体电池。烃类气体检测系统的影响因素如图3所示。

图3 烃类气体检测系统的影响因素

为了实现多重气体的检测和提高测量效果，需要解决3个问题。

(1) 激光源。为了提高单组分气体检测的选择性，避免碳氢化合类气体的交叉干扰，应选择高性能、窄线宽的激光光源。

(2) 气室。为了提高激光束的有效吸收，长光程气室的设计和集成至关重要。同时，与光学平台上的实验室测试不同，在实际应用中应考虑振动问题。

(3) 切换拓扑。由于多种碳氢气体采用多种激光器，因此应独立控制各激光源的输出和温度，以避免相互干扰。使用光开关或耦合器是一种通过分时策略将多个光纤通道合并为一个光纤通道的方法。

2 TDLAS系统的试验装置

2.1 光学激光器

在可调二极管激光吸收光谱检测系统中，激光不仅是一个光源，而且是光谱细分的保证。这要求激光器的光谱宽度远小于吸收峰的宽度，如图4所示。

图4 吸收线选择示意图

可采用快速调谐(高于1 kHz)来获得整个吸收峰的信息。关于光源的选择，本研究还考虑了以下问题。

(1) 传输带。基本气体吸收条带一般位于中红外区域。使用中红外激光器具有较高的检测灵敏度。然而，不同的气体有不同的吸收峰，使系统复杂、昂贵，难以集成。近红外激光器可以在室温下工作，可以覆盖各种吸收波段，但气体吸收强度较弱。长路径吸收单元和波长调制光谱技术可用于提高检测灵敏度。因此，首选近红外区域(由ASTMNIR工作组定义为780～2 526 nm)。近红外光纤传输损耗相对较低，特别是光电信频带(O带：1 260～1 360 nm；E带：1 360～1 460 nm；S带：1 460～1 530 nm；C带：1 530～1 565 nm；L带：1 565～1 625 nm；U带：1 625～1 675 nm)，如图5所示。本研究重点关注了电信频带中的吸收线。

图5 4种烃类气体的吸收波长分布

(2) 中心波长。在吸收线的选择中，主要考虑2个因素：一个是吸收线的强度；另一个是避免变压器油中溶解的气体线之间的相互干扰。例如，E波段代表水峰区域，将不会选择这个波段的波长。因此，选择了以下中心波长：甲烷1 653.72 nm，乙炔1 530.37 nm，乙烯1 620.04 nm，乙烷1 679.06 nm。

(3) 线性宽度。激光器的线宽是表示光谱宽度(通常是半最大值的全宽FWHM)的参数。首选线宽极窄、单色度高的激光器。

(4) 光学输出。低光输出不利于吸收，使用了微波电平激光器。

(5) 激光器类型。选择分布式反馈激光器，其具有更好的动态单稳定性、低噪声操作、体积小等优点。

2.2 多通气室

在微量气体检测中，可调二极管激光吸收光谱检测系统的光道设计对系统的性能有很大的影响。Beer-Lamert定律表明，对于某一气体，气体吸收与气体浓度引起的信号衰减呈正相关。通过增加光路，可以有效地提高衰减信号的强度。因此，需要具有高灵敏度的长光路气室。

传统的多反射长气程气室主要包括Herriott气室和White气室。与White气室相比，Herriott气室只有两个球面镜，光学系统相对简单。长光路气室的设计可以在短距离内实现，并且其光路易于调整。它的孔径角小于White气室。本文将Herriott气室作为首选。当气室内的环境温度和气体压力变化时，待测气体的光谱宽度和振幅会发生变化，导致测量气体浓度出现偏差。此外，气室的振动在现场应用中是不可避免的。因此，有必要设计一个专门的Herriott电池，将温度、压力和振动等因素考虑其中。

为了控制环境参数，气室使用压力和温度传感器。真空脱气是油气分离的一种有效技术，预计气室内的压力将低于正常大气。将霍尼韦尔19真空仪表系列传感器安装在气体电池上，与316不锈钢兼容。特殊的真空表系列传感器是专门为真空暴露的应用设计的。此外，温度传感器和加热带用以保持温度的稳定。

为了减少振动的影响，必须保持光学器件的相对固定。通过机械连接将PD、准直器和气室作为一个整体，从气室到真空泵使用柔性管道来避免振动。

本研究开发了一个定制的Herriott气室。在0.34 m机械长度内实现10.13 m的光程，如图6所示。

图6 特殊的长路径Herriott气室的结构视图

气室的详细参数如表1所示。

表1 专用Herriott气室的技术参数

2.3 多组分气体检测拓扑结构

碳氢气体的中心波长不同，需4个单独控制的激光器。使用4个热电控制器模块和FPGA板来独立驱动和控制。热电控制器模块是为了保持激光的温度稳定性，FPGA是为了精确控制激光的输出并记录测量数据。由于4个激光器的波长彼此接近，因此单个气室的波长更有利。这意味着有4个入射光和一个输出光，因此必须通过光耦合器或光纤开关将激光通道依次切换到Herriott气室。

在相同的条件下，比较了两个光学元件的效果，如图7所示。选择光纤开关，因光纤开关具有更好的信噪比性能。

图7 光耦合器与光开关的比较

基于可调二极管激光吸收光谱的烃类气体检测系统的配置如图8所示。整个系统由光源控制单元、激光发射和接收单元、气体电池和气体路径、数据采集单元4个部分组成。所述光源控制单元包括4个FPGA模块、4个热电控制器模块、4个分布式反馈激光器和一个光学开关。

图8 变压器油中烃类气体的TDLAS系统配置

光源控制单元实现光源的调制输出。光发射/接收单元包括光纤准直器和光电探测器，完成光源的准直输出和光强度检测。气室和气体路径单元包含专用的Herriott单元、进气管、出口管、压力/温度传感器、辅助温度控制模块等。数据采集单元主要包括锁定放大器、前置放大器、数据采集装置NI-USB-6341和计算机，完成谐波信号的采集、记录和气体浓度反转。为了提高系统的集成和稳定性，调制信号发生器、控制器、前置放大器和锁式放大器都集成在单个FPGA集成板上。

基准正弦波(1f调制)频率设置为31.4 kHz，以避免低频噪声。因此，基于FPGA的2f解调的频率为62.8 kHz。

3 结果和分析

3.1 试验装置测试

用所设计的试验装置对甲烷、乙炔、乙烯和乙烷光谱吸收的测量，以确定其检测灵敏度。选择化学性能稳定、无光谱吸收的氮气(N2)作为平衡气体。利用质量流量控制器获得不同浓度的碳氢化合物气体，如50，100，200 μL/L和500 μL/L。将混合气体分别通入专用的Herriott气室中。

通常，吸收光谱的2f信号(以甲烷为例)如图9所示。

图9 甲烷的典型吸收光谱

由图9可见，出现残余振幅调制现象，峰峰电压值反映了吸收强度。

不同浓度的甲烷、乙炔、乙烯、乙烷的峰峰电压值及其之间的线性关系如图10至图13所示。峰峰电压值是传感装置检测到的二次谐波电压的峰值，各气体浓度单位为μL/L。拟合曲线表明，该传感器具有良好的线性度和灵敏度。以甲烷测量为例，甲烷浓度增加100 μL/L，电压增加0.086 V。

图10 不同浓度下甲烷的2f信号

图11 不同浓度下乙炔的2f信号

图12 不同浓度下乙烯的2f信号

图13 不同浓度下乙烷的2f信号

为了研究各种气体的检测性能，必须考虑噪声水平和信噪比。对于气体检测，噪声振幅控制在mV水平。因此，甲烷和乙炔的检测灵敏度达到1.2 (μL/L)/mV分别和0.4 (μL/L)/mV。乙烯和乙烷的检测灵敏度分别为2.0 (μL/L)/mV和2.86 (μL/L)/mV。

高线性度和高灵敏度证明了所提出的基于可调二极管激光吸收光谱的多组分气体检测系统的有效性。特别在检测乙炔(高强度放电指示气体)灵敏度最高，有助于发现电力变压器的早期故障。

3.2 交叉干扰测试

首先，对烃类气体的互相交叉干扰情况进行分析。依次分别用甲烷、乙炔、乙烯、乙烷代替氮气作为平衡气体通入气室中，与用氮气作为平衡气体时的测试结果进行对比，如图14所示。

图14 烃类气体互相干扰情况

从图14(a)可以看出，乙炔(C2H2)对甲烷(CH4)具有明显的干扰，对乙烷(C2H6)的干扰较小，对乙烯(C2H4)几乎没有干扰。从图14(b)可以看出，乙烯对其他3种气体的干扰都很小。从图14(c)可以看出，乙烷对乙炔跟甲烷的干扰很小，对乙烯几乎没干扰。从图14(d)可以看出，甲烷对其他3种气体的干扰几乎没有。

其次，考虑到变压器实际运行时CO2的含量通常在500～10 000 μL/L，向气室通入3 000 μL/L的高浓度CO2气体，分别测量4种烃类气体受到其干扰的情况。试验结果如图15所示。由图15可以看出，CO2对4种烃类气体的干扰都较小。

图15 CO2对烃类气体的干扰情况

最后，为了研究水气对烃类气体的干扰情况，通入10 000 μL/L的饱和盐溶液与高纯度氮气混合气体，得到的测量结果如图16所示。由图16可以发现，水气对甲烷的干扰尤其明显，对其他3种气体的影响较小，可以忽略。

图16 测量结果

4 结语

(1)本文研究了一种基于可调谐二极管激光吸收光谱原理的光学技术，该技术可对电力变压器油中的多组分故障气体进行在线实时监测。

(2)区别于单组分测量，本文研究了光源、长路径气体气室以及拓扑结构3个核心技术问题，分析确定了碳氢气体的特定中心波长：甲烷(1 653.72 nm)、乙炔(1 530.37 nm)、乙烯(1 620.04 nm)和乙烷(1 679.06 nm)。

(3)本文设计了一种光学集成0.34 m的气室，可以减少实际应用的振动效应。此外，在光开关的作用下实现了多种气体的分时向性。由试验结果表明，甲烷、乙烯和乙烷的检测灵敏度分别为1.2，2.0 (μL/L)/mV和2.86 (μL/L)/mV。特别是临界故障气体乙炔的灵敏度高达0.4 (μL/L)/mV。在此基础上研究了多组分气体交叉干扰特性，可为光谱多组分气体检测的修正给出了参考。