变压器油中气体拉曼光谱光纤增强检测实验研究

钱国超，彭庆军，彭惠

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217，2.云南变压器电气股份有限公司，云南 昆明 650100）

0 前言

变压器的安全稳定运行是电网正常工作的重要保障，变压器油作为变压器的“血液”，起到绝缘、散热、消弧等作用[1-2]。为了实现对变压器运行状态的在线监测，最常用的方法就是对变压器油中溶解气体的监测诊断。当电力变压器出现包括放电、过热或老化在内的故障时，绝缘材料会分解产生相应的特征气体，通 常 包 括H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO、CO2这七种特征气体[3-6]。现阶段油中溶解气体的监测主要是气相色谱法，它的主要流程包括取样、脱气、色谱仪分析和数据处理四个部分。它的局限性在于色谱分析只能在实验室进行，且不能实现连续的在线监测，同时灵敏度较为有限[7-9]；而红外吸收光谱法[10-12]和光声光谱法[13-16]虽无需色谱柱，能实现混合气体的直接分析，但检测准确度有待提高，且每种待测气体都需一个特定波长激光来实现气体的有效检测。

光纤增强技术通过提高待测气体与激光有效作用长度及拉曼散射光子的收集效率，提高了气体拉曼检测灵敏度，为基于拉曼光谱技术的变压器老化监测及故障诊断打下了良好的基础。空芯光子带隙光纤（HC-PCF）已成为痕量气体传感领域的领先技术，显示出进一步提高灵敏度的潜力[17-19]。这种具有低波导损耗特性的新型光纤可以实现激光与拉曼活性气体分子的长期光学相互作用。目前引入临床诊断领域最先进的基于光纤的非侵入性和无痛多组分呼吸传感器拉曼光谱装置，其检测限＜100 ppm[20]，是一种很有前途的新方法。然而，浓度水平为几个ppm甚至更低浓度的有机化合物（例如CH4，H2，13CO2或C3H6O）的基于拉曼的检测亚ppm在气体成分分析中尚未建立。

1 最佳光纤长度

针对7种变压器油中溶解故障特征气体H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6进 行拉曼光谱检测。以H2为例，检测的实测结果如图1所示：

图1 H2拉曼光谱图

CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6这六种故障特征气体与H2同理，其拉曼谱峰及特征峰总结如下表：

表1 谱峰对应的气体及7种气体特征拉曼谱峰

测得了7种变压器油中溶解故障特征气体的拉曼光谱特征峰频移(cm-1)。转换为国际标准单位(m-1)后，根据公式可得对应波长(m)：

其中ω是不同气体特征峰的波数(cm-1)，l0是激光波长532nm，λ1是不同气体的拉曼光的波长(nm)。

计算出不同气体的w后，根据所用光纤HC-580-02的典型衰减和散射曲线，找出对应波长的衰减值a(dB/m)。随后将a带入式、计算前向拉曼散射和后向拉曼散射的值，并绘出最大有效光纤长度和前向、后向散射强度的关系图。

其中单位为m-1的αL和αR表示激发激光和特定拉曼频率下的拉曼信号的衰减。不同特征气体的波数、波长、衰减值如下表所示：

表2 特征气体的波数、波长、衰减值计算

由图2可知，由于前向拉曼散射强度随着光纤长度正常剧烈下降，因此我们选择测量后向拉曼散射强度。由图可知，后向拉曼散射强度随着光纤长度增长逐渐趋于平稳。同时，我们所使用的空芯光子带隙光纤成本较高，因此过长的光纤将导致实验的成本上升。综合考虑各种气体的曲线特性，我们选择后向拉曼散射强度趋于平稳后的最短光纤长度作为我们的最佳光纤长度。由图可知，最佳光纤长度约为1 m。

图2 最大有效光纤长度和前向、后向散射强度的关系图

2 光纤增强拉曼光谱检测

7种变压器故障特征气体可分为三类，即H2、碳氧类气体（CO、CO2）和烃类气体（CH4、C2H2、C2H4、C2H6）。本 文 选 取H2、CO2和C2H6三种具有代表性的气体进行光纤增强拉曼光谱检测与分析。

激光器发出激光后，经过扩束器扩束，使得到达二向分色镜的激光直径增大，由公式可推出经散射前的激光直径越大，经过透镜后的凝聚效果就更好。因此，激光束经过二向分色镜后，由耦合器（物镜代替）将激光耦合到空芯光子带隙光纤中，通入混合待测气体使得气体和光子在空芯光纤内充分接触。在光纤适配器处接有数字手持式光功率和能量计表头及标准光电二极管功率探头，进行功率测量。之后激光返回到二向分色镜处，由于拉曼散射使得激光频率降低、波长增大，而瑞利散射的波长不变且强度远大于拉曼散射，则大于一定波长的光，即拉曼光才能透过二向分色镜到达空间滤波器处，这里的二向分色镜起到初步滤除瑞利散射的作用。到达滤波器后，滤除干扰信号，提高了信号的信噪比。随后透过滤波镜进行进一步的滤除瑞利散射，只将波长高于532 nm的拉曼散射光通过，最终经过透镜进入光谱仪CCD进行信号采集。

为了更好地将光耦合进入光纤，需要对激光的光束进行扩束：

由图4可知，经过透镜后的光束半径ω0与入射光直径C成反比，即如要获得更小的ω0，则必须使得直径C尽量大。其计算公式如下：

图4 激光聚光示意图

其中，ω0为经过透镜后的光束半径，λ为激光波长532nm，C是入射光直径，f是主点到聚光点的距离。借助MATLAB工具，相关计算过程如下：

已知物镜工作距离31.1mm，扩束前入射光直径C0=2mm，扩束倍率2倍，故扩束后C1=2×C0，光纤波长532nm，带入公式计算，可 得ω0=5.2665×10-6；ω1=2.6333×10-6。可 以看出经过扩束后的ω值减小。由于光纤空芯的直径为6.6 µm±1 µm，为了更容易将激光顺利通过空芯，因而采取扩束的方法。

扩束镜的实物图如图5(a)所示，结构图如图5(b)所示：

图5 BE-2-V扩束镜（a）外观（b）结构图

3 气体光纤增强拉曼检测结果

7种变压器故障特征气体可分为三类，即H2、碳氧类气体（CO、CO2）和烃类气体（CH4、C2H2、C2H4、C2H6）。本 文 选 取H2、CO2和C2H6三种具有代表性的气体进行光纤增强拉曼光谱检测与分析。

按图3的设计方案，搭建实验平台，并进行硬件调试与平台的优化。调试完成后，分别向光纤内充入H2、CO2和C2H6，进行光纤增强拉曼光谱检测；检测完成后，不采用光纤增强、直接对H2、CO2和C2H6进行拉曼光谱检测。6组实验的检测条件完全相同，增强前作为对照组，用以检测光纤增强的性能。

图3 气体光纤增强拉曼光谱检测平台

3.1 H2检测结果对比与分析

实验条件：温度25℃；激光功率60 mW；CCD与光谱仪参数设置：积分时间5 s，积分次数2，狭缝宽度100，2号光栅。在相同实验条件下，基于光纤增强前与增强后检测的H2拉曼光谱对比图如图6所示：

图6 H2光纤增强前后拉曼光谱对比图

表3 H2增强前与增强后拉曼光谱特征量检测结果对比

由图6知，本次实验共检测到H2的4个拉曼特征峰，其拉曼频移分别为4127cm-1、4144cm-1、4156cm-1和4156cm-1，由 图 可知，采用光纤增强后，H2的4个拉曼光谱特征峰峰面积、峰高均有不同程度增加，增强效果明显。以上实验结果初步证明光纤增强对H2拉曼光谱检测的增强效果。

3.2 CO2检测结果对比与分析

实验条件：温度25℃；激光功率60 mW；CCD与光谱仪：积分时间5 s，积分次数2，狭缝宽度100，2号光栅。在相同实验条件下，基于光纤增强前与增强后检测的CO2拉曼光谱对比图如图7所示，拉曼光谱特征量检测结果如表4所示：

图7 CO2光纤增强前后拉曼光谱对比图

表4 CO2增强前与增强后拉曼光谱特征量检测结果对比

由图7可知，本次实验检测到CO2的2个拉曼特征峰，其拉曼频移为1284 cm-1及1388 cm-1。由图可知，采用光纤增强后，CO2的拉曼光谱特征峰峰面积、峰高均得到增加，增强效果明显。以上实验结果初步证明光纤增强对CO2拉曼光谱检测的增强效果。

3.3 C2H6检测结果对比与分析

实验条件：温度25℃；激光功率60 mW；CCD与光谱仪：积分时间5 s，积分次数2，狭缝宽度100，2号光栅。在相同实验条件下，基于光纤增强前与增强后检测的C2H6拉曼光谱对比图如图8所示：

图8 C2H6光纤增强前后拉曼光谱对比图

表5 C2H6增强前与增强后拉曼光谱特征量检测结果对比

由图8知，本次实验共检测到C2H6的4个拉曼特征峰，其拉曼频移分别为2745cm-1、2780 cm-1、2899 cm-1、2954 cm-1，其 中2954 cm-1处的特征峰信号最强；采用光纤增强之后，C2H6的4个拉曼光谱特征峰峰面积、峰高均有不同程度增加，增强效果明显。以上实验结果初步证明光纤增强对C2H6拉曼光谱检测的增强效果。

4 结束语

本文研究了变压器油中溶解故障特征气体的光纤增强拉曼检测原理，检测了H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4和C2H6等7种 特 征 气体的拉曼谱线，确定了每种气体的拉曼特征频谱。随后设计并搭建了光纤增强拉曼气体检测平台，验证了光纤增强使得气体的拉曼散射强度有了明显的提高。

设计并搭建了变压器故障特征气体光纤增强拉曼实验检测平台，确定了满足实验要求的情况下最经济合理的光纤长度。基于拉曼光谱学的理论基础，通过计算不同特征气体的拉曼检测强度随光纤长度变化而变化的规律，得出了在光纤长度在约1 m之后，后向拉曼散射强度变化趋于平稳的结论，即光纤长度为1 m的光纤可以在保证拉曼强度的同时使得成本最低。对比分析了H2、CO2和C2H6气体的拉曼散射信号光纤增强特性，其特征峰峰面积及峰高均增强约9倍，证明了光纤增强拉曼检测的可行性。