基于太赫兹时域光谱技术的变压器油中金属杂质的检测研究

宗鹏锦，李宗红，刘荣海

（1.云南电网有限责任公司研究生工作站，云南 昆明 650217；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，

云南 昆明 650217；3.华北电力大学，河北 保定 071003）

0 引言

随着电力工业的飞速发展，大型电力变压器成为电网中的关键设备之一，变压器油是变压器的绝缘和冷却介质，对变压器的安全运行有着直接的影响[1]。当变压器油中存在杂质颗粒时，会使它们的绝缘性能大大降低，其中金属颗粒对变压器内部的绝缘性能影响最大，金属杂质可能会导致变压器油绝缘失效[2-5]。变压器油中金属杂质的来源主要有3 个方面：一是在变压器油生产过程中残留并带入。二是变压器制造、安装及检修过程中，会产生摩擦、剥落等，甚至混入其他种类油品，形成金属杂质对油品的污染。另外，用活性氧化铝、硅酸等净化处理绝缘油，也可能产生铝和硅对油品的污染[6]。三是运行过程中由于过热、放电、腐蚀等原因产生金属杂质。当变压器油中的金属杂质较多时，其危害主要有以下几个方面[7]：一是变压器油中金属杂质含量增高，引起绝缘油介质损耗因素值升高，导致油品劣化的速度加快，增加事故发生的几率[8]；二是当油中金属杂质含量偏高时，可能出现绝缘击穿；三是变压器油中金属杂质含量过高，可能使变压器油发生放电，这会导致变压器不能稳定工作[9-10]。因此，加强变压器油中金属杂质的检测对电网的安全运行至关重要。

目前国内外对变压器油中金属杂质的检测方法有原子吸收分光光度法、电感耦合等离子体原子发射光谱法等，但这些方法都存在一些缺陷，如原子吸收分光光度法的缺点是不能对变压器油直接进行测量，需要先将变压器油中的金属含量全部转换到水溶液中进行检测，而且耗时较长；电感耦合等离子体原子发射光谱法的缺点是对实验环境有很严格的要求，容易影响分析结果的准确度。目前缺乏一种方便、快捷、能够准确检测出变压器油中金属杂质的方法。本文利用太赫兹时域光谱仪对变压器绝缘油中的金属颗粒进行检测，得到了含金属颗粒变压器油的时域、频域、吸收系数和折射率。实验结果表明，在纯净的变压器油中添加金属后，变压器油的时域、频域、吸收系数和折射率都有明显变化，而且变压器油中铜含量的逐渐增加，吸收系数和折射率随之减小。通过变压器油的时域、频域、吸收系数和折射率，可以鉴别出变压器油中是否含有金属杂质，丰富了变压器油中金属杂质的检测方法。

1 太赫兹时域光谱技术简述

太赫兹时域光谱技术是一种非接触测量技术。它可以对半导体材料、薄膜材料等多种材料的物理信息进行快速准确的测量[11]。当太赫兹波与这些物质相互作用并发生透射现象时，这些物质的太赫兹光谱包含可以识别它们的光谱信息[12]。太赫兹光谱不仅信噪比高，而且能迅速地对样品内部的细微变化做出分析和判断。变压器油为非极性物质，对太赫兹波几乎无吸收，金属颗粒对太赫兹波完全反射。对混有不同金属含量的绝缘油进行透射式太赫兹时域光谱测试时，其吸收光谱数据便能呈现相应变化，通过对变化进行分析，便可以判断油中是否含有金属颗粒。采用太赫兹时域光谱仪进行测试时，不仅能实现快速、准确检测油中是否含有金属颗粒，而且检测前后油样不会被破坏，能够实现无损检测。

2 实验部分

2.1 实验装置

太赫兹时域光谱仪的系统光路图如图1 所示，它的基本原理是利用光整流产生太赫兹波，自由空间电光取样探测太赫兹波。TA-CT/CR200 全光纤太赫兹时域光谱仪的激光器脉冲宽度为100 fs，中心波长为800 nm，重复频率为80 MHz，输出功率为120 MW。测量系统使用光电导天线为太赫兹辐射源，探测晶体为ZnTe 晶体，采用电光采样技术测量太赫兹波。该系统的光谱范围0.1～5.0 THz，频谱分辨率小于等于15.6 GHz，最大动态范围为70 dB，峰值位置信噪比为400。

图1 太赫兹时域光谱仪的系统光路图

一般情况下，在太赫兹波传播过程中，水分子会使太赫兹光谱产生很大波动，进而影响实验结果的准确性。所以要使太赫兹光路部分保持封闭，就必须在实验过程中充入干燥的空气，使实验环境中的相对湿度小于2%。整个实验在室温22 ℃条件下进行。

在太赫兹时域光谱检测系统中，由于光源和探测器之间的空间有限，只能放置一个气室，气室的长度和大小被限定在一定的范围内。因此，气室设计成长7 cm、宽6 cm 的长方形密封袋。1 mm 厚的集气袋使用聚四氟乙烯材料制成，太赫兹光谱对聚四氟乙烯材料吸收很少。

2.2 样品制备

采用Karamay25 号环烷基矿物绝缘油作为试验油样，把不同质量的铜粉末分别加入到定量的变压器油中，进而得到不同含铜量的变压器油。利用型号为CP124C 的电子天平分别量取7 mg、14 mg 和21 mg 的铜粉，将称量好的铜粉放入不同的小烧杯中。变压器油应在90 ℃真空条件下干燥除气48 h，这样可以很大程度上减少变压器油中的含水量，使实验数据更加准确。将称量好的铜粉分别加入到100 mL 变压器油中，获得铜的质量浓度分别是0.07 g/L、0.14 g/L 和0.21 g/L 的变压器油。随后在室温下超声振荡含铜粉末的变压器油30 min，使铜粉末和变压器油充分均匀地混合。通过注射器将不同含铜量的变压器油样品导入聚四氟乙烯袋中，尽量使聚四氟乙烯袋中的变压器油没有明显的气泡。完成取样后应尽快进行太赫兹时域光谱实验。具体操作流程如图2 所示。

图2 样品制备的操作流程图

2.3 实验方法

利用太赫兹时域光谱仪对样品进行测试时，首先在空载情况下进行测试得到参考信号，然后将样品放入测试窗口进行测试，测试后就能得到扣除背景的时域数据，进而可得到时域谱图，然后对时域数据进行傅里叶变换可得到频域数据，进而得到频域谱图。将频域数据通过计算，可求得样品的吸收数据及折射数据，进而得到吸收谱图和折射谱图。在计算公式中，α（ω）为样品的吸收系数；ω 为光谱频率；ATHz为样品信号的频域幅值；Aref为参考信号的频域幅值[13]；f 为频率；d 为样品厚度；c 为真空中的光速（3×108m/s）；φ（ω）为样本信号和参考信号的相位差[14]。

本实验利用太赫兹时域光谱仪依次对4 组实验样品进行时域光谱实验，实验设置扫描重复10次，进行多次测量后获得平均值，从而实现降噪。通过对纯净变压器油和含不同质量浓度铜的变压器油样品的时域、频域、吸收和折射数据进行对比分析，判断出变压器油中是否含有金属异物。

2.4 实验过程

先将真空的聚四氟乙烯袋放入透射式太赫兹时域光谱仪上进行测试作为参考信号，然后分别将装有纯净变压器油和铜质量浓度分别为0.07 g/L、0.14 g/L 和0.21 g/L 的变压器油的聚四氟乙烯袋放入透射式太赫兹时域光谱仪上进行测试，得到时域数据，进而得到时域、频域、吸收及折射谱图。

3 结果与讨论

3.1 太赫兹时域光谱

从测得的真空聚四氟乙烯袋（参考样品）以及不同含铜量变压器油样品的太赫兹时域谱图可以看出，与参考样品相比，变压器油的太赫兹脉冲信号出现幅值的衰减和时间的延迟。其中，变压器油幅值的衰减是由于变压器油对太赫兹波的吸收大于真空所导致的，而时间的延迟是由折射率决定的，样品的折射率越大，太赫兹波在其中的传播速度越慢，进而在太赫兹时域光谱测量中显示出更大的时间延迟。从太赫兹时域波形图还可以看出，随着变压器油中铜质量浓度的逐渐增加，时域的峰值在逐渐增加。由于铜属于金属材料，金属材料对太赫兹波完全反射，没有任何吸收，故导致变压器油对太赫兹波的吸收减弱，透射强度增加。

通过时域数据分析可以得出，在变压器油中混有金属粉末后，太赫兹时域谱图幅值上有明显增加，时间延迟程度减小。利用这种现象可以鉴别出变压器油中是否含有金属杂质。

3.2 太赫兹频域光谱

对时域光谱进行傅里叶变换后得到材料的频域光谱如图3 所示。从图3 中可以明显看出，太赫兹脉冲的频域波形的峰值在0.4 THz 附近，变压器油和参考信号的频谱图在波形上相似，但是变压器油的频域幅值比参考信号的幅值低。在纯净的变压器油中加入铜粉末后，频域的幅值会增大，且随着铜质量浓度的不断增加，变压器油对太赫兹波的吸收能力减弱，频域波形随之增大。频域的结果与时域波形得到的结果相一致。

图3 不同含铜量变压器油的频域波形

通过以上频域数据分析可以得出，在变压器油中加入金属铜后，太赫兹频域谱图幅值上有明显增大，这种现象也可以鉴别出变压器油中是否含有金属杂质。

3.3 吸收系数

不同含铜量的变压器油的吸收光谱如图4 所示。由图4 可以看出，样品的吸收系数随着频率的增加而出现规律性的变化。当物质在某个频率下由于其分子振动、转动等因素会吸收该频率处的太赫兹波，所以会在该频率下产生吸收峰。不同的吸收峰也存在叠加现象，进而出现更复杂的吸收曲线。由图4 还可以看出，变压器油在0.6～2.0 THz 频率下有多处明显的吸收峰，不同含铜量的变压器油吸收曲线基本呈现出同一变化趋势。在纯净的变压器油中添加铜粉末后，吸收峰的峰值会明显降低。从整个吸收曲线上看，随着含铜量的增加，变压器油的吸收系数逐渐降低。

图4 不同含铜量变压器油的吸收光谱

通过吸收系数分析可以得出，在变压器油中加入金属铜后，吸收系数会随之降低，这种现象也可以鉴别出变压器油中是否含有金属杂质。

3.4 折射率

不同含铜量的变压器油在0.2～2.0 THz 频率下的折射情况如图5 所示。由图5 可以看出，不同含铜量的变压器油的折射率曲线在整个频段上非常容易区分，尤其是纯净变压器油的波形时间延迟最大，所以它的折射率最大。变压器油的折射率随着频率的增加而缓慢上升，在频率高的位置有较大波动。含有铜粉末的变压器油的折射率小于纯净变压器油的折射率，并且随着含铜量的增加，变压器油的折射率也随之减小。折射率反映的是太赫兹波在介质中的传播速度，这个值越大，光波传播速度越慢，光在介质中传播相同距离所需时间越长。

图5 不同含铜量变压器油的折射率谱

变压器油的折射率表明，在变压器油中加入铜金属粉末后，其折射率比没加入铜粉末之前降低。说明通过折射率也可以鉴别变压器油中是否存在金属杂质。

4 结束语

本文利用太赫兹时域光谱仪对纯净变压器油和不同含铜量的变压器油进行了检测，得到了它们的时域、频域、吸收系数和折射率。通过对这些光谱进行分析，可以发现在变压器油中加入铜粉末后，变压器油的时域幅值增大，时间延迟变小，频域幅值增大，吸收系数和折射率都减小。在此基础上，随着变压器油中含铜量的增加，时域的幅值随之增大、时间延迟随之减小，吸收系数和折射率随之减小。通过以上分析可以发现，对绝缘油进行透射式太赫兹时域光谱检测，得到的时域、频域、吸收及折射谱图都可以快速准确地检测出变压器油中是否存在金属杂质，这为进一步利用太赫兹时域光谱技术实现变压器油的金属含量的定量测试提供了坚实的理论基础。