光声光谱技术在变压器油中气体监测中的应用思路介绍

刘丽荣

中国南方电网东莞供电局，广东 东莞 523000

0 引言

就目前而言，中国的电力行业发展最为快速，电能在我国的广泛应用不仅能够推动我国的经济发展，还能够促进我国工业的良好发展。因此需要重视光声光谱技术在变压器油中气体监测中的应用[1]。

1 光声光谱技术的气体监测理论

1.1 气体的红外吸收特性

红外辐射是电磁辐射的一种，其频率低于可见光，波长范围约为0.78～1 000 μm，气体的分子不同，其物理化学性质也有所不同。例如，原子间键角、化学键强度、分子内原子数目等，这些决定了气体对红外辐射吸收性质。红外光谱根据红外辐射波长能够分为三个区域，即转动区的远红外、基频区的中红外、泛音区的近红外，三个区域的光能力与分子作用形式如表1 所示。气体分子可以分为非对称双原子分子与多原子分子，比如CO2、C2H4、CH4等都在红外波长区有吸收，而N2、O2、H2等对称双原子分子则对红外辐射无吸收[2]。

表1 各区域中光能量与分子的作用形式

在不同波长处，气体分子有着不同的吸收强度，所以光声光谱技术的不同谱线处有着不同的吸收强度，其纵坐标为透射率、吸光度，横坐标为波数、波长，记录坐标能够获得气体红外光谱[3]。红外光谱区能够根据纵坐标的不同分为透射率光谱（T,Transmittance）与吸光度光谱（A,Absorbance）。C2H4的吸光度光谱如图1 所示。在图中能够看出C2H4气体的吸收峰值在红外光谱中较多。相关研究表明，吸收谱带与吸收峰值的不同，与之相应的气体分子有着不同的能级跃迁。振转能级跃迁是吸收谱带与吸收峰值在红外波段的主要表现。一般情况下，红外光谱能够有效区分气体其他物质的吸收谱线，通常被称之为特征吸收谱线。红外光谱仪一般是利用气体特征吸收光谱所对应的波长或者波数信息对气体进行分析与定性[4]。

图1 C2H4 的吸光度光谱

1.2 气体光声监测原理

光声光谱技术属于间接量热技术的一种，主要是通过对声信号振幅进行测量，对气体浓度进行精准计算。一般情况下，监测极限较低[5]。光声光谱产生效应主要是依赖气体吸收红外辐射，而气体在吸收红外辐射时存在选择性，因此光声光谱技术需要合适光源，也就是在波长处的气体存在一定强度吸收，光声光谱效应原理如图2 所示。图中产生、监测光声光谱效应主要可以分为如下几个步骤。（1）选择合适光源，即能够覆盖气体吸收的光谱，然后周期性地调制光源辐射波长或者强度。（2）目标分子吸收红外辐射，部分基态分子跃迁至激发态[6]。（3）激发态分子转化为分子的平动动能，主要是以非辐射弛豫形式来转化、吸收光能。在这一过程中，气体分子有温度升高表的现。气体体积恒定下，气体分子的温度升高会导致气体压强增加。因为周期性地调制光源，气体温度在密闭空间下会随着光源的调制出现周期性变化，所以气体压强与光源调制频率呈现相同的变化周期，期间出现的压强变化便为声波。（4）利用微音器来监测所产生的光波，之后将微音器所产生的电信号接入外部电路，然后对声信号振幅信息进行提取[7]。

图2 光声光谱效应产生的原理图

2 变压器油中溶解气体在线监测系统的设计

2.1 气体监测系统的设计原则

2.1.1 系统监测范围

变压器油中一共有7 种溶解的特征气体，而且每种气体有着不同的吸收光谱，所以在对多种气体进行监测时，气体之间会相互干扰。因此在处理监测信号时，应当用抗交叉干扰的智能算法对变压器油中溶解气体进行定量监测[8]。不过这样会导致系统更加复杂，因此需要尽可能地选择互不干扰的波长来监测待测气体，通常情况下需要对HITRAN2008 数据库中的吸收光谱进行查询，然后对比各类气体的不同吸收特性，之后选择与波长适合的光源。在正常情况下，变压器油中的溶解气体浓度低于10-5，但变压器在长期运行后，溶解气体浓度可能会增加。因此设计系统需要具备比较大的监测范围，只有这样才能够最大程度地满足应用要求。

2.1.2 油气分离模块

光声光谱技术与其他所有变压器油气体监测技术一样，溶解在绝缘油中的气体需要在液态油中进行分离，然后进行监测。一般情况下，在液态油中分离出来的气体约为几十毫升，因此需要有效控制整个油气监测系统的耗气量。对其进行设计时，气室体积不宜过大。为了确保光声光谱技术系统能够稳定、长期地工作，微音器以及光源都需要具备长期稳定性，如果缺乏足够的长期稳定性，则需要时常对其进行标定，这就导致监测过程变得更加复杂。搭建光声光谱技术系统后，还需要对电磁噪声、声噪声等环境噪声进行一定程度地隔离与屏蔽，从而保证光声光谱技术系统能够长期、准确、稳定地工作[9]。变压器油中溶解气体的油、气需要通过油气分离模块来实现，然后将光声光谱监测系统导入其中，以此监测气体浓度。目前应用在变压器油中溶解气分离的模块主要有如下几种：（1）真空法为基础的油气分离模块。该装置使油进入分离室，液态油在反复真空状态下能够破坏油气平衡，从而挥发大量气体。液态油在反复抽取后，能够将绝大部分气体抽取出，但所监测出来的特征气体种类比较少，大约为4 种。而且该油气分离模块在长时间使用后，真空泵的效率会逐渐降低，会导致油气分离不彻底，所以很难对后续结果进行准确测量[10]。（2）高分子膜的油气分离模块。该装置以亨利定律为基础，只需要使用高分子聚合物膜。变压器油中溶解气体会通过高分子膜实施分离，直至油气平衡。不过该装置气体分离的时间较长，一般需要超过10 h，进而会使得整个系统的响应时间过长。而且该装置需要定期更换高分子聚合物膜。（3）油中吹气法的油气分离模块。通过吹气方法来替换油中的气体。

2.2 气体监测系统的搭建

CO2激光器在工作过程中能够产生多条发射谱线，根据分子跃迁特性分为R 支、P 支。其中R 支谱线主要在9.6 μm 附近集中，P 支谱线主要在10.6 μm 波长附近。文章选择Firestar OEM v30 型号的CO2激光器，其参数如表2 所示。由于CO2激光器光束有着非常小的发散角与直径，所以在对光声光谱监测系统进行设计时，不需要聚焦光束，而且光功能的稳定性与大小均与该系统相契合。

表2 CO2 激光器光束主要参数

2.3 光声池几何形态及工作模式选择

光声池在光声光谱效应的气体监测中有着极为重要的作用，声场在光声池中产生与放大，其设计参数、几何形态与整个系统的灵敏性、稳定性以及最低监测极限等有着密切联系。光声池工作模式可以分为两种，即非共振工作模式与共振工作模式。文章考虑简正模式特性、品质因素、信噪比、共振腔几何形态与体积等因素，光声池中的共振腔设计为圆柱形，工作在第一纵向共振模式。

2.4 系统其他组件

2.4.1 调制器

文章使用械斩波方式来调制光，同时选择HB-404型频率可控双参考斩光器，其外观如图3 所示。该斩光器由机械外壳包裹，预防撞击损坏。斩光盘可以分为外孔与内孔，频率可以调制的范围为10～2 000 Hz。斩光器能够自主生成参考信号，而且与调制光频率一致，能够为后续处理提供相关信号。

图3 HB-404 型频率可控双参考斩光器

2.4.2 锁相放大器

经过实验室经验与市场调研分析，选择DSP 7280锁相放大器，满刻度灵敏度为10 nV～1 V，时间常数为5 ms～100 ks，工作频率为0.5 Hz～250 kHz，噪声电压大于100 dB，输入阻抗为-90 dB，时间常数为≦0.01°，输入阻抗为100 MΩ//25 pF。

2.4.3 微音器

选择Knowles 公司生产的EK-23024-000，有着噪声低、体积小、灵敏度高等特点，而且在600～1 200 Hz范围内，频率响应曲线非常平坦。文章设计的光声池共振频率（833 Hz）处灵敏度约为22 mV/Pa。

3 系统验证

实验选择N2作为载气，在气室中充入一定体积分数的N2，将斩波器调节到调制频率，然后将斩波器频率作为锁相放大仪的参考信号。先测量该系统的本底信号，在不开斩波器以及光源情况下，本底噪声为5 μV；开斩波器但不开光源情况下，本底噪声为14 μV；同时开启斩波器与光源情况下，本底噪声明显增大，为67 μV。之后在气室内通入一定体积分数的CO、CO2，对其进行测量，同时线性拟合测量结果，得到CO 的体积分数与输出光声信号线性相关性系数为0.998 57，CO2的相关性系数为0.999 95。以信噪比1 ∶1对系统极限灵敏度进行计算，得到该系统对于CO 体积分数测量极限灵敏度为3×10-6，CO2的体积分数测量极限灵敏度为10×10-6，均满足《变压器油中溶解气体分析和判断导则》中要求，即最小体积分数要求为25×10-6。

4 结束语

稳定现代电网运行的主要因素有三个方面，即优质、经济以及安全，其中安全是基础。智能电网输电的关键设备为变压器，如果该设备出现故障，则容易产生比较大的损失。我国多数变压器为油浸式变压器，在长时间运行后，油浸式变压器会出现老化，或者内部组织会出现故障，进而产生有害气体，所以采取有效方法在线监测变压器油中溶解气体就显得尤为重要，能够极大地保障运作安全。文章基于光声光谱技术设计的变压器油中气体在线监测系统能够有效弥补传统监测系统的不足，具有一定的推广价值。