變壓器油中溶解氣體的光聲光譜檢測(cè)氣壓特性研究

吳俊杰 吳水鋒 萬 濤 龔尚昆 龍思文

（1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410000；2.南京正合盛奇電力科技有限公司，江蘇南京210005）

0 引言

在診斷油浸式變壓器早期潛在故障上，溶解氣體分析是最便捷、最有效的方法之一。其中光聲光譜法具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，有利于變壓器的故障診斷和預(yù)測(cè)，也能用于分析待測(cè)氣體與變壓器故障間的聯(lián)系[1]，因而得到廣泛應(yīng)用。光聲光譜法是一種基于光聲效應(yīng)的量熱光譜技術(shù)，在光和聲的影響下，通過測(cè)量材料吸收光后產(chǎn)生的聲場(chǎng)強(qiáng)度來對(duì)氣體進(jìn)行定性和定量分析，其中氣壓是最重要的干擾因素之一[2]。因此，有必要分析氣壓對(duì)光聲光譜技術(shù)的影響。本文基于氣體光聲電壓信號(hào)的激勵(lì)機(jī)制，設(shè)計(jì)了一種可調(diào)的便攜式實(shí)驗(yàn)裝置，理論推導(dǎo)了氣壓與氣體吸收系數(shù)、光聲電壓（PAV）信號(hào)之間的函數(shù)關(guān)系，并對(duì)溶解在變壓器油中的乙炔、甲烷和二氧化碳進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明了函數(shù)關(guān)系的正確性，理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果為油氣光聲光譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)提供了參考和技術(shù)支持。

1 光聲信號(hào)激發(fā)機(jī)理

氣體光聲信號(hào)是經(jīng)過光、熱、聲信號(hào)的轉(zhuǎn)換，最后由聲信號(hào)經(jīng)過微音器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其轉(zhuǎn)換過程如圖1所示。

圖1 氣體光聲光譜技術(shù)

光源向光聲池發(fā)出頻率可調(diào)制的光照射氣體，氣體吸收光能發(fā)生躍遷，后以熱能釋放的方式退激，溫度的升高改變壓強(qiáng)，產(chǎn)生聲波，再由微音器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出[3]。熱和聲的產(chǎn)生是最重要的環(huán)節(jié)，聲音產(chǎn)生來源是氣體吸收的光能，聲音可用聲壓描述，忽略由于熱傳導(dǎo)和粘性引起的能量損失，聲壓的波動(dòng)方程會(huì)改變表示為：

若光束在穿過光聲池時(shí)僅受很小的衰減，則氣體吸收的光功率為每單位體積而可表示為：

根據(jù)上述公式和光聲池設(shè)計(jì)原理，合理實(shí)施形狀、尺寸設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)、材料選擇，使光聲池在正常模式下工作，確保諧振頻率為w=ωj，那么光聲電池的壓力rM可表示為：

微音器用于檢測(cè)光聲單元中的周期性壓力波動(dòng)，其靈敏度S的單位為mV/Pa。光聲電壓信號(hào)表示為：

式（4）表明光聲電壓信號(hào)與微音器的靈敏度線性相關(guān)，單元常數(shù)Ccel1、氣體吸收系數(shù)α∑（λ）、激光功率P0具有良好的線性相關(guān)性。其中單元常數(shù)Ccel1反映了系統(tǒng)將吸收光轉(zhuǎn)換成聲能的能力。

2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)和氣體壓力特征的理論推導(dǎo)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)裝置采用DFB二極管激光器，在激光器的末端安裝一個(gè)準(zhǔn)直儀，使壁吸收產(chǎn)生的聲噪聲最小。光調(diào)制頻率由機(jī)械斬波器SR540控制，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的性能；微音器EK-3024用于獲取光聲電壓信號(hào)；使用鎖定放大器SR830測(cè)量光聲電壓信號(hào)。光聲池是由不銹鋼制成的光聲光譜檢測(cè)裝置的核心部分，其表面通過超聲波技術(shù)拋光，并且兩側(cè)都使用透射率大于90%的石英窗以布魯斯特角密封。

2.2 氣體壓力特征的理論推導(dǎo)

吸收系數(shù)能表征氣體吸收行為并清楚顯示各種波長的紅外輻射吸收的特性。考慮到氣體分子的吸收譜帶由可能重疊的數(shù)千個(gè)吸收譜線組成[4]。因此吸收系數(shù)α∑（λ）可以表示為：

式中：Si、gi（λ）分別為氣體分子第i條譜線的線強(qiáng)度和線性函數(shù)。

由式（5）可知，吸收系數(shù)與氣壓P成正比。基于數(shù)據(jù)庫HITRAN2008，使用Voigt線理論計(jì)算出壓力對(duì)296 K時(shí)C2H2、CH4和CO2的氣體吸收線的峰吸收系數(shù)的影響，幅度相同。

圖2表明C2H2、CH4和CO2的氣體吸收曲線的吸收系數(shù)對(duì)P具有近似的線性關(guān)系（0.1 kPa＜P＜100 kPa），并且在P＞100 kPa時(shí)幾乎保持不變。這是因?yàn)樵诓煌膲毫ο職怏w增寬機(jī)制不同：當(dāng)P＜0.1 kPa時(shí)，多普勒增寬機(jī)制起主導(dǎo)作用；隨著壓強(qiáng)的增加，碰撞增寬機(jī)制起主導(dǎo)作用。其他溶解的油中氣的吸收系數(shù)具有相同的趨勢(shì)。

圖2 氣壓對(duì)氣體吸收譜線峰值吸收系數(shù)的影響

圖3為氣壓分別為20 kPa、60 kPa、80 kPa時(shí)C2H2分子吸收6 578.5 cm-1的吸收系數(shù)。由圖可知，吸收光譜線的峰值吸收系數(shù)隨著P的增加而逐漸增加，但增加率趨于減小，同時(shí)吸收光譜線的線寬增加，這加劇了不同光譜線的重疊。因此，氣壓一定范圍內(nèi)，在降低氣壓檢測(cè)靈敏度的條件下降低氣壓，可以提高光譜的分辨率。

圖3 20 kPa、60 kPa、80 kPa時(shí)C2H2分子吸收6 578.5 cm-1的吸收系數(shù)

結(jié)合氣壓與氣體吸收系數(shù)、分子平均自由程、分子平均速度、粘滯系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、品質(zhì)因數(shù)、光聲池常數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，氣壓與光聲電壓信號(hào)之間的函數(shù)關(guān)系，可以推導(dǎo)得到：

從式（6）可知，光聲電壓信號(hào)對(duì)氣壓P1.5有近似的線性相關(guān)。

3 氣體壓力特性實(shí)驗(yàn)分析

本次實(shí)驗(yàn)采用C2H2來進(jìn)行氣體壓力特性分析，實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先在光電池中密封標(biāo)準(zhǔn)濃度的400 μL/L C2H2，用恒溫器保持溫度穩(wěn)定在296 K，鎖定放大器的積分時(shí)間設(shè)置為1 s，將DFB激光電流調(diào)整為45.30 mA，功率調(diào)整為13.7 mW；然后調(diào)節(jié)溫度控制電阻，使激光輻射波長為1 520.09 nm，并將池中的氣壓從0 kPa更改為140 kPa；接著調(diào)節(jié)斬波器的斬波頻率，以在不同氣壓下最大化光聲電壓信號(hào)的值，并記錄斬波頻率和最大值；最后調(diào)整并保持?jǐn)夭ㄆ鞯臄夭l率為1 309 Hz，并記錄不同氣壓下的光聲電壓信號(hào)值。

氣壓與光聲電壓信號(hào)之間的關(guān)系如圖4所示，圖4說明氣壓極大地影響了光聲光譜檢測(cè)，光聲電壓信號(hào)的最大值和斬波頻率1 309 Hz時(shí)的值隨氣壓的增加而增加，并且光聲電壓信號(hào)與成近似線性關(guān)系，這基本服從式（6）的規(guī)律。圖4還表明光聲電壓信號(hào)的最大值不同于斬波頻率1 309 Hz時(shí)的值，偏差值在約30 kPa處時(shí)達(dá)到最大值41.2 μV。

圖4 不同氣壓下的C2H2光聲電壓信號(hào)

4 結(jié)論

本文從理論上推導(dǎo)了氣體壓力與氣體吸收系數(shù)、光聲電壓信號(hào)之間的函數(shù)關(guān)系，結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析得到氣壓對(duì)各參數(shù)的影響：

（1）296 K處的氣體峰值吸收系數(shù)與P呈近似線性關(guān)系（0.1 kPa＜P＜100 kPa），并且當(dāng)P＞100 kPa時(shí)幾乎保持不變。

（2）在沒有氣體吸收飽和效應(yīng)的情況下，光聲光譜電壓信號(hào)對(duì)具有較好的線性相關(guān)。

（3）雖然實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)僅在一定范圍內(nèi)符合理論趨勢(shì)，但函數(shù)關(guān)系對(duì)改進(jìn)光聲單元的設(shè)計(jì)和建立變壓器油中氣體的光聲光譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有重要意義。