方 祺，瞿殿桂

(國網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司，上海 201700)

油浸式電力變壓器作為電網(wǎng)中最關(guān)鍵且昂貴的設(shè)備，通常被公認為是電力系統(tǒng)的“核心”。變壓器油作為變壓器正常運行的重要介質(zhì)，在絕緣、冷卻、滅弧等方面起著重要作用[1-3]。變壓器運行周期內(nèi)任何時期的意外故障都會導(dǎo)致嚴重的后果。為了決定何時、以何種方式維護電力設(shè)備，基于狀態(tài)監(jiān)測的維護策略已被普遍認可[4-5]。其中，變壓器油中溶解氣體分析技術(shù)已成為變壓器故障診斷最有效的方法[6-8]。

國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了各種檢測變壓器油中溶解氣體的技術(shù)并予以實施。氣相色譜分析法主要用于實驗室的定量測量和離線常規(guī)測試[5,9]，該方法可檢測多種氣體組分，但需消耗載氣和定期更換色譜柱，無法滿足變壓器運行狀態(tài)在線監(jiān)測的要求。在線氣體探測器主要有物理/化學(xué)技術(shù)和光學(xué)方法兩類。一般來說，物理/化學(xué)氣體探測器包括導(dǎo)熱探測器、火焰電離探測器、半導(dǎo)體探測器、電化學(xué)探測器、催化燃燒探測器、鈀柵極場效應(yīng)晶體管探測器、陣列氣體傳感器等[10]。這些探測器的制造工藝相對成熟，大批量生產(chǎn)成本較低。由于物理/化學(xué)探測器的長期穩(wěn)定性相對較差，定期更換和校準(zhǔn)將增加操作和維護的工作量。此外，大多數(shù)物理/化學(xué)技術(shù)都依賴于外部載體氣體。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，固體氧化物燃料電池傳感器[11]、碳納米管傳感器[12]和納米金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器[13]已被提出和研究，部分探測器的性能得以提升。但存在易老化、易飽和、電磁兼容性、雜質(zhì)污染等問題，需要在今后的研究中加以考慮。

光聲光譜技術(shù)以測量和抗電磁干擾的優(yōu)勢進入在線溶解氣體分析技術(shù)領(lǐng)域。基于光聲原理的光聲光譜學(xué)器件已開發(fā)并應(yīng)用[14-15]。經(jīng)驗證，光聲光譜技術(shù)可在不消耗故障氣體的條件下進行多組分氣體檢測[16-17]。光聲光譜技術(shù)容易受到許多因素的影響，如噪聲、入射激光功率和溫度，特別是在實際應(yīng)用中難以消除和控制大量的噪聲源，降低檢測靈敏度。已有多位學(xué)者相繼開展了光聲光譜氣體檢測相關(guān)技術(shù)的研究。文獻[18]基于激光拉曼光譜對變壓器溶解氣體進行了光學(xué)檢測?；诟道锶~變換紅外光譜，文獻[19]利用算法增強了測量能力。雖然具備高靈敏度，但組件的復(fù)雜脆弱性并不適合實際現(xiàn)場應(yīng)用。此外，嘗試用纖維布拉格光柵(FBG)檢測溶解氣體中的氫元素[20]，但由于缺乏相應(yīng)的傳感材料，它不適用于檢測烴類氣體。為了解決目前光聲光譜技術(shù)的問題，提出了可調(diào)二極管激光吸收光譜技術(shù)來完成甲烷和乙炔檢測[21]，具有實時檢測、信噪比高、可靠性高、無樣品、無損檢測等優(yōu)點。如只有單組件檢測，很難滿足實際需求[14,22]。特別是，在線溶解氣體分析(On-line Dissolved Gas Analysis，簡稱DGA)中，多組分氣體的檢測分析信息對于診斷絕緣油的確切狀態(tài)至關(guān)重要。

本文基于可調(diào)二極管激光吸收光譜原理，研究一種多組分氣體(甲烷、乙烯、乙烯、乙烷)光學(xué)檢測系統(tǒng)，分析待測氣體之間交叉干擾的定量關(guān)系并通過理論結(jié)合試驗驗證。

1 可調(diào)二極管激光吸收光譜檢測原理

1.1 可調(diào)二極管激光吸收光譜技術(shù)

不同于直接吸收光譜的方法，可調(diào)二極管激光吸收光譜技術(shù)通過可調(diào)諧掃描二極管激光源測量高分辨率目標(biāo)光譜區(qū)域。由于不同氣體的振轉(zhuǎn)吸收線位于特定的光譜帶上，根據(jù)Beer-Lamert吸收定律，入射/發(fā)射強度的變化與激光束的路徑和特定波長內(nèi)氣體的濃度有關(guān)，忽略了散射和反射過程。激光輸出和氣體濃度的量化表達式由式(1)[23]給出。

(1)

指數(shù)項可以看作是氣體的吸光度系數(shù)，與特定溫度和壓力下的譜線強度成線性相關(guān)，

(2)

氣體介質(zhì)的管線強度極弱(10-5～10-7)，因此將傳輸強度計算為

(3)

探測器接收到的光強信號與大量的背景噪聲信號混合，因此不利于直接測量濃度。激光束與驅(qū)動電流成正比，為了實現(xiàn)所傳輸信號的諧波調(diào)制，采用了激光器注入電流的余弦調(diào)制，

ΔIcosωt→(I0+ΔIcosωt)(1-δ)

(4)

(5)

式中Hn——n個諧波調(diào)制系數(shù)傅里葉分量的階數(shù)，在nω的頻率下，可以通過鎖定放大器檢測到。

則，傳輸強度：

(6)

由此可以建立氣體濃度與諧波信號之間的關(guān)系。對于高階諧波分量的振幅，二次諧波信號(2f)易于檢測和計算[24-25]。信號處理情況如圖1所示。

當(dāng)光道中沒有吸收待測氣體時，光電探測器(PD)輸出與可調(diào)激光光源的調(diào)制強度成正比，如圖1(a)和(b)所示。一旦存在目標(biāo)待測氣體，在PD檢測周期中會出現(xiàn)吸收區(qū)域，而吸收信號很容易通過鎖定放大器獲得，如圖1(c)和(d)所示。由于激光器的輸出強度隨注入調(diào)制電流的變化而變化，圖1(e)中的2f諧波信號實際上在中心位置附近是不對稱的。

圖1 TDLAS信號處理圖

1.2 多組分氣體系統(tǒng)的建立

一個典型的可調(diào)二極管激光吸收光譜檢測硬件系統(tǒng)主要由光源及其驅(qū)動單元、氣體單元(吸收光路)、光電探測器、控制裝置和DAQ設(shè)備組成，如圖2所示。可調(diào)二極管激光吸收光譜系統(tǒng)在檢測工業(yè)氣體等應(yīng)用中已相對成熟。但考慮到多組分氣體的測量、交叉干擾、高靈敏度要求和實際應(yīng)用的振動干擾，不能直接應(yīng)用于電力變壓器的在線溶解氣體檢測。

圖2 典型TDLAS系統(tǒng)中的主要硬件

為了分析烴類多組分氣體檢測系統(tǒng)的影響因素，分別考慮了單組分檢測和多組分切換部分。對于單個氣體檢測，該檢測與氣體吸收強度、交叉靈敏度和噪聲水平密切相關(guān)。其中，吸收強度由吸收系數(shù)和光路決定，最終取決于激光源和氣體電池。烴類氣體檢測系統(tǒng)的影響因素如圖3所示。

圖3 烴類氣體檢測系統(tǒng)的影響因素

為了實現(xiàn)多重氣體的檢測和提高測量效果，需要解決3個問題。

(1) 激光源。為了提高單組分氣體檢測的選擇性，避免碳氫化合類氣體的交叉干擾，應(yīng)選擇高性能、窄線寬的激光光源。

(2) 氣室。為了提高激光束的有效吸收，長光程氣室的設(shè)計和集成至關(guān)重要。同時，與光學(xué)平臺上的實驗室測試不同，在實際應(yīng)用中應(yīng)考慮振動問題。

(3) 切換拓撲。由于多種碳氫氣體采用多種激光器，因此應(yīng)獨立控制各激光源的輸出和溫度，以避免相互干擾。使用光開關(guān)或耦合器是一種通過分時策略將多個光纖通道合并為一個光纖通道的方法。

2 TDLAS系統(tǒng)的試驗裝置

2.1 光學(xué)激光器

在可調(diào)二極管激光吸收光譜檢測系統(tǒng)中，激光不僅是一個光源，而且是光譜細分的保證。這要求激光器的光譜寬度遠小于吸收峰的寬度，如圖4所示。

圖4 吸收線選擇示意圖

可采用快速調(diào)諧(高于1 kHz)來獲得整個吸收峰的信息。關(guān)于光源的選擇，本研究還考慮了以下問題。

(1) 傳輸帶?；練怏w吸收條帶一般位于中紅外區(qū)域。使用中紅外激光器具有較高的檢測靈敏度。然而，不同的氣體有不同的吸收峰，使系統(tǒng)復(fù)雜、昂貴，難以集成。近紅外激光器可以在室溫下工作，可以覆蓋各種吸收波段，但氣體吸收強度較弱。長路徑吸收單元和波長調(diào)制光譜技術(shù)可用于提高檢測靈敏度。因此，首選近紅外區(qū)域(由ASTMNIR工作組定義為780～2 526 nm)。近紅外光纖傳輸損耗相對較低，特別是光電信頻帶(O帶：1 260～1 360 nm；E帶：1 360～1 460 nm；S帶：1 460～1 530 nm；C帶：1 530～1 565 nm；L帶：1 565～1 625 nm；U帶：1 625～1 675 nm)，如圖5所示。本研究重點關(guān)注了電信頻帶中的吸收線。

圖5 4種烴類氣體的吸收波長分布

(2) 中心波長。在吸收線的選擇中，主要考慮2個因素：一個是吸收線的強度；另一個是避免變壓器油中溶解的氣體線之間的相互干擾。例如，E波段代表水峰區(qū)域，將不會選擇這個波段的波長。因此，選擇了以下中心波長：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) 線性寬度。激光器的線寬是表示光譜寬度(通常是半最大值的全寬FWHM)的參數(shù)。首選線寬極窄、單色度高的激光器。

(4) 光學(xué)輸出。低光輸出不利于吸收，使用了微波電平激光器。

(5) 激光器類型。選擇分布式反饋激光器，其具有更好的動態(tài)單穩(wěn)定性、低噪聲操作、體積小等優(yōu)點。

2.2 多通氣室

在微量氣體檢測中，可調(diào)二極管激光吸收光譜檢測系統(tǒng)的光道設(shè)計對系統(tǒng)的性能有很大的影響。Beer-Lamert定律表明，對于某一氣體，氣體吸收與氣體濃度引起的信號衰減呈正相關(guān)。通過增加光路，可以有效地提高衰減信號的強度。因此，需要具有高靈敏度的長光路氣室。

傳統(tǒng)的多反射長氣程氣室主要包括Herriott氣室和White氣室。與White氣室相比，Herriott氣室只有兩個球面鏡，光學(xué)系統(tǒng)相對簡單。長光路氣室的設(shè)計可以在短距離內(nèi)實現(xiàn)，并且其光路易于調(diào)整。它的孔徑角小于White氣室。本文將Herriott氣室作為首選。當(dāng)氣室內(nèi)的環(huán)境溫度和氣體壓力變化時，待測氣體的光譜寬度和振幅會發(fā)生變化，導(dǎo)致測量氣體濃度出現(xiàn)偏差。此外，氣室的振動在現(xiàn)場應(yīng)用中是不可避免的。因此，有必要設(shè)計一個專門的Herriott電池，將溫度、壓力和振動等因素考慮其中。

為了控制環(huán)境參數(shù)，氣室使用壓力和溫度傳感器。真空脫氣是油氣分離的一種有效技術(shù)，預(yù)計氣室內(nèi)的壓力將低于正常大氣。將霍尼韋爾19真空儀表系列傳感器安裝在氣體電池上，與316不銹鋼兼容。特殊的真空表系列傳感器是專門為真空暴露的應(yīng)用設(shè)計的。此外，溫度傳感器和加熱帶用以保持溫度的穩(wěn)定。

為了減少振動的影響，必須保持光學(xué)器件的相對固定。通過機械連接將PD、準(zhǔn)直器和氣室作為一個整體，從氣室到真空泵使用柔性管道來避免振動。

本研究開發(fā)了一個定制的Herriott氣室。在0.34 m機械長度內(nèi)實現(xiàn)10.13 m的光程，如圖6所示。

圖6 特殊的長路徑Herriott氣室的結(jié)構(gòu)視圖

氣室的詳細參數(shù)如表1所示。

表1 專用Herriott氣室的技術(shù)參數(shù)

2.3 多組分氣體檢測拓撲結(jié)構(gòu)

碳氫氣體的中心波長不同，需4個單獨控制的激光器。使用4個熱電控制器模塊和FPGA板來獨立驅(qū)動和控制。熱電控制器模塊是為了保持激光的溫度穩(wěn)定性，F(xiàn)PGA是為了精確控制激光的輸出并記錄測量數(shù)據(jù)。由于4個激光器的波長彼此接近，因此單個氣室的波長更有利。這意味著有4個入射光和一個輸出光，因此必須通過光耦合器或光纖開關(guān)將激光通道依次切換到Herriott氣室。

在相同的條件下，比較了兩個光學(xué)元件的效果，如圖7所示。選擇光纖開關(guān)，因光纖開關(guān)具有更好的信噪比性能。

圖7 光耦合器與光開關(guān)的比較

基于可調(diào)二極管激光吸收光譜的烴類氣體檢測系統(tǒng)的配置如圖8所示。整個系統(tǒng)由光源控制單元、激光發(fā)射和接收單元、氣體電池和氣體路徑、數(shù)據(jù)采集單元4個部分組成。所述光源控制單元包括4個FPGA模塊、4個熱電控制器模塊、4個分布式反饋激光器和一個光學(xué)開關(guān)。

圖8 變壓器油中烴類氣體的TDLAS系統(tǒng)配置

光源控制單元實現(xiàn)光源的調(diào)制輸出。光發(fā)射/接收單元包括光纖準(zhǔn)直器和光電探測器，完成光源的準(zhǔn)直輸出和光強度檢測。氣室和氣體路徑單元包含專用的Herriott單元、進氣管、出口管、壓力/溫度傳感器、輔助溫度控制模塊等。數(shù)據(jù)采集單元主要包括鎖定放大器、前置放大器、數(shù)據(jù)采集裝置NI-USB-6341和計算機，完成諧波信號的采集、記錄和氣體濃度反轉(zhuǎn)。為了提高系統(tǒng)的集成和穩(wěn)定性，調(diào)制信號發(fā)生器、控制器、前置放大器和鎖式放大器都集成在單個FPGA集成板上。

基準(zhǔn)正弦波(1f調(diào)制)頻率設(shè)置為31.4 kHz，以避免低頻噪聲。因此，基于FPGA的2f解調(diào)的頻率為62.8 kHz。

3 結(jié)果和分析

3.1 試驗裝置測試

用所設(shè)計的試驗裝置對甲烷、乙炔、乙烯和乙烷光譜吸收的測量，以確定其檢測靈敏度。選擇化學(xué)性能穩(wěn)定、無光譜吸收的氮氣(N2)作為平衡氣體。利用質(zhì)量流量控制器獲得不同濃度的碳氫化合物氣體，如50，100，200 μL/L和500 μL/L。將混合氣體分別通入專用的Herriott氣室中。

通常，吸收光譜的2f信號(以甲烷為例)如圖9所示。

圖9 甲烷的典型吸收光譜

由圖9可見，出現(xiàn)殘余振幅調(diào)制現(xiàn)象，峰峰電壓值反映了吸收強度。

不同濃度的甲烷、乙炔、乙烯、乙烷的峰峰電壓值及其之間的線性關(guān)系如圖10至圖13所示。峰峰電壓值是傳感裝置檢測到的二次諧波電壓的峰值，各氣體濃度單位為μL/L。擬合曲線表明，該傳感器具有良好的線性度和靈敏度。以甲烷測量為例，甲烷濃度增加100 μL/L，電壓增加0.086 V。

圖10 不同濃度下甲烷的2f信號

圖11 不同濃度下乙炔的2f信號

圖12 不同濃度下乙烯的2f信號

圖13 不同濃度下乙烷的2f信號

為了研究各種氣體的檢測性能，必須考慮噪聲水平和信噪比。對于氣體檢測，噪聲振幅控制在mV水平。因此，甲烷和乙炔的檢測靈敏度達到1.2 (μL/L)/mV分別和0.4 (μL/L)/mV。乙烯和乙烷的檢測靈敏度分別為2.0 (μL/L)/mV和2.86 (μL/L)/mV。

高線性度和高靈敏度證明了所提出的基于可調(diào)二極管激光吸收光譜的多組分氣體檢測系統(tǒng)的有效性。特別在檢測乙炔(高強度放電指示氣體)靈敏度最高，有助于發(fā)現(xiàn)電力變壓器的早期故障。

3.2 交叉干擾測試

首先，對烴類氣體的互相交叉干擾情況進行分析。依次分別用甲烷、乙炔、乙烯、乙烷代替氮氣作為平衡氣體通入氣室中，與用氮氣作為平衡氣體時的測試結(jié)果進行對比，如圖14所示。

圖14 烴類氣體互相干擾情況

從圖14(a)可以看出，乙炔(C2H2)對甲烷(CH4)具有明顯的干擾，對乙烷(C2H6)的干擾較小，對乙烯(C2H4)幾乎沒有干擾。從圖14(b)可以看出，乙烯對其他3種氣體的干擾都很小。從圖14(c)可以看出，乙烷對乙炔跟甲烷的干擾很小，對乙烯幾乎沒干擾。從圖14(d)可以看出，甲烷對其他3種氣體的干擾幾乎沒有。

其次，考慮到變壓器實際運行時CO2的含量通常在500～10 000 μL/L，向氣室通入3 000 μL/L的高濃度CO2氣體，分別測量4種烴類氣體受到其干擾的情況。試驗結(jié)果如圖15所示。由圖15可以看出，CO2對4種烴類氣體的干擾都較小。

圖15 CO2對烴類氣體的干擾情況

最后，為了研究水氣對烴類氣體的干擾情況，通入10 000 μL/L的飽和鹽溶液與高純度氮氣混合氣體，得到的測量結(jié)果如圖16所示。由圖16可以發(fā)現(xiàn)，水氣對甲烷的干擾尤其明顯，對其他3種氣體的影響較小，可以忽略。

圖16 測量結(jié)果

4 結(jié)語

(1)本文研究了一種基于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜原理的光學(xué)技術(shù)，該技術(shù)可對電力變壓器油中的多組分故障氣體進行在線實時監(jiān)測。

(2)區(qū)別于單組分測量，本文研究了光源、長路徑氣體氣室以及拓撲結(jié)構(gòu)3個核心技術(shù)問題，分析確定了碳氫氣體的特定中心波長：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)本文設(shè)計了一種光學(xué)集成0.34 m的氣室，可以減少實際應(yīng)用的振動效應(yīng)。此外，在光開關(guān)的作用下實現(xiàn)了多種氣體的分時向性。由試驗結(jié)果表明，甲烷、乙烯和乙烷的檢測靈敏度分別為1.2，2.0 (μL/L)/mV和2.86 (μL/L)/mV。特別是臨界故障氣體乙炔的靈敏度高達0.4 (μL/L)/mV。在此基礎(chǔ)上研究了多組分氣體交叉干擾特性，可為光譜多組分氣體檢測的修正給出了參考。