基于光聲光譜的變壓器油中多組分氣體檢測(cè)方法

王新寬，步長(zhǎng)鋒，云玉新

（1.重慶電力設(shè)計(jì)院，重慶 400030；2.華電國(guó)際鄒縣發(fā)電廠，山東 鄒城 273522；3.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250002；4.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)），重慶 400030）

0 引言

油中溶解氣體是表征運(yùn)行電力變壓器早期潛伏性故障的重要特征量之一，油中溶解氣體的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在變壓器運(yùn)行狀態(tài)的在線評(píng)估及剩余壽命的預(yù)測(cè)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景［2-3］。目前，變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置中所用的氣體檢測(cè)方法主要是氣相色譜法、氣敏傳感器法、傅立葉紅外光譜法等，但在長(zhǎng)期使用中，這些方法存在取樣復(fù)雜、交叉敏感、長(zhǎng)期穩(wěn)定性差、檢測(cè)氣體組分不夠齊全等缺點(diǎn)。

光聲光譜技術(shù)作為一種光學(xué)檢測(cè)技術(shù)，它自身不需要消耗及分離氣體，且在靈敏度、選擇性、動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍等方面顯示了獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)［7-9］，其在變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力?；诠饴暪庾V技術(shù)的基本原理，以絕緣油劣化最早產(chǎn)生的甲烷氣體和往往伴隨變壓器內(nèi)部放電性故障而產(chǎn)生得乙炔氣體為對(duì)象，研究變壓器油中多種故障特征氣體的光聲光譜檢測(cè)方法，為多組分故障特征氣體光聲光譜儀的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 多組分氣體的光聲光譜檢測(cè)原理及實(shí)驗(yàn)裝置

光聲光譜技術(shù)是基于光聲效應(yīng)，通過直接測(cè)量物質(zhì)吸收光能而產(chǎn)生熱能的一種光譜量熱技術(shù)［10］。在氣體的光聲效應(yīng)中，氣體分子吸收經(jīng)過調(diào)制的特定波長(zhǎng)紅外光能而被激發(fā)到高能態(tài)，由于高能態(tài)極不穩(wěn)定，分子隨即以無輻射躍遷形式將吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏氐交鶓B(tài)；由于光能是周期調(diào)制的，這使得密閉于氣池中的氣體分子的熱能也呈周期性變化，宏觀上表現(xiàn)為壓力的變化，即產(chǎn)生聲波［11］。對(duì)于多組分混合氣體，由于氣體對(duì)紅外光的吸收具有選擇性，即不同的氣體組分具有特定的紅外吸收光譜，因此，根據(jù)用來激發(fā)氣體光聲效應(yīng)的紅外光源的波長(zhǎng)信息即可斷定氣體的組分；另一方面，由于聲波強(qiáng)度與吸收氣體組分的體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，因此，利用聲波強(qiáng)度與體積分?jǐn)?shù)間的定量關(guān)系，即可判斷出氣體組分體積分?jǐn)?shù)。

基于以上原理，設(shè)計(jì)如圖1所示的光聲光譜檢測(cè)裝置，主要包括分布反饋半導(dǎo)體激光器、激光控制器、斬波器、光聲池、鎖相放大器、計(jì)算機(jī)等。該裝置采用的NEL公司的分布反饋半導(dǎo)體激光器，其發(fā)射線寬為2 MHz，相對(duì)于氣體的吸收線寬（一般在GHz）來說可以忽略，因而該激光器是一種理想的單色光源，激光控制器采用Thorlabs公司的ITC502。本文的光聲池設(shè)計(jì)為一階縱向共振光聲池，其縱剖面如圖1所示，中部的諧振腔是長(zhǎng)10 cm、直徑1 cm的圓柱型腔體；諧振腔兩端的腔體稱為緩沖室，它們用來隔離窗口片的光吸收產(chǎn)生的噪聲，緩沖室的長(zhǎng)度取5 cm，直徑取4 cm，光聲池由黃銅加工而成，內(nèi)表面拋光，并用透過率大于90%的石英窗片密封兩端口。光聲效應(yīng)產(chǎn)生的聲波用Knowles公司微音器EK3024來檢測(cè)，將微音器EK3024安置在諧振腔中部，并使其開口剛好與諧振腔管壁平齊，可以獲得最好的檢測(cè)效果，EK3024的靈敏度為22 mV/Pa。斬波器采用Stanford公司的SR540，其頻率調(diào)制范圍為4～3.7 kHz，斬波器輸出的方波信號(hào)和微音器輸出的正弦波信號(hào)分別作為鎖相放大器SR830的參考信號(hào)和待測(cè)信號(hào)，經(jīng)互相關(guān)檢測(cè)，提取出光聲信號(hào)后，送入計(jì)算機(jī)。

由于光聲系統(tǒng)所檢測(cè)的氣體種類取決于激光器的工作波長(zhǎng)，依據(jù)以下原則來選擇激光器的工作波長(zhǎng)：①為使系統(tǒng)具有較高的檢測(cè)靈敏度，宜選擇氣體紅外光譜中具有強(qiáng)吸收的吸收譜線；②為避免氣體間的交叉吸收干擾，待測(cè)氣體的吸收譜線應(yīng)避免與其他故障特征氣體及非故障特征氣體的吸收譜線重疊；③使激光器的調(diào)諧范圍能夠覆蓋幾條相鄰的吸收譜線，因?yàn)殡S著激光器工作時(shí)間的延長(zhǎng)，它的特性參數(shù)可能會(huì)發(fā)生變化，所以選擇一個(gè)具有多個(gè)強(qiáng)吸收譜線的波長(zhǎng)范圍可以保證至少有一條吸收譜線可用；④所選的激光器工作波長(zhǎng)在市場(chǎng)有售的激光器波長(zhǎng)范圍內(nèi)。據(jù)此，選擇1654nm和1 520 nm激光器來分別檢測(cè)CH4和C2H2。圖2給出CH4和C2H2在1 654 nm和1 520 nm附近的紅外光譜。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

圖2 CH4和C2H2的近紅外光譜

2 多組分氣體的光聲光譜檢測(cè)

2.1 氣體間的交叉吸收實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)CH4和C2H2對(duì)兩種激光器的紅外輻射是否存在交叉吸收，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：向光聲池中注入一定體積分?jǐn)?shù)的CH4氣體，分別對(duì)1 520 nm和1 654 nm兩種激光器照射下的光聲信號(hào)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，結(jié)果如圖3（a）所示；同理，用N2清洗光聲池后，再向池中充入一定體積分?jǐn)?shù)的C2H2氣體，分別對(duì)1 520 nm和1 654 nm兩種激光器照射下的光聲信號(hào)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果如圖3（b）所示。

由圖3可見，1 654 nm的激光器只引起CH4的吸收，而1 520 nm的激光器則只會(huì)被C2H2吸收，可見，使用這兩種波長(zhǎng)的激光器，不會(huì)引起氣體間的交叉干擾，說明系統(tǒng)具有良好的選擇性。此外，由圖3（a）、（b）可以看出，1 520 nm和1 654 nm激光器下測(cè)得的信號(hào)并不是零，這是由噪聲引起的，而不是氣體吸收所致。

圖3 CH4和C2H2的交叉吸收實(shí)驗(yàn)

2.2 多組分氣體光聲定量方法

理論研究表明，光聲信號(hào)與氣體體積分?jǐn)?shù)間存在如下關(guān)系［12］：

式中，SPA為光聲信號(hào)，Ccell為池常數(shù)，Ntot為總的氣體分子數(shù)密度，σ為氣體的吸收橫截面，c為氣體體積分?jǐn)?shù)，P為激光功率。理想情況下，用m條激光譜線分析n組分氣體（m≥n），可以得到m條譜線下的光聲信號(hào)，根據(jù)式（1），對(duì)于氣體各組分的體積分?jǐn)?shù)，可建立方程組（式（2））來求解。

式中，Si為譜線i下的光聲信號(hào)；Pi為譜線i的功率；Ntot為總的粒子數(shù)密度；σik為氣體組分k在譜線i下的吸收橫截面，ck為氣體體積分?jǐn)?shù)。若氣體間不存在交叉吸收，即 σik=0（i≠k ）時(shí)，式（2）可簡(jiǎn)化為：

利用測(cè)得的光聲信號(hào)，使用式（2）或式（3）反演氣體體積分?jǐn)?shù)，存在一些問題，如在實(shí)際測(cè)量中，由于系統(tǒng)中各種噪聲的影響，會(huì)導(dǎo)致光聲信號(hào)的測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差；同時(shí)，無論池常數(shù)、激光功率、氣體粒子數(shù)密度及吸收系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值還是理論值也必定與真實(shí)值存在誤差，這些誤差在反演計(jì)算時(shí)也會(huì)累加到氣體體積分?jǐn)?shù)的分析結(jié)果中。鑒于這些問題，針對(duì)所構(gòu)建的具有良好選擇性的光聲光譜裝置，提出一種基于最小二乘回歸的氣體光聲定量分析方法，該方法的思路是：首先，獲取大量已知體積分?jǐn)?shù)的單一氣體組分的光聲信號(hào)；然后，應(yīng)用最小二乘回歸方法對(duì)光聲信號(hào)及氣體組分的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行一元線性回歸，得到它們之間的定量關(guān)系；根據(jù)這一關(guān)系，即可利用測(cè)得的多組分混合氣體的光聲信號(hào)來反演氣體不同組分的體積分?jǐn)?shù)。

建立光聲信號(hào)與氣體體積分?jǐn)?shù)間的定量關(guān)系有以下兩步：①已知體積分?jǐn)?shù)氣體光聲信號(hào)的測(cè)量；②所測(cè)光聲信號(hào)與其對(duì)應(yīng)氣體體積分?jǐn)?shù)的最小二乘回歸擬和。實(shí)驗(yàn)中，使用基于質(zhì)量流量控制器在10～10 000 μL/L之間的若干不同體積分?jǐn)?shù)的CH4和C2H2氣樣。為避免光聲池氣密性不佳而導(dǎo)致氣體泄漏，采用流動(dòng)氣體法使氣體緩慢流過光聲池，并且使用氣相色譜儀對(duì)氣體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行最終標(biāo)定；測(cè)量光聲信號(hào)時(shí)，為減小系統(tǒng)噪聲干擾產(chǎn)生的測(cè)量誤差，使用多次測(cè)量取平均的方法進(jìn)行讀數(shù)。圖4（a）和圖4（b）分別給出了CH4和C2H2的體積分?jǐn)?shù)與其光聲信號(hào)的關(guān)系?？梢钥闯觯趫D示體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，CH4、C2H2的體積分?jǐn)?shù)與其光聲信號(hào)保持線性關(guān)系，應(yīng)用最小二乘回歸方法進(jìn)行線性擬和的結(jié)果為

圖4 光聲信號(hào)與氣體體積分?jǐn)?shù)的最小二乘回歸

根據(jù)前面的分析，利用式（4）與式（5）所確立的CH4、C2H2的體積分?jǐn)?shù)與其光聲信號(hào)的關(guān)系，便可反演出混和氣體中CH4和C2H2的體積分?jǐn)?shù)。

2.3 多組分氣體光聲檢測(cè)

為了驗(yàn)證上述方法和以上兩式的正確性與精確度，表1給出了用光聲光譜和氣相色譜對(duì)由不同體積分?jǐn)?shù)的CH4和C2H2所組成的混合氣體進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果對(duì)比，其中偏差e表示光聲光譜檢測(cè)值CPAS與氣相色譜檢測(cè)值CGC的差占CGC的百分比，即

從表1中可以看出，使用氣相色譜儀和光聲光譜系統(tǒng)對(duì)混和氣體中的CH4和C2H2檢測(cè)的結(jié)果差別不大，其中對(duì)CH4檢測(cè)的偏差不超過6.6%，而對(duì)C2H2檢測(cè)的偏差則不超過7.4%。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于DFB半導(dǎo)體激光器陣列光源的多組分氣體分析方法及所建立的氣體定量分析方法是有效的。

表1 氣相色譜與光聲光譜的測(cè)量結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

油中溶解氣體的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)雖已歷經(jīng)四十余年的研究，但由于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性，現(xiàn)有技術(shù)仍存在無法滿足現(xiàn)場(chǎng)要求且難以克服的諸多不足，因而，需要引入一種新的油中氣體檢測(cè)技術(shù)。以甲烷和乙炔為例，對(duì)多組分故障特征氣體的光聲光譜檢測(cè)方法進(jìn)行了研究；設(shè)計(jì)的基于分布反饋半導(dǎo)體激光器的光聲光譜檢測(cè)裝置對(duì)甲烷和乙炔具有良好的選擇性，且氣體體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)范圍大，能夠滿足油中氣體在線監(jiān)測(cè)的應(yīng)用要求；提出的基于最小二乘回歸的多組分氣體光聲定量分析方法在反演氣體體積分?jǐn)?shù)時(shí)，不需要池常數(shù)、氣體吸收系數(shù)及激光功率等參數(shù)，從而避免了這些參數(shù)引入的誤差。文中的理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果為油中溶解氣體光聲光譜檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)提供了有意義的參考。