基于先進(jìn)激光檢測技術(shù)的變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究

李傳才，韓中杰，周迅，商小峰

（國網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

0 引言

激光技術(shù)國外研究得較早，用于痕量氣體的檢測、溫室氣體的監(jiān)測等方面。當(dāng)前，德國科學(xué)家在痕量氣體測量中使用了基于長光程的調(diào)制技術(shù)，大大提高了測量的進(jìn)度，達(dá)到ppb量級，處于領(lǐng)先地位。美國科學(xué)家Hanson團(tuán)隊?wèi)?yīng)用波長調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)了對等離子體溫度、燃燒診斷等的測量，取得了較好的效果[1]。瑞典科學(xué)家U.Gustafsson團(tuán)隊采用二極管激光器和差頻等非線性光學(xué)技術(shù)同時對CH4、O2和H2O進(jìn)行檢測，取得較好的效果?；诩す饧夹g(shù)，NEO、錫克-麥哈克、西門子等相繼推出了此類氣體在線分析儀。

相對于國外對激光技術(shù)的研究，國內(nèi)也開展了許多應(yīng)用研究。國內(nèi)主要研發(fā)開始于90年代后期，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所針對環(huán)境監(jiān)測、生態(tài)測量等方面的研究及相關(guān)檢測儀器的研究做出了很多貢獻(xiàn)，該所采用分立調(diào)諧的CO2激光器，在1993年研制出第一臺差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)，并應(yīng)用于煤礦下的C2H4、空氣中的NO2等氣體的實時濃度監(jiān)測；在2002年應(yīng)用二極管激光光譜技術(shù)研制出檢測CO2的儀器；應(yīng)用激光技術(shù)，對機(jī)動車尾氣中的CO和CO2進(jìn)行遙感檢測并開展相應(yīng)的分析測量；采用激光技術(shù)，實現(xiàn)甲烷氣體應(yīng)用于工業(yè)中的濃度監(jiān)測[2]。

1 基于激光技術(shù)的氣體檢測理論與應(yīng)用研究

激光器吸收光譜技術(shù)是依托吸收光譜學(xué)發(fā)展而來的，由于分子的能量具有量子化的特征，導(dǎo)致所有的原子或分子會選擇性的吸收不同波長的電磁波。在正常狀態(tài)下，原子或分子均位于自身所處的能級上，如遇到光激發(fā)，分子會由于能量增加而從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)[3]。在這一過程中，需要注意的是，分子不是所有能量均能吸收的，而僅能吸收與分子自身所處能級較為接近的能量，也就是只能吸收一定能量范圍的光子。當(dāng)分子或原子受到某一個光波長范圍的光波連續(xù)照射時，就會有部分波長的光被吸收，于是形成了吸收光譜。

如圖1所示，原子或分子的能量處于基帶的e1級，當(dāng)受到光波照射并吸收能量后，可從e1級激發(fā)到激發(fā)態(tài)的ef，在這一過程中，分子或原子所獲得的ΔE增加等于其所吸收的光子能量。

圖1 原子分子能級示意圖Fig.1 Schematic diagram of atomic molecular energy level

在實際環(huán)境中，由于不同氣體介質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)差異很大，內(nèi)部的分子運動形式及原子間的作用機(jī)制更是復(fù)雜多變，會使得分子的能級躍遷存在多種不同的狀態(tài)：（1）電子運動狀態(tài)改變導(dǎo)致的能級躍遷；（2）分子轉(zhuǎn)動或振動狀態(tài)改變導(dǎo)致的能級躍遷；（3）分子轉(zhuǎn)動和振動狀態(tài)同時改變導(dǎo)致的能級躍遷。

外層電子運動狀態(tài)改變所導(dǎo)致的能級躍遷所需的能量較大，這一躍遷過程中所存在的吸收、發(fā)射光譜處于紫外和可見光區(qū)[4]。分析的轉(zhuǎn)動、振動或同時轉(zhuǎn)動振動所導(dǎo)致的能級躍遷箱底較小，經(jīng)測算為0.05-1ev，因此純轉(zhuǎn)動光譜主要集中在微波譜區(qū)和遠(yuǎn)紅外譜區(qū)，振動或同時振動轉(zhuǎn)動的光譜主要集中在近紅外譜區(qū)。

激光正是利用了氣體物質(zhì)對光的選擇吸收性來實現(xiàn)檢測，一些常見氣體都有吸收峰。當(dāng)一束平行光通過充有氣體的氣室時，如果光源光譜覆蓋一個或多個氣體吸收線，光通過氣體時將發(fā)生衰減。

圖2 光吸收示意圖Fig.2 Schematic diagram of light absorption

傳統(tǒng)的直接吸收光譜法，簡單易于操作，不需要特殊標(biāo)定就可以通過對光譜吸收率測量來反應(yīng)氣體對激光強(qiáng)度吸收的能力。然而，應(yīng)用該方法對痕量氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測時，微弱吸收信號易被環(huán)境噪聲所淹沒，從而使對微弱吸收信號的監(jiān)測靈敏度出現(xiàn)問題[5]。而對微弱吸收信號的監(jiān)測是一項非常重要的課題，為了提高對微弱信號的監(jiān)測效率，提高光譜測量的靈敏度，可引入調(diào)制技術(shù)來實現(xiàn)對微弱光譜信號的監(jiān)測，如圖3所示。

圖3 波長調(diào)制過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of wavelength modulation process

國內(nèi)外相關(guān)科研機(jī)構(gòu)針對激光技術(shù)的氣體檢測，有相當(dāng)多的理論成果，并研制出相關(guān)的氣體分析儀器。本裝置的油氣分離系統(tǒng)采用真空脫氣法，其原理清晰簡潔，技術(shù)也相對成熟。

2 激光器波長控制

通過控制InAsPDFB LD，使其在-5～50℃范圍內(nèi)的變化，從而實現(xiàn)溫度控制技術(shù)的LD的波長調(diào)節(jié)。模塊內(nèi)置有FP標(biāo)準(zhǔn)具和光功率檢測器，在ITU規(guī)定的50 GHz間隔的柵格上對連續(xù)光輸出的激光進(jìn)行鎖定[6-8]。內(nèi)置兩個獨立的熱電致冷器，其中一個控制LD的波長，另一個用于確保模塊內(nèi)的功率探測器和波長鎖定器的恒溫工作，總體設(shè)計框架圖：

圖4 總體設(shè)計框架圖Fig.4 Overall design framework diagram

主要由兩個環(huán)節(jié)來完成波長調(diào)節(jié)，單片機(jī)調(diào)節(jié)溫度控制電器中與LD內(nèi)部熱敏電阻對應(yīng)的數(shù)字電位器的阻值在需要調(diào)節(jié)波長時，需要將阻值與對應(yīng)波長的相應(yīng)熱敏電阻值保持一致。電阻的阻值變化會使得電路電壓產(chǎn)生差值，并通過TEC驅(qū)動器將變化反饋給LD，從而得到所要的波長[9-10]。通過調(diào)節(jié)熱敏電阻的阻值和電流來調(diào)節(jié)波長。

3 結(jié)論

通過激光檢測技術(shù)的變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，具體以下特點：（1）克服了氣相色譜法、光聲光譜法兩種方法所存在的固有缺陷，采用激光吸收光譜技術(shù)，可大大提高氣體檢測的靈敏度、精度和分辨率，能夠達(dá)到或超過檢測標(biāo)準(zhǔn)的要求。（2）該設(shè)備檢測變壓器油中溶解氣體時，實現(xiàn)完全非接觸式的實時檢測（包括設(shè)備本身）、線路不中斷供電，不影響電力生產(chǎn)工作。（3）該設(shè)備可以準(zhǔn)確預(yù)知變壓器的運行狀況，可以準(zhǔn)確判斷變壓器的生命周期，為狀態(tài)檢修提供可靠的數(shù)據(jù)，為改變目前頻繁、多次的設(shè)備檢修模式提供了可能。