變壓器油中氣體拉曼光譜光纖增強(qiáng)檢測實驗研究

錢國超，彭慶軍，彭惠

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217，2.云南變壓器電氣股份有限公司，云南 昆明 650100）

0 前言

變壓器的安全穩(wěn)定運行是電網(wǎng)正常工作的重要保障，變壓器油作為變壓器的“血液”，起到絕緣、散熱、消弧等作用[1-2]。為了實現(xiàn)對變壓器運行狀態(tài)的在線監(jiān)測，最常用的方法就是對變壓器油中溶解氣體的監(jiān)測診斷。當(dāng)電力變壓器出現(xiàn)包括放電、過熱或老化在內(nèi)的故障時，絕緣材料會分解產(chǎn)生相應(yīng)的特征氣體，通 常 包 括H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO、CO2這七種特征氣體[3-6]?，F(xiàn)階段油中溶解氣體的監(jiān)測主要是氣相色譜法，它的主要流程包括取樣、脫氣、色譜儀分析和數(shù)據(jù)處理四個部分。它的局限性在于色譜分析只能在實驗室進(jìn)行，且不能實現(xiàn)連續(xù)的在線監(jiān)測，同時靈敏度較為有限[7-9]；而紅外吸收光譜法[10-12]和光聲光譜法[13-16]雖無需色譜柱，能實現(xiàn)混合氣體的直接分析，但檢測準(zhǔn)確度有待提高，且每種待測氣體都需一個特定波長激光來實現(xiàn)氣體的有效檢測。

光纖增強(qiáng)技術(shù)通過提高待測氣體與激光有效作用長度及拉曼散射光子的收集效率，提高了氣體拉曼檢測靈敏度，為基于拉曼光譜技術(shù)的變壓器老化監(jiān)測及故障診斷打下了良好的基礎(chǔ)?？招竟庾訋豆饫w（HC-PCF）已成為痕量氣體傳感領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)，顯示出進(jìn)一步提高靈敏度的潛力[17-19]。這種具有低波導(dǎo)損耗特性的新型光纖可以實現(xiàn)激光與拉曼活性氣體分子的長期光學(xué)相互作用。目前引入臨床診斷領(lǐng)域最先進(jìn)的基于光纖的非侵入性和無痛多組分呼吸傳感器拉曼光譜裝置，其檢測限＜100 ppm[20]，是一種很有前途的新方法。然而，濃度水平為幾個ppm甚至更低濃度的有機(jī)化合物（例如CH4，H2，13CO2或C3H6O）的基于拉曼的檢測亞ppm在氣體成分分析中尚未建立。

1 最佳光纖長度

針對7種變壓器油中溶解故障特征氣體H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6進(jìn) 行拉曼光譜檢測。以H2為例，檢測的實測結(jié)果如圖1所示：

圖1 H2拉曼光譜圖

CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6這六種故障特征氣體與H2同理，其拉曼譜峰及特征峰總結(jié)如下表：

表1 譜峰對應(yīng)的氣體及7種氣體特征拉曼譜峰

測得了7種變壓器油中溶解故障特征氣體的拉曼光譜特征峰頻移(cm-1)。轉(zhuǎn)換為國際標(biāo)準(zhǔn)單位(m-1)后，根據(jù)公式可得對應(yīng)波長(m)：

其中ω是不同氣體特征峰的波數(shù)(cm-1)，l0是激光波長532nm，λ1是不同氣體的拉曼光的波長(nm)。

計算出不同氣體的w后，根據(jù)所用光纖HC-580-02的典型衰減和散射曲線，找出對應(yīng)波長的衰減值a(dB/m)。隨后將a帶入式、計算前向拉曼散射和后向拉曼散射的值，并繪出最大有效光纖長度和前向、后向散射強(qiáng)度的關(guān)系圖。

其中單位為m-1的αL和αR表示激發(fā)激光和特定拉曼頻率下的拉曼信號的衰減。不同特征氣體的波數(shù)、波長、衰減值如下表所示：

表2 特征氣體的波數(shù)、波長、衰減值計算

由圖2可知，由于前向拉曼散射強(qiáng)度隨著光纖長度正常劇烈下降，因此我們選擇測量后向拉曼散射強(qiáng)度。由圖可知，后向拉曼散射強(qiáng)度隨著光纖長度增長逐漸趨于平穩(wěn)。同時，我們所使用的空芯光子帶隙光纖成本較高，因此過長的光纖將導(dǎo)致實驗的成本上升。綜合考慮各種氣體的曲線特性，我們選擇后向拉曼散射強(qiáng)度趨于平穩(wěn)后的最短光纖長度作為我們的最佳光纖長度。由圖可知，最佳光纖長度約為1 m。

圖2 最大有效光纖長度和前向、后向散射強(qiáng)度的關(guān)系圖

2 光纖增強(qiáng)拉曼光譜檢測

7種變壓器故障特征氣體可分為三類，即H2、碳氧類氣體（CO、CO2）和烴類氣體（CH4、C2H2、C2H4、C2H6）。本 文 選 取H2、CO2和C2H6三種具有代表性的氣體進(jìn)行光纖增強(qiáng)拉曼光譜檢測與分析。

激光器發(fā)出激光后，經(jīng)過擴(kuò)束器擴(kuò)束，使得到達(dá)二向分色鏡的激光直徑增大，由公式可推出經(jīng)散射前的激光直徑越大，經(jīng)過透鏡后的凝聚效果就更好。因此，激光束經(jīng)過二向分色鏡后，由耦合器（物鏡代替）將激光耦合到空芯光子帶隙光纖中，通入混合待測氣體使得氣體和光子在空芯光纖內(nèi)充分接觸。在光纖適配器處接有數(shù)字手持式光功率和能量計表頭及標(biāo)準(zhǔn)光電二極管功率探頭，進(jìn)行功率測量。之后激光返回到二向分色鏡處，由于拉曼散射使得激光頻率降低、波長增大，而瑞利散射的波長不變且強(qiáng)度遠(yuǎn)大于拉曼散射，則大于一定波長的光，即拉曼光才能透過二向分色鏡到達(dá)空間濾波器處，這里的二向分色鏡起到初步濾除瑞利散射的作用。到達(dá)濾波器后，濾除干擾信號，提高了信號的信噪比。隨后透過濾波鏡進(jìn)行進(jìn)一步的濾除瑞利散射，只將波長高于532 nm的拉曼散射光通過，最終經(jīng)過透鏡進(jìn)入光譜儀CCD進(jìn)行信號采集。

為了更好地將光耦合進(jìn)入光纖，需要對激光的光束進(jìn)行擴(kuò)束：

由圖4可知，經(jīng)過透鏡后的光束半徑ω0與入射光直徑C成反比，即如要獲得更小的ω0，則必須使得直徑C盡量大。其計算公式如下：

圖4 激光聚光示意圖

其中，ω0為經(jīng)過透鏡后的光束半徑，λ為激光波長532nm，C是入射光直徑，f是主點到聚光點的距離。借助MATLAB工具，相關(guān)計算過程如下：

已知物鏡工作距離31.1mm，擴(kuò)束前入射光直徑C0=2mm，擴(kuò)束倍率2倍，故擴(kuò)束后C1=2×C0，光纖波長532nm，帶入公式計算，可 得ω0=5.2665×10-6；ω1=2.6333×10-6?？?以看出經(jīng)過擴(kuò)束后的ω值減小。由于光纖空芯的直徑為6.6 μm±1 μm，為了更容易將激光順利通過空芯，因而采取擴(kuò)束的方法。

擴(kuò)束鏡的實物圖如圖5(a)所示，結(jié)構(gòu)圖如圖5(b)所示：

圖5 BE-2-V擴(kuò)束鏡（a）外觀（b）結(jié)構(gòu)圖

3 氣體光纖增強(qiáng)拉曼檢測結(jié)果

7種變壓器故障特征氣體可分為三類，即H2、碳氧類氣體（CO、CO2）和烴類氣體（CH4、C2H2、C2H4、C2H6）。本 文 選 取H2、CO2和C2H6三種具有代表性的氣體進(jìn)行光纖增強(qiáng)拉曼光譜檢測與分析。

按圖3的設(shè)計方案，搭建實驗平臺，并進(jìn)行硬件調(diào)試與平臺的優(yōu)化。調(diào)試完成后，分別向光纖內(nèi)充入H2、CO2和C2H6，進(jìn)行光纖增強(qiáng)拉曼光譜檢測；檢測完成后，不采用光纖增強(qiáng)、直接對H2、CO2和C2H6進(jìn)行拉曼光譜檢測。6組實驗的檢測條件完全相同，增強(qiáng)前作為對照組，用以檢測光纖增強(qiáng)的性能。

圖3 氣體光纖增強(qiáng)拉曼光譜檢測平臺

3.1 H2檢測結(jié)果對比與分析

實驗條件：溫度25℃；激光功率60 mW；CCD與光譜儀參數(shù)設(shè)置：積分時間5 s，積分次數(shù)2，狹縫寬度100，2號光柵。在相同實驗條件下，基于光纖增強(qiáng)前與增強(qiáng)后檢測的H2拉曼光譜對比圖如圖6所示：

圖6 H2光纖增強(qiáng)前后拉曼光譜對比圖

表3 H2增強(qiáng)前與增強(qiáng)后拉曼光譜特征量檢測結(jié)果對比

由圖6知，本次實驗共檢測到H2的4個拉曼特征峰，其拉曼頻移分別為4127cm-1、4144cm-1、4156cm-1和4156cm-1，由 圖 可知，采用光纖增強(qiáng)后，H2的4個拉曼光譜特征峰峰面積、峰高均有不同程度增加，增強(qiáng)效果明顯。以上實驗結(jié)果初步證明光纖增強(qiáng)對H2拉曼光譜檢測的增強(qiáng)效果。

3.2 CO2檢測結(jié)果對比與分析

實驗條件：溫度25℃；激光功率60 mW；CCD與光譜儀：積分時間5 s，積分次數(shù)2，狹縫寬度100，2號光柵。在相同實驗條件下，基于光纖增強(qiáng)前與增強(qiáng)后檢測的CO2拉曼光譜對比圖如圖7所示，拉曼光譜特征量檢測結(jié)果如表4所示：

圖7 CO2光纖增強(qiáng)前后拉曼光譜對比圖

表4 CO2增強(qiáng)前與增強(qiáng)后拉曼光譜特征量檢測結(jié)果對比

由圖7可知，本次實驗檢測到CO2的2個拉曼特征峰，其拉曼頻移為1284 cm-1及1388 cm-1。由圖可知，采用光纖增強(qiáng)后，CO2的拉曼光譜特征峰峰面積、峰高均得到增加，增強(qiáng)效果明顯。以上實驗結(jié)果初步證明光纖增強(qiáng)對CO2拉曼光譜檢測的增強(qiáng)效果。

3.3 C2H6檢測結(jié)果對比與分析

實驗條件：溫度25℃；激光功率60 mW；CCD與光譜儀：積分時間5 s，積分次數(shù)2，狹縫寬度100，2號光柵。在相同實驗條件下，基于光纖增強(qiáng)前與增強(qiáng)后檢測的C2H6拉曼光譜對比圖如圖8所示：

圖8 C2H6光纖增強(qiáng)前后拉曼光譜對比圖

表5 C2H6增強(qiáng)前與增強(qiáng)后拉曼光譜特征量檢測結(jié)果對比

由圖8知，本次實驗共檢測到C2H6的4個拉曼特征峰，其拉曼頻移分別為2745cm-1、2780 cm-1、2899 cm-1、2954 cm-1，其 中2954 cm-1處的特征峰信號最強(qiáng)；采用光纖增強(qiáng)之后，C2H6的4個拉曼光譜特征峰峰面積、峰高均有不同程度增加，增強(qiáng)效果明顯。以上實驗結(jié)果初步證明光纖增強(qiáng)對C2H6拉曼光譜檢測的增強(qiáng)效果。

4 結(jié)束語

本文研究了變壓器油中溶解故障特征氣體的光纖增強(qiáng)拉曼檢測原理，檢測了H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4和C2H6等7種 特 征 氣體的拉曼譜線，確定了每種氣體的拉曼特征頻譜。隨后設(shè)計并搭建了光纖增強(qiáng)拉曼氣體檢測平臺，驗證了光纖增強(qiáng)使得氣體的拉曼散射強(qiáng)度有了明顯的提高。

設(shè)計并搭建了變壓器故障特征氣體光纖增強(qiáng)拉曼實驗檢測平臺，確定了滿足實驗要求的情況下最經(jīng)濟(jì)合理的光纖長度。基于拉曼光譜學(xué)的理論基礎(chǔ)，通過計算不同特征氣體的拉曼檢測強(qiáng)度隨光纖長度變化而變化的規(guī)律，得出了在光纖長度在約1 m之后，后向拉曼散射強(qiáng)度變化趨于平穩(wěn)的結(jié)論，即光纖長度為1 m的光纖可以在保證拉曼強(qiáng)度的同時使得成本最低。對比分析了H2、CO2和C2H6氣體的拉曼散射信號光纖增強(qiáng)特性，其特征峰峰面積及峰高均增強(qiáng)約9倍，證明了光纖增強(qiáng)拉曼檢測的可行性。