變壓器油中溶解一氧化碳氣體的光纖傳感技術

馬鳳翔，趙 躍，李辰溪，郭 珉，朱 峰，杭 忱，陳 珂*

(1.國網安徽省電力有限公司電力科學研究院，合肥 230601；2.大連理工大學 光電工程與儀器科學學院，大連 116024)

引 言

近幾年來，國民經濟飛速發(fā)展，社會用電量日益增大，對電力安全的要求也越來越高。變壓器是電網運行的核心器件，作用是承載和連接不同的電壓等級，其運行可靠性對電力系統的穩(wěn)定與安全至關重要[1]。目前，大型電力變壓器通常采用高介電常數的絕緣油或者絕緣紙板以減小變壓器的體積。然而，隨著變壓器運行時間的增長，絕緣油和絕緣紙板的大分子因過熱、放電等絕緣故障發(fā)生裂解，進而產生相應的故障特征氣體。其中，絕緣紙板裂解主要產生一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)等故障特征氣體[2-3]。通過對油中溶解故障特征氣體的體積分數進行定期檢測，監(jiān)測長期變化情況，可有效對變壓器出現的故障類型和故障的嚴重程度進行判斷，實現故障早期預警。

油中溶解的故障特征氣體的檢測手段主要有氣相色譜法[4]、喇曼光譜法[5]、紅外吸收光譜法以及光聲光譜法[6-7]。其中，光聲光譜溶解氣體分析(dissolved gas analysis,DGA)檢測技術因其具有的無需載氣、無需頻繁標定和靈敏度高等優(yōu)點，適用于變壓器的在線監(jiān)測[8]。近年來，光聲光譜儀取得了廣泛關注，正逐步成為主流DGA檢測裝置。然而，現有基于光聲光譜技術的油中溶解氣體分析儀應用過程中暴露了很多問題。比如，實際測量精度不高，這是因為分析儀使用紅外熱輻射光源與帶通濾波器相結合，導致多種氣體成分之間存在明顯的交叉干擾[9]。半導體激光技術近年來得到了快速的發(fā)展，激光取代傳統非相干光源作為激發(fā)光，其光譜功率密度高于傳統非相干光源幾個數量級，激光光聲光譜技術應運而生，具有高靈敏度、低交叉干擾的優(yōu)勢[10]。同時，光聲光譜結合二次諧波檢測技術和波長調制技術，消除了因光聲池壁和入射窗片吸收而產生的基頻本底干擾，大大提高了目標氣體的檢測靈敏度[11]。

傳統的光聲光譜油中溶解氣體分析裝置在現場運行中存在抗電磁干擾能力差等問題。為了解決這一問題，光纖聲波傳感器因其具有的自身不帶電、靈敏度高和本質安全等特點被用于光聲信號的探測。近年來，本研究團隊借鑒傳統電容式微音器的結構，設計了基于非本征法布里-珀羅(Fabry-Perot,F-P)干涉儀(Fabry-Perot interferometer,FPI)的膜片式光纖聲波傳感器。光纖端面與有機膜片構成一個微型光纖F-P腔。當聲波作用于敏感膜片時，膜片振動引起F-P腔的腔長變化，干涉儀通過檢測光程差的改變實現對聲波信號的檢測。光纖FPI結構使得聲波傳感探頭體積較小，易于和光聲池進行結構匹配。目前，基于懸臂梁的光纖FPI聲波傳感器已應用于光聲光譜測量中，對乙炔氣體的檢測極限達到0.08×10-9[12]。此外，香港理工大學、安徽大學和華中科技大學也開展了基于膜片式光纖聲波傳感的光聲光譜技術的研究工作。其中，香港理工大學的JIN小組制作了基于多層石墨烯薄膜的光纖聲波傳感器，聲壓響應度達到1.1nm/Pa，對乙炔氣體的檢測極限為119.8×10-9[13]。為了實現遠距離氣體測量并進一步提高全光學光聲探頭的氣體檢測靈敏度，荷蘭的ZHOU等人于2017年報道了一種新的微型全光學光聲氣體傳感器，懸臂梁通過微鏡的受迫運動感測光聲信號，微鏡連接到懸臂梁的自由懸掛端，懸臂梁寬度僅為14μm[14],這種結構可以大幅減少氣體的粘性阻力損耗，對乙炔氣體的檢測極限可達15×10-9，但這種細長型懸臂梁結構的穩(wěn)定性較差。本研究團隊于2019年設計了一種用于監(jiān)測遠距離氣體泄漏的光纖光聲傳感器，傳感器中氣室的體積僅為70μL[15]，氣體通過小孔和縫隙擴散進入到探頭中的微型氣室中，采用高穩(wěn)定性和高靈敏度的光譜解調技術，對乙炔氣體的檢出限達到2×10-8。

在前期研究的基礎上，本文作者提出了一種基于光纖光聲傳感的變壓器油中溶解一氧化碳氣體檢測技術。將光聲光譜、光纖傳感和膜分離技術結合，設計了集成油氣分離和氣體檢測功能于一體的光纖光聲傳感探頭。油中溶解的一氧化碳氣體通過油氣分離膜進入到光纖探頭中的微型氣腔。采用兩根光纖將探頭連接到激光器和解調儀，分別傳輸激發(fā)光和探測光。氣體吸收光能產生的光聲信號被光纖F-P傳感器探測，并被設計的新型光纖光聲解調儀進行信號處理。該技術方案抗電磁干擾能力強、無需抽油、無需載氣，可實現對油中溶解一氧化碳氣體的連續(xù)監(jiān)測。

1 光聲光譜原理

一部分氣體分子在吸收了激光的能量后被激發(fā)到高能級。一般來說，自發(fā)輻射和碰撞弛豫是吸收能量釋放的兩種主要方式。然而，振動能級輻射弛豫時間太長抑制了能量的釋放。因此，激發(fā)態(tài)氣體分子主要通過碰撞弛豫釋放能量，轉化為氣體分子的平動能，引起氣體的周期性振動，產生光聲壓力波。在非共振圓柱形光聲管中，光聲聲波處處均等，光聲(photoacoustic,PA)壓力波pPA的振幅可表示為:

(1)

式中，pPA是頻率f的函數，用pPA(f)表示;γ為氣體的質量熱容比;P0為激光功率;α(λ)為氣體吸收系數,是吸收光波長λ的函數;l為光聲管的長度;V為光聲管的體積;τ表示氣體的熱阻尼，是一個隨溫度變化的函數，τ越大，光聲壓力波越大。光聲管產生的光聲壓力波通過光纖FPI聲波傳感器檢測，通過檢測F-P腔變化量獲得光聲信號大小。

2 光纖傳感系統設計

2.1 傳感器設計

用于測量油中溶解一氧化碳氣體的光纖傳感探頭的結構如圖1所示。該結構是一個直徑為8mm、高為15mm的不銹鋼柱體，其主要由不銹鋼外殼、兩根光纖、銅管、懸臂梁聲波探測元件和油氣分離膜組成。

Fig.1 Schematic diagram of the structure of the sensor probe for dissolved gas in fiber optic oil

溶解在油中的一氧化碳氣體分子可以通過分離膜擴散到銅管氣室中，而較大的油分子則不能通過。由于無孔有機膜分離效率高，對油分子截留效果好，因此采用分離速度較快的聚全氟乙丙烯膜作為滲透膜[16]。滲透膜的直徑和厚度分別為50mm和12.5μm，對CO氣體的滲透系數為20×10-18m2/(s·Pa)。為了支撐有機膜，將有機膜夾在兩塊厚度為0.2mm的不銹鋼片，在不銹鋼片上加工了方孔陣列。圓柱形微型氣室的長度和直徑分別為10mm和1mm。油中溶解的CO氣體經分離膜的分離作用脫出，進入氣室并平衡后，氣室內氣體體積分數與油中溶解氣體的體積分數呈正比。油中溶解氣體脫出并在氣室內達到平衡狀態(tài)的時間與系統氣室體積呈反比，當測量溫度為50℃時，系統響應時間約2h，具有較快的響應速度。光聲激發(fā)光通過其中一根光纖入射到微型氣室中，氣室中的氣體吸收光能并躍遷到高能級，光能通過無輻射躍遷轉化為平動能。產生的光聲壓力波推動不銹鋼懸臂梁產生周期性偏轉。懸臂的長度、寬度和厚度分別為3mm、1mm和10μm。另一根光纖和懸臂梁形成了一個基于光纖FPI的聲波傳感單元，F-P腔由光纖端面和懸臂梁之間的間隙構成，探測光在光纖端面和懸臂梁表面反射并形成干涉光譜。當固定頻率的聲壓作用在懸臂梁膜片時，懸臂梁周期性振動，引起F-P腔長改變，導致干涉光譜移動，相位信息發(fā)生變化。通過白光干涉法解調光纖光聲FPI的干涉光譜相位信息，獲得光聲壓力波的大小。

2.2 系統設計

圖2是設計的光纖油中溶解一氧化碳氣體傳感系統的結構示意圖。變壓器油中溶解的一氧化碳氣體通過聚全氟乙丙烯膜進入傳感探頭。近紅外分布反饋 (distributed feedback,DFB) 激光器發(fā)射激光，傳入光纖傳感探頭激發(fā)CO氣體產生光聲壓力波。為避免由于池壁吸收造成的干擾和其它振動干擾，采用二次諧波-波長調制(2f-wavelength modulation spectroscopy,2f-WMS)技術對光聲信號進行檢測。使用鋸齒波信號驅動DFB激光器進行波長掃描，現場可編程門陣列(field-programmable gate array,FPGA)信號處理電路提供一個頻率為500Hz的正弦信號做調制以產生2f-WMS信號。產生的2f-WMS信號由懸臂梁探測，并被基于白光干涉儀的光纖聲波解調模塊處理。懸臂梁的工作頻率為1000Hz，該頻率正好為2f-WMS信號的頻率。中心波長1535nm、帶寬45nm的超輻射發(fā)光二極管(superluminescent light-emitting diode,SLED)作為探測光源，發(fā)射的寬譜光經過光纖環(huán)形器傳輸到基于FPI的懸臂梁傳感單元產生干涉光譜。F-P干涉光譜由微型光纖光譜儀采集。為了實現光聲信號的窄帶檢測，采用數字鎖相放大技術。光譜采集由信號處理電路提供的方波信號進行同步觸發(fā)。由于F-P腔的腔長是通過光譜解調法實時測量的，光聲壓力信號通過對連續(xù)測量的腔長進行高通濾波得到。解調的數字光聲信號通過通信接口傳輸到工控機，利用基于LabVIEW的虛擬鎖相放大器測量2f-WMS光聲光譜信號。

Fig.2 Schematic diagram of the structure of the optical fiber oil dissolved gas sensing system

2.3 激光光源

根據光聲光譜原理，光聲信號的強度與待測氣體的吸收系數成正比。為了提高氣體的檢測靈敏度，通常選擇強吸收系數對應的激光波長。對于一氧化碳氣體，其基頻吸收帶位于4.6μm附近。然而，中紅外波長的激光在石英光纖中的傳輸損耗極大，因此，對一氧化碳的近紅外泛頻吸收帶進行分析[17]。根據HITRAN2012數據庫，得到一氧化碳氣體在2300nm～2400nm波長范圍內的吸收光譜，如圖3所示。一氧化碳氣體在該波段存在多根較強的吸收譜線，其中在2331.9nm波長處具有最強的吸收系數。因此，采用中心波長為2331.9nm的DFB激光器作為光纖傳感系統的光聲激發(fā)光源，通過石英光纖傳輸到光聲探頭中。

DFB激光器的發(fā)光原理是沿縱向等間隔分布的光柵所形成的光耦合實現激光振蕩。通過光柵實現波長選擇和光反饋，得到穩(wěn)定的單模輸出，并使其有較好的頻率穩(wěn)定性。通過改變光柵折射率可實現波長調諧，溫度和驅動電流變化都可以改變光柵的折射率。改變溫度的方式可實現慢速調諧，而改變驅動電流可實現快速調諧[10,18]。通過設計的激光器驅動電路對DFB激光器進行恒溫控制并將電流設置到95.5mA，使波長調節(jié)到2331.9nm處。

Fig.3 Near-infrared absorption spectrum of CO

2.4 光纖光聲解調模塊

為了實現對F-P干涉光譜的高速采集和處理，設計了光纖光聲傳感解調模塊。光纖光聲解調模塊主要由SLED光源、微型光纖光譜儀、光譜采集與處理電路構成。中心波長為1535nm的超輻射發(fā)光二極管用作探測光源，發(fā)射寬譜光經過光纖環(huán)形器入射到傳感探頭中，F-P干涉光譜由微型光纖光譜模塊采集。光譜儀由分光元件、光檢測單元和電子處理單元組成。透射型體相位光柵用作光譜元件，并利用光電二極管陣列型圖像傳感器作為光檢測單元，可實現對光譜信號的高速探測[19]。為了實現對光譜信號的高速采集，設計了如圖4所示的FPGA光譜信號采集電路板，主要由FPGA芯片、高速模數轉換芯片、通用串行總線通信芯片和電源芯片等組成。FPGA將采集到的光譜信號通過USB接口高速地傳輸到工控機。

Fig.4 Physical map of the spectrum acquisition and processing circuit board

利用LabVIEW軟件對采集的光譜信號進行實時處理，利用全相位解調法將光聲信號從光譜信號中提取出來。信號處理過程主要由歸一化光譜、插值、快速傅里葉變換、頻率估計、全相位信號處理等組成。歸一化光譜是為了消除寬譜光源包絡的影響；插值過程將信號從光譜域轉換到光頻域；快速傅里葉變換和頻率估計過程可初步解調出F-P腔長；利用全相位信號處理過程可實現超高分辨的F-P腔長解調。工控機采集的干涉光譜如圖5所示，具有約7.5個周期，解調的F-P腔長為211.5μm。

Fig.5 F-P interference spectrum

3 結果與分析

3.1 激光器調制參數優(yōu)化

為實現2f-WMS檢測，對激光器提供一個頻率為500Hz的正弦信號進行調制，根據波長調制光譜技術原理，二次諧波信號的幅度隨調制深度變化，通過優(yōu)化激光器的調制深度，可以提高信噪比。首先對體積分數為250×10-6的CO氣體進行測試，控制激光器在中心波長2331.9nm處掃描，該波長對應CO氣體一個吸收峰。改變正弦激光調制電流的有效值從1mA～6mA，記錄光聲信號的輸出值，圖6所示為信號幅度隨調制電流的變化關系。從實驗結果看出，調制電流為3.25mA時，光聲信號的二次諧波幅度最大，即最佳調制電流為3.25mA。

Fig.6 Relationship between PA signal and modulation current amplitude

3.2 一氧化碳氣體測試

為了測試所設計的光纖光聲氣體傳感器的一氧化碳體積分數的響應特性，將不同氣體體積分數的一氧化碳/高純氮氣混合氣體依次通入測試氣室，并且記錄二次諧波信號。使用質量流量控制器(S48-300，HORIBA)控制氣體流速，對氣體體積分數進行稀釋。將高純氮氣與氣體體積分數為1000×10-6的一氧化碳標準氣體安裝一定比例混合，得到氣體體積分數分別為1000×10-6，500×10-6，250×10-6，100×10-6，50×10-6和25×10-6的測試氣體。設定鎖相積分時間為1s，將DFB激光器的偏置電流調制范圍為90mA～100mA，實現在2331.9nm附近的波長掃描。為進一步提信噪比，采用小波去噪法對2f-WMS進行去噪。測量的2f-WMS光譜光聲信號如圖7所示。提取測得的波長調制光譜信號的峰值，分析信號峰值隨氣體體積分數的變化，所得結果如圖8所示。通過線性擬合，估算了設計的光纖光聲氣體傳感器對一氧化碳氣體體積分數的檢測靈敏度為0.345pm/10-6,計算線性擬合的R2≈0.996。這表明該傳感器對氣體體積分數小于1000×10-6的一氧化碳氣體具有良好的線性響應。

Fig.7 2f-wavelength modulation PA signal

Fig.8 Linearity fitting of the measured value of PA signal with different gas volume fraction

3.3 油中溶解氣體測試

為進一步確定設計的光纖光聲傳感器對油中溶解一氧化碳氣體的測量精度，分別配置了油中溶解氣體體積分數為5×10-6,10×10-6,50×10-6和100×10-6的油樣各3份進行測試。將溶解不同氣體體積分數CO的油樣充入油室，控制鎖相積分時間為5s，脫氣溫度為50℃，為保證脫氣充分平衡，等待2.5h后對CO進行檢測。結合CO氣體響應度和氣室油室的氣體體積分數比，對測得的光聲信號測量值進行標定獲得油中溶解氣體體積分數，測試結果如表1所示。當油中溶解一氧化碳氣體體積分數大于10×10-6時，測量值誤差均在±15%以內，并且最低檢出限達到5×10-6，完全滿足《變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置技術規(guī)范》中對一氧化碳的A級誤差要求[20]。

Table 1 Measurement results of dissolved carbon monoxide gas in oil with different gas volume fraction

4 結 論

設計了用于測量變壓器油中溶解一氧化碳氣體的光纖傳感系統，將光聲光譜、光纖傳感和膜分離技術結合，設計了集成油氣分離和氣體檢測功能于一體的光纖光聲傳感探頭，結合光纖光聲解調技術，實現了對油中溶解一氧化碳氣體的高靈敏度檢測。通過吸收譜線分析，激光波長選擇為2331.9nm。利用光學干涉型懸臂梁和光纖光聲傳感解調模塊實現對微弱光聲信號的高靈敏度探測。通過優(yōu)化激光參數，將調制電流設置為3.25mA。實驗結果表明，設計的光纖傳感系統對一氧化碳氣體體積分數具有良好的線性響應，對一氧化碳氣體體積分數的檢測靈敏度為0.345pm/10-6；對油中溶解一氧化碳氣體體積分數的檢出限達到5×10-6。該系統具有抗電磁干擾、靈敏度高和無需抽油等優(yōu)點，為變壓器中溶解氣體的在線監(jiān)測需求提供了一種新的技術方案。