變壓器油中溶解氣體光聲光譜檢測交叉干擾抑制方法研究

沈恩澤，張周勝,張 磊

(上海電力大學電氣工程學院，上海 200090)

0 引言

充油式電力變壓器在長期運行過程中會發(fā)生局部放電、火花放電和變壓器油過熱等潛伏性故障[1-3],導致變壓器油或紙等絕緣材料發(fā)生裂解，從而產(chǎn)生CH4、C2H6、C2H4、H2、CO、CO2、C2H2、H2O等特征氣體。檢測并分析變壓器油中溶解特征氣體的類型與含量，可以獲得潛伏性故障的類型、程度及發(fā)展趨勢。

目前變壓器油中溶解特征氣體的檢測技術，主要有氣相色譜法[4]、電化學傳感器法[5-7]和光聲光譜(photoacoustic spectroscopy，PAS)法[8-10]等。其中，光聲光譜檢測技術具有靈敏度高、選擇性好、檢測范圍大等優(yōu)點[11-15]。

利用光聲光譜法對變壓器油中溶解氣體進行在線檢測時，多種吸收峰較為相近的氣體分子會出現(xiàn)譜線的重疊，稱為氣體分子的交叉干擾。交叉干擾的存在使得檢測信號不僅包含待測氣體信息，同時也包含其他氣體的信息，最終會造成檢測精度降低。盡管已有研究[16-19]對變壓器油中多組分氣體之間的交叉干擾進行了定量分析和試驗測試，但對于如何消除多組分氣體之間的交叉干擾并提升光聲光譜檢測精度的研究目前仍然較少。

在本文中，首先對光聲光譜的測量原理與交叉干擾影響進行介紹，依據(jù)Hitran光譜參數(shù)數(shù)據(jù)庫計算了CH4、C2H6、C2H4、CO、CO2、C2H2、H2O等7種變壓器油中特征氣體的紅外吸收譜線分布，并由此確定了濾光片的參數(shù)；之后，搭建了一套多組分氣體標定試驗系統(tǒng)，對7種特征氣體進行了標定試驗及計算，并提出了一種交叉干擾標定算法；最后，制備低、中、高3種濃度的變壓器油氣樣本，并利用光聲光譜監(jiān)測裝置與離線色譜儀進行對比測量，分析采用交叉干擾標定算法后光聲光譜監(jiān)測裝置的測量精度以及影響測量精度的因素，為光聲光譜檢測中消除交叉干擾以及提高測量精度提供參考。

1 光聲光譜的基本原理

氣體光聲光譜檢測原理如圖1所示。

圖1 光聲光譜檢測原理圖

首先，紅外光源經(jīng)過機械斬波器與濾光片調制后，產(chǎn)生與待測目標氣體紅外吸收峰所對應的周期性變化的紅外光，目標氣體分子吸收調制后的光源能量以實現(xiàn)分子從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷。之后，分子退激發(fā)回到基態(tài)過程中產(chǎn)生熱能，在體積一定的光聲腔中產(chǎn)生聲波，產(chǎn)生的聲波會被高靈敏度的微音器探測，并轉換為電信號傳遞給上位機，對上位機測量得到的電信號通過算法反演即可得出各組分氣體濃度。

2 交叉干擾及影響

考慮到分子的光譜特性是由分子結構決定的，當不同種氣體分子具有相似的結構(如包含相同的官能團)時，其光譜特性較為相似[16]。因此在同一波段的光源照射下，吸收峰值相近的氣體分子均會對該光束產(chǎn)生吸收，從而造成譜線的重疊。如圖2所示，C2H2與CH4氣體在吸收波段1 000～2 000 cm-1時，會產(chǎn)生吸收譜線的交叉重疊。

圖2 C2H2與CH4氣體在1 000～2 000 cm-1處交叉重疊圖譜

由此可以說明，當選取的氣體分子波段處于交叉干擾波段時，檢測出的電信號值會受到其他氣體的干擾，使得檢測信號不僅為待測氣體信號，同時也包含非待測氣體信號，這導致最終得到的待測氣體濃度不準確，從而難以判斷變壓器內部絕緣情況。因此有必要對氣體交叉干擾矯正方法進行深入研究，減少交叉干擾對待測氣體檢測的影響。

3 多組分氣體標定試驗平臺搭建

3.1 濾光片的選擇

對于待測氣體紅外譜線的選擇，應當選取氣體紅外吸收峰值附近的波段，同時應避免與其他氣體紅外峰值產(chǎn)生交叉。參考哈佛大學Hitran光譜參數(shù)數(shù)據(jù)庫提供的氣體紅外吸收數(shù)據(jù)，計算500～3 500 cm-1波數(shù)范圍內上述特征氣體的譜線分布情況，如圖3所示。

圖3 各特征氣體500～3 500 cm-1波數(shù)范圍的紅外吸收峰值圖

根據(jù)國家電網(wǎng)公司標準Q/GDW 10536—2017《變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置技術規(guī)范》[20]，CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、H27種氣體作為變壓器油中氣體檢測的特征氣體。在實際測量時，H2由于不存在紅外吸收難以用光聲光譜進行測量，因此常采用H2傳感器測量。另外，在對變壓器油進行油氣分離的過程中，可能會引入水分至待測氣體并產(chǎn)生交叉干擾，因此測量時需選取測量H2O的濾光片并對其產(chǎn)生的交叉干擾進行標定。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，每種氣體可能存在多處吸收峰值，且部分氣體的吸收峰重疊在一起，極易產(chǎn)生交叉干擾。因此，在選擇濾光片時，需要根據(jù)各特征氣體的紅外吸收曲線選擇各氣體間避免交叉干擾的最優(yōu)吸收峰組合。經(jīng)過反復對比與試驗，最終選擇7種特征氣體的紅外濾光片參數(shù)如表1所示。

表1 紅外濾光片參數(shù) nm

3.2 標定試驗系統(tǒng)

為解決實際測量中多組分氣體之間的交叉干擾問題，本文搭建了一套多組分氣體標定試驗系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 氣體標定實驗系統(tǒng)

因為N2無紅外吸收峰，不會對待標氣體產(chǎn)生交叉干擾，所以在標定過程中選擇N2為背景氣體。其中，紅外光源采用功率為14.4 W的自制黑體光源，光源范圍為1.4～1 000 μm；斬波片的調制頻率為20 Hz；采用非諧振式光聲池，光聲腔內的聲信號由高靈敏度微音器(GRAS 40AD 1/2)測量，可將探測的聲信號轉換為電信號。

上位機接收采集卡采集的電信號后進行數(shù)據(jù)的相干疊加、鎖相放大等工作。

為避免光聲光譜檢測系統(tǒng)內部(光聲腔、氣路等)存在空氣，進而影響檢測精度。試驗前需對檢測系統(tǒng)通入N2洗氣，并進行光聲光譜測量。反復洗氣5～6次，待測量到的光聲信號趨于穩(wěn)定，由此確保光聲光譜檢測系統(tǒng)內除N2外無其他雜質氣體。

4 多組分氣體檢測

4.1 交叉干擾標定算法研究

為解決多組分氣體之間的交叉干擾問題，本文通過試驗對7種特征氣體的交叉干擾進行標定，具體標定過程如下：

(1)將純N2通入到光聲腔內，轉動濾光盤測量N2分別在7片濾光片下的光聲信號值，記作SN2。由于此時各特征氣體的濃度為0 μL/L，因此SN2將作為N2背景下初始光聲信號值，在后續(xù)測量到標定氣體/N2混合氣體的光聲信號值后，需要減掉初始信號值SN2，以得到純標定氣體的光聲信號值。在試驗中測量到的N2背景下初始光聲信號值SN2如表2所示。

表2 7片濾光片檢測純N2所得光聲信號值 mV

(2)試驗前通過氣體廠家將7種標定氣體分別與N2進行混合，且7種標定氣體的濃度已知，分別為CCO、CCO2、CCH4、CC2H2、CC2H4、CC2H6、CH2O，可得到濃度矩陣B：

(1)

根據(jù)實際標定試驗時得到的濃度值，代入式(1)得：

(2)

(3)對于7種標定氣體，分別測量其在7片濾光片上所對應的光聲信號值，實際測量結果如表3所示。當7種氣體測量完成時，可以得到7行7列的信號矩陣V，如式(3)所示。

表3 檢測標定氣體所得光聲信號值 mV

(3)

(4)對于測量得到的信號矩陣V，分別對應減去N2背景信號SN2，最后得到純標定氣體的光聲信號矩陣V*。

(4)

于是，可建立如下矩陣關系：

A·V*=B

(5)

式中A為標定中各待測氣體的系數(shù)矩陣，A∈R7×7。

于是可得：

A=B·(V*)-1

(6)

根據(jù)實測數(shù)據(jù)進行計算，最終得到系數(shù)矩陣A：

(7)

其中，矩陣A中元素aij表示第i種氣體在第j個濾光片上的交叉干擾系數(shù)，i，j∈1,2,…，7。例如a21(-0.669 4)表示CO2氣體在CO濾光片上的交叉干擾系數(shù)。

實際測量時，待測氣體一般為多組分混合氣體，各濾光片上的信號值組成實測信號矩陣Vm。

Vm=[VCOVCO2VCH4VC2H2VC2H4VC2H6VH2O]

(8)

于是可求出各氣體組分的實際濃度值Cm：

Vm·A=Cm

(9)

以CO實際濃度值求解為例，得：

CCO=VCO×a11+VCO2×a21+…+VH2O×a71

(10)

由式(10)可以發(fā)現(xiàn)，在計算CO濃度時，除CO以外的其他特征氣體(CO2、CH4等)在CO濾光片上產(chǎn)生的交叉干擾信號均通過其交叉干擾系數(shù)(a21…a71)進行了濾除。因此，通過上述方法，可消除多組分氣體之間的交叉干擾，提高檢測精度。

4.2 變壓器油中氣體實測效果

為了驗證4.1節(jié)中所提出標定方法的實際效果，本文將針對同一變壓器油樣，同時采用光聲光譜在線監(jiān)測裝置(PHDGA-800)和離線氣相色譜儀(ZF-2000)進行測量，并將二者的測量結果進行對比。值得注意的是，實際變壓器油中氣體所含水分極少，在實際測量中常被忽略，因此本文不再對比水分含量的測量準確度。為比較不同特征氣體濃度下光聲光譜監(jiān)測裝置的測量精度變化，試驗前向油樣制備裝置內分別通入不同量的特征氣體并與變壓器油充分混合，最后得到3組含有不同濃度特征氣體的油樣。

采用離線色譜儀對3組油樣中的特征氣體含量進行測量，測量結果如表4所示。其中，第1組為低濃度組，總烴含量為4.6 μL/L，<10 μL/L；第2組為中濃度組，總烴含量為147.06 μL/L，<150 μL/L;第3組為高濃度組，總烴含量為332.45 μL/L，>150 μL/L。根據(jù)檢測標準Q/GDW 10536—2017[20]，檢測油樣的濃度設置均滿足標準要求，可用于檢驗裝置測量性能。

表4 離線氣相色譜儀測量特征氣體濃度 μL/L

光聲光譜裝置對3份油樣的檢測結果如表5所示，通過4.1中建立的多組分氣體交叉干擾標定算法以及前期試驗求出的系數(shù)矩陣A，可將表5中的光聲信號值換算為濃度值。

表5 光聲光譜測量特征氣體光聲信號值 mV

圖5、圖6和圖7分別展示了3組不同濃度油樣下，離線色譜儀和光聲光譜監(jiān)測裝置的氣體濃度測量結果。由于各特征氣體濃度相差較大，因此全部圖采用斷點圖的形式以方便數(shù)據(jù)對比。

圖5 低濃度下測量結果對比

圖6 中濃度下測量結果對比

圖7 高濃度下測量結果對比

從圖5可見，油樣中CO與CO2的濃度最高，低濃度油樣下CO2離線色譜儀測量值為466.89 μL/L，此時光聲光譜測量到的CO2濃度為543.78 μL/L，二者相差76.89 μL/L。CH4與C2H2的濃度相對最低，其中CH4的光聲光譜測量值僅為0.855 μL/L。高濃度油樣下，CO2離線色譜儀測量值為2 537.2 μL/L，此時光聲光譜測量到的CO2濃度為2 332.34 μL/L，二者相差204.86 μL/L。

對比圖5、圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)，隨著油樣濃度升高，離線色譜儀與光聲光譜測量值之間的相對誤差逐步縮小。為更加直觀地對比離線色譜儀與光聲光譜測量值之間的差值大小，對2種方式測量結果的絕對誤差和相對誤差進行了計算，其具體計算公式為：

Ea=Co-Cl

(11)

(12)

式中：Ea為絕對誤差；Co為光聲光譜測量值；Cl為離線色譜儀測量值；Er為相對誤差。

經(jīng)過計算，各特征氣體測量的絕對誤差與相對誤差分別如表6和表7所示。

表6 2種測量方式的絕對誤差 μL/L

表7 2種測量方式的相對誤差 %

根據(jù)國家電網(wǎng)標準Q/GDW 10536—2017[20]和電力行業(yè)標準DL/T 1498.2—2016[21]，多組分在線監(jiān)測裝置測量誤差應滿足表8所示。其中，A級、B級和C級分別表示測量誤差性能高、中、低3個等級，且低濃度范圍內，測量誤差限值取較大值。

將表6、表7與表8對比，可以發(fā)現(xiàn)CO、CO2、C2H2、C2H6這4種氣體的測量誤差在所有濃度下均滿足A級(30%)測量誤差要求。CH4在中、高濃度下，其相對誤差滿足A級(30%)測量誤差要求，在低濃度下其相對誤差為-36.13%，超出了30%的限值，但其絕對誤差為-0.430 μL/L，滿足A級(±0.5 μL/L)的要求，因此CH4在所有濃度下仍然滿足A級誤差要求。C2H4在中、高濃度下滿足A級誤差要求，在低濃度下，其相對誤差為103.32%，絕對誤差為1.245 μL/L，滿足B級(±3 μL/L)誤差要求。

表8 多組分在線監(jiān)測裝置測量誤差要求[20]

綜上可知，經(jīng)過多組分氣體標定后，針對變壓器油中氣體的實際測量，CO、CO2、CH4、C2H2、C2H6的測量誤差均達到了A級測量誤差要求，C2H4在中、高濃度下滿足A級誤差要求，在低濃度下滿足B級誤差要求。因此，整體測量效果良好。

5 水汽含量對測量精度的影響

通過上述試驗可以發(fā)現(xiàn)，利用光聲光譜裝置對多組分氣體測量時，各氣體之間的交叉干擾會影響測量精度，因此在實際測量前必須通過標定試驗對各氣體之間的干擾系數(shù)進行標定。然而，在實際測量中，除了交叉干擾會影響精度外，被測氣體中的水含量同樣也會影響測量精度。

前期在對CO進行標定試驗時，發(fā)現(xiàn)不同水汽含量會對CO氣體的光聲光譜測量波形產(chǎn)生影響，其具體影響結果如圖8所示。

(a)水汽含量為2 145 μL/L時CO檢測波形

其中，標準曲線是依據(jù)斬波片調制頻率所繪制出的曲線，測量曲線是依據(jù)測量數(shù)據(jù)點繪制而成的曲線。圖中所選取數(shù)據(jù)檢測時長為3 ms。

可以發(fā)現(xiàn)隨著水汽含量的增加，使得測量曲線與標準曲線之間的相位差逐漸減小，且待測CO氣體中的水汽達到一定含量時，CO的測量曲線與標準曲線的相位差為0°。造成這種現(xiàn)象的主要原因是：對于CO氣體分子而言，其弛豫速率較慢，即弛豫時間比較長，因而在實際測量時容易產(chǎn)生相位的延遲。而水分子的弛豫速率相對較快，當其與CO這類低弛豫速率氣體混合時，其作用相當于“催化劑”，提高了整個混合氣體的弛豫速率，從而使得氣體分子吸收光能轉化為聲能的速率加快，測量曲線與標準曲線之間的相位差減小。

在實際測量中，當被測氣體中不含水分或水分含量較低時，測量曲線與標準曲線之間的相位差通常較大，所帶來的誤差也較大。因此，可先計算標準曲線與測量曲線的相位差，之后依據(jù)相位差將測量曲線作相位偏移，使兩曲線相位差趨近于0°，最后再計算其光聲信號值。

6 結束語

(1)光聲光譜檢測中，各特征氣體之間會產(chǎn)生交叉干擾，本文所提出的多組分氣體標定方法可消除各特征氣體之間的交叉干擾，提升光聲光譜的檢測精度。

(2)本文以變壓器油為樣本，利用離線色譜儀與光聲光譜檢測裝置進行對比測量，結果證明經(jīng)過交叉干擾標定后，CO、CO2、CH4、C2H2、C2H6的光聲光譜測量誤差均達到了A級測量誤差要求，C2H4在中、高濃度下滿足A級誤差要求，在低濃度下滿足B級誤差要求。

(3)待測氣體中的水含量會造成測量曲線與依據(jù)斬波片頻率計算得到的標準曲線之間出現(xiàn)相位偏移，進而會造成測量誤差。隨著水汽含量增加，測量曲線與標準曲線之間的相位差逐漸減小，且當水汽達到一定含量時，測量曲線與標準曲線的相位差為0°。