毛知新 文勁宇

(華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 武漢 430074)

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變壓器油中溶解氣體光聲光譜檢測(cè)技術(shù)研究

毛知新 文勁宇

(華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 武漢 430074)

光聲光譜技術(shù)具有選擇性好、檢測(cè)范圍寬、準(zhǔn)確度高和免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，基于光聲光譜氣體檢測(cè)原理和變壓器油中溶解氣體的吸收光譜特征，對(duì)油中溶解氣體進(jìn)行定性和定量分析，構(gòu)建了結(jié)合動(dòng)態(tài)頂空脫氣和光聲光譜檢測(cè)的微量氣體檢測(cè)裝置，研究檢測(cè)器內(nèi)部噪聲、環(huán)境溫度和濕度等對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)分析空氣濕度的影響并提出解決方案，對(duì)比檢測(cè)了取自現(xiàn)場(chǎng)變壓器的油樣，結(jié)果達(dá)到了IEC和相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

光聲光譜 變壓器油中溶解氣體 動(dòng)態(tài)頂空脫氣 濕度 影響因素

0 引言

光聲效應(yīng)是一種輻射熱效應(yīng)，起因于封閉氣體中熱量的損失和吸收所產(chǎn)生的氣體體積的變化[1]?；诠饴曅?yīng)的微量氣體檢測(cè)技術(shù)，由于其靈敏度高、不消耗被測(cè)氣體、檢測(cè)范圍寬、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，可真正實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，在變壓器等油浸式電氣設(shè)備的油中故障氣體在線檢測(cè)中具有巨大的應(yīng)用潛力[2-5]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣體光聲光譜檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，研究?jī)?nèi)容主要集中在激光光源的選擇、光聲池和微音器的設(shè)計(jì)等方面[6-9]。采用CO、CO2等氣體激光器作為光源的光聲光譜檢測(cè)裝置理論上可檢測(cè)10-13量級(jí)的微量氣體，實(shí)驗(yàn)證明用波導(dǎo)CO2激光器作光源的光聲光譜檢測(cè)裝置可監(jiān)測(cè)到10-12量級(jí)的C2H4氣體，但激光器體積大、價(jià)格貴、操作復(fù)雜且不能調(diào)諧，不適合變壓器油中多種溶解氣體的在線監(jiān)測(cè)。同時(shí)為了提高檢測(cè)準(zhǔn)確度，學(xué)者們改善了光聲池的設(shè)計(jì)，隨著微音器技術(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了傳統(tǒng)的電容式和電壓式微音器、基于微加工技術(shù)設(shè)計(jì)的壓電式石英音叉、采用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)的薄膜型或薄層型微音器。微音器的發(fā)展使得光聲光譜檢測(cè)變得更加敏感，系統(tǒng)趨于緊湊化和小型化。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者也進(jìn)行了光聲光譜在變壓器油中溶解氣體檢測(cè)、局部放電下SF6及其分解組分的檢測(cè)等應(yīng)用研究[10-15]，并研究了溫度、壓力、濕度和斬波器頻率等因素對(duì)光聲光譜檢測(cè)的影響[16-19]。

本文在分析光聲光譜微量氣體檢測(cè)技術(shù)原理和變壓器油中溶解氣體的紅外吸收光譜特征的基礎(chǔ)上，搭建了結(jié)合動(dòng)態(tài)頂空脫氣和光聲光譜氣體檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)室恒溫恒壓的環(huán)境下驗(yàn)證了光聲光譜氣體檢測(cè)的重復(fù)性和準(zhǔn)確度。并結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)分析了噪聲和外部環(huán)境溫、濕度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。為光聲光譜技術(shù)在變壓器油中溶解氣體在線檢測(cè)中的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

1 光聲光譜技術(shù)

1.1 光聲信號(hào)檢測(cè)原理

當(dāng)調(diào)制后斷續(xù)的光照射密閉容器中的氣體時(shí)，容器中氣體分子會(huì)吸收相應(yīng)頻率的光而被激發(fā)到高能態(tài)，高能態(tài)的分子不穩(wěn)定，會(huì)通過自發(fā)輻射躍遷或無輻射弛豫回到低能態(tài)，在無輻射弛豫過程中，氣體分子的能量會(huì)轉(zhuǎn)換為氣體平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，引起氣體溫度的周期性變化，一定體積內(nèi)的氣體溫度周期性變化引起氣體壓力的周期性變化。通過高準(zhǔn)確度的微音器可檢測(cè)此周期性變化的壓力，從而定量分析氣體的濃度。氣體光聲信號(hào)的產(chǎn)生及檢測(cè)，如圖1所示，包括以下3步：

1)紅外光源發(fā)出的光經(jīng)斬光盤調(diào)制后變成斷續(xù)的光，經(jīng)濾光片后獲得特定頻率的光，擁有相同吸收頻率的氣體分子會(huì)被激發(fā)，從而定性氣體種類。

2)調(diào)制后的光照射到光聲池中的氣體，分子運(yùn)動(dòng)和能量轉(zhuǎn)換使氣體溫度呈現(xiàn)出與調(diào)制頻率相同的周期性變化，導(dǎo)致壓強(qiáng)的周期性變化，產(chǎn)生聲信號(hào)。

3)通過高靈敏度的微音器感知?dú)馐抑袎毫Φ淖兓?，并轉(zhuǎn)換為與氣體壓強(qiáng)呈比例的電信號(hào)，供外電路分析處理。

圖1 典型的光聲光譜系統(tǒng)Fig.1 Typical PAS system

由于氣體分子對(duì)光強(qiáng)的吸收遵循朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律，不同波長(zhǎng)光線照射下產(chǎn)生的光聲信號(hào)強(qiáng)度并不一致，反映光聲信號(hào)強(qiáng)度與光線波長(zhǎng)關(guān)系的譜圖被稱為光聲光譜。即使在弱吸收情況下，很小的吸收能也能被高靈敏度的微音器檢測(cè)出來，因而具有很高的檢測(cè)靈敏度及穩(wěn)定性。

1.2 光聲信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理

光聲效應(yīng)的產(chǎn)生可描述為兩個(gè)步驟：第一步是氣體分子吸收光能后產(chǎn)生熱能；第二步是由于氣體的熱膨脹產(chǎn)生聲波。

氣體的熱效應(yīng)可通過氣體的能級(jí)分子數(shù)密度來分析，若分子數(shù)為Nm的分子被激發(fā)到激發(fā)態(tài)Em，則處于基態(tài)E0的分子數(shù)為N-Nm，激發(fā)態(tài)Em分子密度為

(1)

式中，σ為氣體的吸收截面；φ為光子通量；τm為激發(fā)態(tài)分子總壽命。激發(fā)態(tài)分子的總壽命τm與無輻射躍遷壽命τn和輻射躍遷壽命τr的關(guān)系為

(2)

在空氣中，輻射躍遷可忽略，式(1)可簡(jiǎn)化為

(3)

若只檢測(cè)基頻入射光引起的光聲信號(hào)，則光通量為

φ=φ0(1+ejωt)

(4)

式中，ω為光束調(diào)制的角頻率。式(3)的解為

(5)

式中，φ為Nm與φ之間的相位延遲，φ=arctan(ωτm)。

氣體中分子因無輻射弛豫產(chǎn)生的熱功率密度H可表示為

(6)

假設(shè)氣體分子激發(fā)態(tài)的能量都通過無輻射弛豫回到基態(tài)，則Δv近似等于入射光波數(shù)vin，又因τm≈τr，所以，產(chǎn)生的熱可表示為

(7)

將Nm代入式(7)得到光聲學(xué)中通常條件下熱產(chǎn)生的基本公式

(8)

式中，I0為入射光束的強(qiáng)度，I0=φ0hcvin。在較低的調(diào)制頻率下，ωτm?1， 簡(jiǎn)化式(8)得到

H0=NσI0=αI0=α0I0Cgas

(9)

式中，α為氣體分子的吸收系數(shù)；Cgas為氣體的濃度。

由此可得到氣室中氣體的熱能與氣體的濃度有線性關(guān)系。

氣體分子由于周期性的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生光聲信號(hào)是牽涉到氣體密度ρ、壓力p、溫度T和流速v的復(fù)雜過程，假設(shè)氣體為理想氣體，對(duì)其進(jìn)行近似處理。

氣體因吸收光而產(chǎn)生的熱H(r,t)將激勵(lì)聲信號(hào)，此過程可由氣體定律的差分方程描述為[7]

(10)

式中，c0為聲速；γ為氣體的比熱比，γ=Cp/Cv；p為壓力信號(hào)。方程(10)是非齊次方程，將該方程的兩邊對(duì)時(shí)間進(jìn)行Fourier變換，在柱坐標(biāo)下，可求得簡(jiǎn)正模式下的聲波振幅為

(11)

式中，Qj為品質(zhì)因素，描述的模式阻尼為流體粘滯損耗和熱導(dǎo)損耗；Vc為氣體占有的體積。

1.3 油中故障氣體光譜特性

變壓器油中溶解的故障氣體主要有：氫氣(H2)，一氧化碳(CO)，二氧化碳(CO2)，甲烷(CH4)，乙烷(C2H6)，乙烯(C2H4)和乙炔(C2H2)等。除氫氣外其他氣體均吸收紅外光。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，光聲光譜氣體檢測(cè)通常以室外空氣為背景氣，空氣中除含有不吸收紅外光的氧氣和氮?dú)馔?，還有水蒸氣、二氧化碳、甲烷等影響油中溶解氣體光聲光譜檢測(cè)的氣體，在選擇定性分析氣體的濾光片前，必須先分析空氣的紅外光譜特性。根據(jù)HITRAN2012數(shù)據(jù)庫(kù)[20]計(jì)算出在溫度20℃、壓強(qiáng)為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣的紅外吸收光譜如圖2所示。

圖2 空氣的紅外吸收光譜Fig.2 Infrared spectra of air

從圖2可知，在500～4 000cm-1的中紅外范圍內(nèi)，不受二氧化碳和水蒸氣影響的紅外頻率段有：①700～1 300cm-1；②2 000～2 300cm-1；③2 400～500cm-1。

同樣，根據(jù)HITRAN2012數(shù)據(jù)庫(kù)可計(jì)算變壓器油中溶解氣體的紅外光譜特性，綜合空氣和油中溶解氣體的特征頻譜，如圖3所示，能有效檢測(cè)油中溶解烴類氣體的頻率范圍為700～1 300cm-1，而一氧化碳和二氧化碳的頻率范圍為2 000～2 300cm-1。則供濾光片選擇的各氣體的特征頻譜如表1所示。

圖3 空氣和油中溶解氣體的紅外吸收光譜Fig.3 Infrared spectra of air and gases dissolved in oil

氣體組分分子量特征波數(shù)/cm-1特征波長(zhǎng)/μmCO2821434.666CO24423494.257CH41612517.994C2H42810569.470C2H63083611.962C2H22673513.605

1.4 多組分氣體檢測(cè)

光聲光譜氣體檢測(cè)技術(shù)主要根據(jù)氣體分子吸收譜線的形狀、位置及特征吸收譜線強(qiáng)度進(jìn)行氣體的定性定量分析。吸收系數(shù)是吸收譜線位置及其強(qiáng)度的特征參數(shù)。根據(jù)量子力學(xué)和光譜學(xué)理論，任意溫度和壓強(qiáng)下單位體積內(nèi)氣體單根吸收譜線的吸收系數(shù)可表示為線強(qiáng)度、線型函數(shù)和單位體積下吸收氣體總粒子數(shù)的乘積，即

α(v)=Sg(v-v0)NPa×296/T

(12)

式中，α(v)為吸收譜線在波數(shù)v處的吸收系數(shù)；S為吸收譜線的線強(qiáng)度；N為一定壓強(qiáng)和溫度下單位體積的氣體分子數(shù)；v0為吸收譜線的中心波數(shù)；Pa為氣體分壓強(qiáng)；T為溫度；g(v-v0)為歸一化的線型函數(shù)。

由于分子間的碰撞等原因，氣體的吸收譜線并非一條直線，而是具有一定寬度。線型函數(shù)g(v-v0)反映吸收系數(shù)隨波數(shù)改變而發(fā)生的相對(duì)變化，即譜線展寬，理論上用線型函數(shù)來擬和吸收譜線[21]。

(13)

式中，ΔvD為多普勒展寬線型函數(shù)的全線寬；δ為多普勒展寬與碰撞展寬之間的關(guān)系；β定義為

(14)

由于吸收系數(shù)的加和性，氣體在波數(shù)v處的吸收系數(shù)為相互重疊的n條譜線在該波數(shù)處的作用之和，即

(15)

式中，αg(v)為氣體在波數(shù)v處的吸收系數(shù)；Sk和v0,k分別為第k條吸收譜線的線強(qiáng)度和中心波數(shù)。

變壓器油中溶解的特征氣體為多組分，光聲光譜檢測(cè)裝置需分析多組分氣體樣品而不是單一組分，在單個(gè)成分的吸收譜所選擇的一組波長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，檢測(cè)每一波長(zhǎng)的光聲信號(hào)，便可分析樣品。如果Ri表示波長(zhǎng)λi處單位入射功率的光聲系統(tǒng)響應(yīng)，則信號(hào)Si為

Si=PicRi

(16)

式中，c為濃度；Pi為λi處的入射功率。對(duì)多組分樣品

(17)

式中，Rin為組分在波長(zhǎng)處的響應(yīng)。式(17)的解為

(18)

此方法在分析多組分樣品時(shí)的有效性不僅取決于Si和Pi的測(cè)量準(zhǔn)確度，還依賴于矩陣Rin的性質(zhì)。顯然，如果能選擇一組波長(zhǎng)使Rin成對(duì)角矩陣，則問題變得很簡(jiǎn)單，且靈敏度不為各組分之間相互干擾所限制。

2 光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用

實(shí)際應(yīng)用中，油中溶解氣體在線檢測(cè)系統(tǒng)一般包括油氣分離單元、光聲光譜檢測(cè)單元及數(shù)據(jù)處理單元。油氣分離單元從變壓器油中分離出故障氣體供檢測(cè)單元分析，光聲光譜檢測(cè)單元是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)對(duì)故障氣體進(jìn)行定性和定量分析，檢測(cè)單元的分析結(jié)果由數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行整理并實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 油中溶解氣體檢測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of dissolved gas detection system

在該系統(tǒng)中，為提高油中溶解氣體的脫氣率，采用IEC標(biāo)準(zhǔn)推薦的適用于變壓器油中溶解氣體在線檢測(cè)的負(fù)壓動(dòng)態(tài)頂空脫氣。以室外空氣為背景氣，避免使用高壓罐裝的壓縮空氣或惰性氣體，降低成本同時(shí)消除高壓氣罐的潛在危險(xiǎn)。

動(dòng)態(tài)頂空脫氣的主要原理是：在油室中加入一定量的油樣和一定量的純凈空氣，通過攪拌后鼓泡等方法，加速使油中溶解氣體在氣、液兩相間建立動(dòng)態(tài)平衡，測(cè)定氣相各組分含量就可算出油中溶解氣體各組分含量。在該設(shè)計(jì)中，通過附加油泵、氣泵、加熱器等設(shè)備來改變油室的溫度、壓力和占空比以提高脫氣率。油中氣體濃度方程為[22]

(19)

式中，t為油室的溫度；Pa為油室的壓力；P0為環(huán)境大氣壓；Ki為試驗(yàn)溫度下，氣液兩相平衡后i氣體組分的分配系數(shù)，即奧斯特瓦爾德系數(shù)；Cio為液相中i氣體組分的體積分?jǐn)?shù)；Cig為氣相中i氣體組分的體積分?jǐn)?shù)；Vo和Vg分別為油樣和氣室的體積。

光源是光聲光譜檢測(cè)器的重要組成部分，光源的選擇首先是能覆蓋所有變壓器油中溶解特征氣體吸收光譜帶的紅外光源，其次是必須體積小、功耗低。我們選擇寬帶黑體光源的覆蓋范圍為500～4 000cm-1，或用波長(zhǎng)表示為20～2.5μm，保證能通過過濾吸收光分辨不同的氣體。

斬光盤是將連續(xù)的光變成斷續(xù)光的裝置，它是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的帶對(duì)稱切口的金屬盤片，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率在該設(shè)計(jì)中選擇20Hz。

被測(cè)氣體的定性分析是通過濾光片實(shí)現(xiàn)的，只有相同頻率的光才能通過，根據(jù)前述變壓器油中溶解氣體的紅外吸收光譜特性，選用Lumasense公司相應(yīng)型號(hào)的濾光片。

光聲池為非共振式設(shè)計(jì)，非共振式光聲池的特點(diǎn)是光聲信號(hào)與調(diào)制信號(hào)近似，所以光聲池各處的聲壓基本一致，非共振式光聲池的振幅為

(20)

式中，Vc為光聲池的體積；ω為斬波器的調(diào)制頻率；lt=R2Cr/(2.048k)， 其中k為熱傳導(dǎo)系數(shù)，Cr為氣體的等容熱容。非共振式光聲池具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等特點(diǎn)，適用于現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)產(chǎn)品。

在本系統(tǒng)中，微音器選用B&K公司的駐極體微音器，其核心部分是一個(gè)能夠感知聲壓的振膜和一塊固定的駐極體，振膜在聲波的推動(dòng)下發(fā)生形變，進(jìn)而引起兩極板之間電容的改變，電容變化的頻率和幅度正比于聲波的頻率和強(qiáng)度。振膜和駐極體間存在高值電阻，由于駐極體本身能夠提供極化電壓，當(dāng)聲波導(dǎo)致兩極板間的電容發(fā)生改變時(shí)，高值電阻的阻礙作用使得振膜和駐極體間的電荷基本不變，于是二者間的電壓呈現(xiàn)與電容值呈反比的變化，從而得到相應(yīng)的電信號(hào)輸出。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

光聲光譜檢測(cè)裝置內(nèi)部光聲池的設(shè)計(jì)、微音器的選擇和信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)對(duì)檢測(cè)的影響在設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷完善，變化的外部環(huán)境對(duì)檢測(cè)的影響則需要更多的研究、分析和經(jīng)驗(yàn)積累。

3.1 噪聲分析

光聲光譜最終檢測(cè)到的是聲音信號(hào)，檢測(cè)靈敏度最終由信號(hào)的信噪比決定，提高靈敏度的方法是盡可能降低噪聲和其他干擾信號(hào)。影響檢測(cè)的主要噪聲有：

1)氣室內(nèi)壁噪聲

當(dāng)光照射到氣室內(nèi)，氣室內(nèi)壁對(duì)光的吸收會(huì)導(dǎo)致在斬波頻率下氣室壁的溫度周期性增加。壁面溫度的升高引起熱流量傳導(dǎo)到空氣層與壁接觸，使之?dāng)U大。光周期性地與氣室壁接觸，空氣會(huì)在斬波頻率下膨脹和收縮而產(chǎn)生聲信號(hào)。以球形空腔為例計(jì)算氣體信號(hào)。

(21)

式中，Wω為單位壁體面積吸收功率；ρω、Cω、kω分別為壁體材料的質(zhì)量密度、熱容量和熱導(dǎo)率；ρ0、Cp、k分別為氣室內(nèi)氣體混合物中的質(zhì)量密度、熱容量和熱導(dǎo)率；p0、T0分別為環(huán)境壓力和溫度；R為氣室半徑；ω為斬波頻率。氣體信號(hào)對(duì)氣室內(nèi)壁信號(hào)的比率主要在于頻率，減少內(nèi)壁信號(hào)的主要方法有：①使用吸收光能少而反射光能多的材料；②腔體半徑盡量大；③材料的ρωCωkω盡量高。

2)窗噪聲

少部分的入射光照射到窗口將被窗口材料吸收，這將在窗口表面引起溫度波動(dòng)。正如由氣室壁吸收光產(chǎn)生聲信號(hào)一樣，窗口材料對(duì)光的吸收也產(chǎn)生聲信號(hào)。

光照射到窗口時(shí)，材料吸收入射光引起窗口表面溫度起伏，振幅為

(22)

式中，β為窗口材料的吸收系數(shù)；Cwi為窗戶材料熱容量；ρwi為窗戶材料密度；lc為圓柱PAS氣室內(nèi)部長(zhǎng)度。

窗口信號(hào)在以下幾方面不同于氣室壁信號(hào)：①窗口信號(hào)與信號(hào)頻率的ω3/2而不是ω呈反比；②窗口信號(hào)與材料的熱導(dǎo)率無關(guān)。這些差異是由于窗口材料整體吸收光，而氣室內(nèi)壁僅表面吸收。通常使用鍺作為窗口材料，可減少窗口噪聲。

3)氣體布朗運(yùn)動(dòng)噪聲

光聲池中氣體的布朗運(yùn)動(dòng)或熱漲落是氣體光聲光譜技術(shù)靈敏度的最終極限。這些熱漲落能激發(fā)光聲池中聲的簡(jiǎn)正模式，從根本上限制了光聲靈敏度。C.Kittle[23]指出，布朗運(yùn)動(dòng)所激勵(lì)的第j次簡(jiǎn)正模式的振幅為

(23)

4)微音器噪聲

光聲光譜信號(hào)的檢測(cè)多使用電容式微音器，電容微音器使用在強(qiáng)徑向張力下安裝的金屬或鍍金屬的箔或膜片。作用于膜片一面的聲壓引起膜片運(yùn)動(dòng)，因而改變膜片和固定金屬板之間的電容量。在最低階的振動(dòng)模式能明顯改變電容量。在這種振動(dòng)模式中，膜上每一點(diǎn)在方向上的平均位移為

(24)

當(dāng)微音器與高阻抗放大器的輸入端相連時(shí)，輸出電壓Vs為

(25)

式中，ωm為微音器的共振頻率，ωm=(x/m)1/2；Qm為微音器的品質(zhì)因素，Qm=(mx/ξ)1/2，其中m為膜的質(zhì)量，ξ為阻尼因子，x為恢復(fù)力；VB為微音器的偏置電壓；d為微音器膜片和固定金屬板之間的距離。則零階模式的振幅為

(26)

5)振動(dòng)噪聲

振動(dòng)噪聲是微音器誤差的主要來源。來自外部環(huán)境的振動(dòng)會(huì)使微音器膜、氣室中空氣以及氣室發(fā)生變形，這些變形產(chǎn)生噪聲信號(hào)。低頻時(shí)，垂直于膜表面的振動(dòng)將影響檢測(cè)，加速度為a0sinωt的垂直振動(dòng)產(chǎn)生壓力Pm=ρmda0sinωt，ρm為微音器膜的密度，d為膜的厚度。兩個(gè)對(duì)稱安裝的微音器減少振動(dòng)的影響，反向相加而抵消。

3.2 環(huán)境溫度、壓力影響

氣體光聲信號(hào)是在恒定的溫度、壓力下的光聲池中激發(fā)氣體分子，被激發(fā)氣體分子的無輻射弛豫產(chǎn)生的，溫度和壓力的變化必然會(huì)引起分子光譜線強(qiáng)的變化。HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)給出的譜線是在P0=1.013 25×105Pa，T0=296 K標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的線強(qiáng)，其他溫度和壓力下，必須根據(jù)式(12)修正到測(cè)量時(shí)的溫度T和壓力p下的線強(qiáng)。譜線的積分強(qiáng)度為

(27)

式中，Q(T)為配分函數(shù)；Rul為躍遷矩陣；E1為低能級(jí)。因此，非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的譜線積分強(qiáng)度為[24]

(28)

3.3 環(huán)境空氣濕度影響

以環(huán)境空氣為光聲光譜檢測(cè)裝置的背景氣為油中溶解氣體在線檢測(cè)帶來方便，但由于：①在氣體分子碰撞過程中，入射光能會(huì)部分傳遞給背景氣體，引起氣體分子的動(dòng)力學(xué)冷卻；②背景氣體中微量的CH4、CO等紅外吸收氣體會(huì)與檢測(cè)氣體中同類氣體混合；③背景氣體會(huì)影響吸收氣體的碰撞展寬，進(jìn)而直接影響氣體的吸收譜線。上述3種影響可通過檢測(cè)被測(cè)氣體前先檢測(cè)背景氣體，通過學(xué)習(xí)算法來消除影響；④空氣的濕度隨季節(jié)、溫度變化，進(jìn)入氣室的水分子也是變化的，由于水氣是吸收氣體會(huì)直接影響測(cè)量結(jié)果，且駐極體微音器通過檢測(cè)極板間電容的變化來計(jì)算光聲信號(hào)產(chǎn)生的聲壓，而極板間的電容量決定于極板間距離和氣體介電常數(shù)。在氣體成分、溫度、壓力控制不變的光聲池中，駐極體極板間電容量只與濕度有關(guān)。氣體濕度的少量變化都會(huì)引起氣體介電常數(shù)較大的變化。氣體濕度越大，氣體介電常數(shù)就越大，電容式微音器的靈敏度也就越高。

1)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

圖5所示為現(xiàn)場(chǎng)采集的光聲光譜檢測(cè)結(jié)果與環(huán)境空氣濕度的變化趨勢(shì)。為圖形設(shè)計(jì)的方便和對(duì)比效果，選取從2013年8月11日～2014年7月1日期間每周一下午16∶00的數(shù)據(jù)。

圖5 濕度對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行光聲光譜檢測(cè)結(jié)果的影響Fig.5 Influence of detection result in field from humidity

從圖5可看出，盡管CO和CO2濃度較高，且隨變壓器運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)而增多，在濕度變化較大的秋季和夏季，其濃度的增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯大于空氣濕度變化較少的春季和冬季。濃度較低的烴類氣體，隨濕度的變化有明顯波動(dòng)。

2)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)試驗(yàn)

為了進(jìn)一步了解濕度對(duì)光聲光譜檢測(cè)結(jié)果的影響，在實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備一臺(tái)與現(xiàn)場(chǎng)一樣的光聲光譜檢測(cè)裝置，白天設(shè)備在室外運(yùn)行，晚上在控制溫度和濕度穩(wěn)定的房間運(yùn)行，3天的運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。

圖6 濕度對(duì)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行光聲光譜檢測(cè)結(jié)果的影響Fig.6 Influence of detection result in lab from humidity

從圖6可得到與現(xiàn)場(chǎng)一樣的結(jié)果，濕度的變化引起測(cè)量結(jié)果的波動(dòng)。隨著檢測(cè)的不斷進(jìn)行，油中氣體含量應(yīng)緩慢降低，在夜間，空氣濕度穩(wěn)定，測(cè)量結(jié)果恒穩(wěn)定，當(dāng)白天在室外空氣濕度明顯變化時(shí)，檢測(cè)結(jié)果反而明顯上升。

3.4 空氣濕度及其他氣體影響的消除方法

為了消除空氣濕度及其他氣體對(duì)光聲光譜檢測(cè)結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)了基于活性炭-活性氧化鋁-分子篩吸附工序的空氣凈化裝置。

活性炭能大量吸附水分，活性氧化鋁在適當(dāng)?shù)臏囟认履艽呋趸諝庵械腍2、CO、CH4等，最后采用分子篩進(jìn)行干燥吸附。分子篩在水蒸氣分壓低的條件下具有很強(qiáng)的吸附能力，可進(jìn)行氣體的深度干燥。

在實(shí)驗(yàn)室，空氣經(jīng)過空氣凈化裝置后，出口處氣體濃度的變化如圖7所示，在開始時(shí)，由于脫附，CO2緩慢上升，脫附完成后，開始吸附，在出口處，CO2和CH4的濃度都變得很小，滿足設(shè)備使用要求。

圖7 空氣凈化效果Fig.7 Gas conversions versus time

安裝過濾裝置后測(cè)試結(jié)果如圖8所示，乙烯、乙烷、甲烷和乙炔的重復(fù)性分別為：1.78%、3.59%、1.80%和2.50%。濕度的變化沒有引起氣體檢測(cè)結(jié)果變化。

圖8 安裝空氣凈化裝置后測(cè)試結(jié)果Fig.8 Test result after air purified

3.5 檢測(cè)結(jié)果分析

通過頂空脫氣與光聲光譜的檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)室頂空脫氣與Agilent7890氣相色譜儀對(duì)采樣于運(yùn)行中的變壓器的油的隨機(jī)樣本進(jìn)行對(duì)比分析。使用不同技術(shù)對(duì)同一樣本油進(jìn)行的測(cè)試結(jié)果見表2。給出以PPM為單位的標(biāo)準(zhǔn)偏差以及所獲讀數(shù)的平均值百分比的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表2 取自現(xiàn)場(chǎng)變壓器油中氣體進(jìn)行的分析Tab.2 Result of gas-in-oil samples from field transformer

由于實(shí)際運(yùn)行的變壓器特別是新投運(yùn)的變壓器，油中氣體含量都很低，在烴類氣體濃度低于2 PPM時(shí)，光聲光譜與氣相色譜的偏差均低于0.5 PPM，高于2 PPM時(shí)偏差低于10%，達(dá)到了IEC和國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 結(jié)論

光聲光譜氣體檢測(cè)技術(shù)具有靈敏度高、檢測(cè)速度快、檢測(cè)范圍寬、不消耗被測(cè)氣體和載氣等優(yōu)點(diǎn)，被推薦應(yīng)用于電力系統(tǒng)變壓器油中溶解氣體的在線檢測(cè)。分析了光聲光譜微量氣體檢測(cè)原理和變壓器油中溶解氣體的特征吸收光譜，根據(jù)特征氣體的吸收光譜特性計(jì)算油中各組分氣體含量，搭建了基于動(dòng)態(tài)頂空脫氣和光聲光譜檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，與實(shí)驗(yàn)室安捷倫氣相色譜儀對(duì)比測(cè)試了取自運(yùn)行中的變壓器的同一油樣，測(cè)試了空氣濕度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)分析了濕度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響并提出了可行的解決方案。同時(shí)研究了光聲光譜檢測(cè)器內(nèi)部和外部環(huán)境噪聲對(duì)檢測(cè)的影響。為進(jìn)一步完善光聲光譜技術(shù)在變壓器油中溶解氣體檢測(cè)中的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

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Research on the Detection of the Dissolved Gas in the Transformer Oil by Photoacoustic Spectroscopy

MaoZhixinWenJinyu

(Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China)

Photoacoustic spectroscopy (PAS) is a new method to detect the trace gas dissolved in the transformer oil.It utilizes the measurement of the electromagnetic energy absorbed by the transformer oil by means of acoustic detection.The PAS is characterized by high sensitivity，wide detective range，good selectivity and maintenance free.In this paper，the principle of PAS used for dissolved gas detection in transformer oil has been introduced first.Then the absorption spectral has been analyzed qualitatively and quantitatively.A dissolved gas detection system consisting of a dynamic headspace degasses and the trace gas meter with PAS has been built.Field test has also been conducted and the improvements have been made considering the effect of internal noise，environmental temperature and humidity.Experimental results demonstrate the accuracy of trace gas detection is well with the national and IEC standards.

Photoacoustic spectroscopy，dissolved gas in transformer oil，gas detection，humidity，influence factors

2014-12-17 改稿日期2015-01-19

TM406

毛知新 男，1972年生，博士研究生，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備智能在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。(通信作者)

文勁宇 男，1970年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制，電能存儲(chǔ)與電力安全等。