閆智鵬，高耀文，王 璇

（1.國網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001；2.山西省煤礦機械制造有限責任公司，山西 太原 030001；3.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001）

變壓器是電網(wǎng)系統(tǒng)的核心設備之一，它的運行狀態(tài)對系統(tǒng)安全具有重要影響。隨著對變壓器運行維護要求的不斷提高，變壓器故障在線診斷技術的研究工作得到了越來越多的關注。

1 光聲光譜在線監(jiān)測技術原理

變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設備之一，其安全運行狀態(tài)直接關系到系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。油浸式電力變壓器在正常運行中和發(fā)生故障后，在熱、電的作用下，其絕緣油及有機絕緣材料會分解出H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO 和 CO2等氣體，這些氣體可用于判斷故障類型及故障部位[1]。對特定油中溶解氣體進行定性、定量分析，可以直觀、高效地預判出電力變壓器的潛伏故障。

1.1 理論原理

光聲光譜技術是基于光聲效應來檢測吸收物體積分數(shù)的一種光譜技術。該技術的優(yōu)勢有以下幾個方面。

a）可實現(xiàn)非接觸性檢測，對氣體無消耗。

b）無需分離氣體，不同氣體的成分和含量可直接通過光譜分析確定。

c）各器件的性能穩(wěn)定，可實現(xiàn)在長期使用中免維護。

d）能夠對氣體吸收光能的大小進行直接測量，且比傅里葉紅外光譜技術靈敏度更高。

e）測量的精度高、范圍廣，同時檢測速度快，具有重復性和再現(xiàn)性。

一般情況下，多數(shù)氣體分子的無輻射躍遷主要處于紅外波段，因而光聲光譜技術對氣體的定性、定量分析是通過氣體對相應于特征吸收峰的特定波長紅外光吸收量的測量來實現(xiàn)的。

在特定波長紅外光的照射下，氣體分子由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，由于處于激發(fā)態(tài)的分子與處于基態(tài)的分子相互碰撞，經過無輻射弛豫過程，氣體吸收的光能轉變?yōu)榉肿娱g的動能，進而增強分子間的碰撞，造成氣體溫度的升高。在氣體體積一定的條件下，氣體壓力隨著溫度的升高而增大。如果對光源的頻率進行調制，分子動能便會隨調制頻率發(fā)生同樣的周期性變化，從而引發(fā)氣體溫度和壓強也隨之周期性變化。在此過程中會產生周期性變化的壓力波，可以利用微音器對其進行感應，并以電信號的模式輸出。氣體無輻射弛豫傳能過程所需時間決定于氣體各組成部分的化學和物理性質。氣體分子由激發(fā)態(tài)的振動動能經無輻射弛豫轉變?yōu)榉肿优鲎驳钠絼觿幽艿臅r間遠小于光的調制周期，所以一般不考慮傳能過程所用的時間。此時，光的調制相位即為光聲信號的相位，光聲信號強度同氣體的體積分數(shù)及光的強度成正比。當光的強度一定，氣體的體積分數(shù)可由分析光聲信號的強度得出[2]。在故障氣體的分子紅外吸收光譜中，有不同化合物分子特征譜線交疊重合的現(xiàn)象，因此應選擇相對獨立的特征頻譜區(qū)域，從而避免檢測過程中不同氣體間發(fā)生干擾，以滿足檢測要求。

1.2 工作原理

如圖1所示，為光聲光譜技術應用于在線監(jiān)測裝置中的原理，通過拋物面反射鏡將光源聚焦形成入射光。入射光的頻率通過轉動速率恒定的調制盤后，其頻率得到調制，然后通過一組濾光片，設定某一特定波長，實現(xiàn)分光功能，并同光聲室內某特定氣體的吸收波長相對應。波長經過調制后的紅外線，在聲光室內對某特定氣體分子以調制頻率進行反復激發(fā)。氣體分子被激發(fā)后，以輻射或非輻射的方式回到基態(tài)。就非輻射馳豫過程而言，分子動能體系能量轉化結果為分子動能，從而導致局部氣體溫度升高，在密閉光聲室內引發(fā)周期性機械壓力波，隨后由微音器對其進行檢測。在此原理過程中，調制頻率確定了光吸收激發(fā)的聲波頻率，可吸收該窄帶光譜的特征氣體的體積分數(shù)體現(xiàn)于聲波的強度，因此，通過明確氣體體積與聲波強度的定量關系，就可以得出氣池中各氣體準確的體積分數(shù)。在上述過程中，通過更換不同濾光片，就可以明確光聲室內氣體的種類以及相應的體積分數(shù)。

1.3 實際應用的技術特點

光聲光譜法實現(xiàn)變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測的技術關鍵在于研制光聲光譜檢測單元、研制油氣分離單元和現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。

光聲光譜檢測單元的技術關鍵包括：高靈敏度、低噪聲聲波傳感技術、紅外熱輻射光源研究、光聲池設計、光聲信號相關檢測技術、多種氣體分析物理數(shù)學模型及快速在線計算方法、微量乙炔和氫氣的檢測。

圖1 光聲光譜在線監(jiān)測裝置原理簡圖

現(xiàn)場監(jiān)測中，每一種氣體分子均有其吸收峰值，不同的氣體的吸收峰值不同，造成在某些區(qū)域有重疊吸收峰值，導致用該波段的光分析氣體時會發(fā)生氣體間的交叉影響。選取吸收峰值應盡量避免有重疊的吸收峰值，盡量與水也分開，避免造成交叉影響。

2 光聲光譜在線監(jiān)測在變壓器中的應用

2.1 基于光聲光譜法的變壓器在線檢測系統(tǒng)的結構設計

根據(jù)光聲光譜法的檢測原理，基于光聲光譜法的變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由油氣分離模塊、光聲模塊、信號處理模塊、油路及氣路系統(tǒng)、單片機控制模塊、計算機通信及故障診斷模塊等構成。

某文獻給出了4種設計方案，這4種系統(tǒng)具有共同的運作流程，即首先從變壓器中提取少量油樣，流入到油氣分離室內，經過油氣分離處理后將分離出來的氣體導入到光聲腔內；同時，在氣體循環(huán)泵的循環(huán)抽動下，使得故障氣體在光聲腔與油氣分離室間循環(huán)流動；用微音器監(jiān)測故障氣體里的各種氣體成分的含量，微音器監(jiān)測到的信號首先經過差分放大處理后再輸入到鎖相放大器里進行鎖相放大，從噪聲中提取出微弱的有用信號，然后將信號經過數(shù)據(jù)采集卡輸入到計算機中去，進一步對故障的類型進行診斷。4種系統(tǒng)的區(qū)分就在于光聲模塊的不同，如圖2所示為現(xiàn)常用的基于光聲光譜法的變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的結構設計圖。

2.2 油氣分離裝置

圖2 基于光聲光譜法的變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的結構設計圖

某文獻給出了1種油氣分離裝置的結構示意圖，如圖3所示。該油氣分離裝置的基本工作過程為首先抽真空，關閉注油閥，關閉回油閥和回油泵，開啟氣體止回閥1和2，同時關閉電磁閥1，開啟電磁閥2，啟動真空泵，開始抽取氣體排出到外界空氣中去，形成一個負壓的環(huán)境。第二，注油，關閉回油泵和回油止回閥以及氣體止回閥，開啟注油閥，向油氣分離室中注油，同時經過流量控制器進行計量，當注入的油量達到一定量時，關閉注油電磁閥，作為油位高度的后備保護，工作人員還在油氣分離室1/3高度處設置有油位液面?zhèn)鞲衅?，當油位高度達到時，將觸發(fā)傳感器，強制關閉注油電磁閥，停止注油。第三，振蕩脫氣，啟動超聲振蕩器，氣體止回閥1和2，開啟電磁閥1，關閉電磁閥2，啟動真空泵（用作氣體循環(huán)泵），同時將脫出的氣體輸入到被檢測光聲腔內。第四，回油，當脫氣檢測完畢時，關閉氣體止回閥1和2，關閉真空泵，關閉超聲換能器，開啟回油閥，開啟回油泵，將已經脫氣完畢的油注回到變壓器中去?；赜屯戤吅?，就相當于一次脫氣過程完畢。質量控制閥可以控制氣體的流量速度，為了更好地滿足光聲腔對該氣體的檢測效果，一般將氣流速度限制為20 mL/min。

2.3 光聲池的設計

光聲光譜監(jiān)測系統(tǒng)中，光聲池作為光聲信號的信號源，是系統(tǒng)中最為關鍵的部分，其特性很大程度上決定了系統(tǒng)的分辨力、信噪比和檢測極限等關鍵性能。不同形式的光聲池具有不同的特點[3]。

a）非諧振氣體光聲池。如果入射光均勻地分布于整個光聲腔中，調制頻率ω低于腔體的最低階的簡正頻率時，光聲池就工作在非諧振狀態(tài)，這時池內的光聲信號幾乎是同相的。非諧振式氣體光聲池結構簡單，體積較小，調制頻率低，在儀器小型化時具有自己的優(yōu)勢，但信噪比較低，且不能對流動狀態(tài)的試樣進行檢測。

圖3 油氣分離裝置結構示意圖

b）諧振氣體光聲池。當入射光的調制頻率ω正好等于光聲腔的某一諧振頻率時，光聲池工作在此諧振模式。諧振式光聲池的原理是聲波在腔體中傳輸，通過調制光源照射頻率使其與聲波在腔室中傳播的本征頻率重合形成共振，這樣可以將光聲信號進行共振放大。

在諧振光聲池中，對聲波進行放大可以采用兩種方式。一種是基于赫姆霍茲（Helmholtz）共振原理，使用共振腔放大光聲效應激發(fā)出的聲波；基于Helmholtz共振原理設計的光聲池稱為Helmholtz光聲池，它一般由一根細長圓柱形管道連接2個不同體積的空腔組成。Helmholtz光聲池工作時，光束透過下端空腔端面的窗口片入射到空腔中，以激發(fā)起光聲效應，而微音器則安裝于上端空腔，以檢測氣體的壓力變化。Helmholtz光聲池的主要優(yōu)點是，只要簡單地改變管道的面積和長度，共振頻率便有相當大的變化，適當?shù)卦O計管道的大小，即可獲得總氣體體積較小而品質因數(shù)Q值相當高的共振條件。由于管道中氣體振子的擺動幅度很小，Helmholtz光聲池對光聲信號的放大能力有限。

另一種放大聲波的方式是通過合理設計光聲池，使光聲效應產生的聲波在光聲池中形成駐波，利用駐波放大作用使光聲信號得到共振增強，在此稱這類光聲池為空腔式光聲池?？涨皇焦舱窆饴暢鼐哂幸韵聨追矫鎯?yōu)點。

a）光聲池的共振頻率一般在1 kHz以上，因此，隨著光聲池共振頻率的升高，系統(tǒng)的低頻噪聲將顯著降低。

b）聲場在光聲池中呈簡正模式分布，因而可以將氣體的進出口設置在聲波波節(jié)處，以減弱氣體流動對聲場的干擾，這就解決了非共振光聲池不能檢測流動氣體的問題。

c）利用光強分布I（r，ω）和簡正模式Pj（r）之間的耦合關系，可以增強光聲信號并抑制噪聲信號，從而提高系統(tǒng)的信噪比。

2.4 鎖相放大器

鎖相放大器的基本結構如圖4所示，包括信號通道、參考通道、相敏檢測器 PSD（Phase-sensitive Detection） 和低通濾波器 LPF（Low-pass Filter） 等。

信號通道由低噪聲前置放大器、各種特性的無源或有源濾波器、寬帶放大器等部分組成，它的作用是對調制正弦信號輸入進行交流放大，形成信號x（t），將微弱信號放大到足以推動相敏檢測器工作的電壓的有效值，并且濾除部分干擾和噪聲，以提高PSD的動態(tài)范圍。參考通道是鎖相放大器區(qū)別于一般放大器的一個重要組成部分，它的主要作用是對參考輸入信號進行放大或衰減，形成信號r（t），為PSD器提取被測信號的頻率特征提供一個適合幅度的與被測信號頻率相關（同步）的信號。參考輸入信號一般是等幅正弦信號或方波開關信號，它可以是從外部輸入的某種周期信號，也可以是系統(tǒng)內原來用于調制的載波信號或用于斬波的信號。PSD又稱相關解調器，它是鎖相放大器的核心單元。PSD是基于相關檢測原理，利用噪聲信號與周期信號不存在相關性的特點，通過直接計算待檢信號與參考信號在零點的相關值的方法來抑制噪聲并提取有效信號。在原理上，PSD相當于一個乘法器和積分器的組合。LPF的主要作用是改善鎖相放大器的信噪比，其時間常數(shù)越大，鎖相放大器的通頻帶寬越窄，抑制噪聲的能力越強。

圖4 鎖相放大器結構示意圖

3 結束語

光聲光譜法是通過檢測氣體分子對激光光子能量的吸收來定量分析氣體濃度的，它屬于測量吸收的氣體分析方法，如將光聲光譜法應用于變壓器油中氣體含量在線監(jiān)測，檢測靈敏度高，需要的氣樣極少，從而大大地減少油氣分離時間，縮短了測量周期，測量精度更高，無需任何載氣，方便設備的維護；同時，無需定期標定，無需預熱，檢測時間快，穩(wěn)定性好，使用壽命長。從這些特點看出，光聲光譜法更適合應用于變壓器油中溶解氣體含量在線監(jiān)測系統(tǒng)。因此，對于基于光聲光譜法的變壓器油中氣體含量在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究，對變壓器絕緣故障診斷技術可以提供更可靠的診斷數(shù)據(jù)。

［1］ 中華人民共和國國家標準化指導性技術文件.GB/T 7252-2001 變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則［S］.北京：中國標準出版社，2001：3-4.

［2］ 劉先勇，周方潔，胡勁松，等.光聲光譜在油中氣體分析中的應用前景［J］.變壓器，2004，41（7）：30-33.

［3］ 李憲棟，肖明，劉定友，等.光聲光譜變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)在小浪底水電廠的應用［J］.變壓器，2008，45（3）：45-48.