陳偉根 萬(wàn) 福 顧朝亮 鄒經(jīng)鑫 漆 薇 王品一

（輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)）重慶 400044）

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變壓器油中溶解氣體拉曼剖析及定量檢測(cè)優(yōu)化研究

陳偉根 萬(wàn) 福 顧朝亮 鄒經(jīng)鑫 漆 薇 王品一

（輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)）重慶 400044）

摘要多種氣體（氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙炔、乙烯和乙烷）的高精度、高靈敏度檢測(cè)仍是基于溶解氣體分析的早期變壓器故障診斷的核心。本文從原子結(jié)構(gòu)層面剖析了變壓器油中溶解氣體的拉曼振動(dòng)模式及拉曼頻譜。搭建了基于表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)的溶解氣體檢測(cè)平臺(tái)，得到了單一氣體H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4和C2H6的拉曼頻譜，且實(shí)現(xiàn)了溶解故障混合氣體的同時(shí)檢測(cè)。通過(guò)阿倫方差分析，確定了拉曼檢測(cè)的最優(yōu)平均次數(shù)，使檢測(cè)極限提高了約12.8倍。提出了基于氣體特征譜峰面積比的定量分析方法,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行變壓器油樣進(jìn)行故障診斷，檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到96%。

關(guān)鍵詞：溶解氣體分析 拉曼檢測(cè) 阿倫方差 特征譜峰面積比

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)（2012YQ160007）和國(guó)家創(chuàng)新研究群體基金（51321063）資助項(xiàng)目。

0 引言

電力變壓器是輸電和配電系統(tǒng)中的核心部件之一，對(duì)電力系統(tǒng)的安全性和可靠性有著至關(guān)重要的作用。充油式電力變壓器中的電、熱故障，總是與油中溶解氣體包括氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙炔、乙烯和乙烷的形成有關(guān)[1]。通過(guò)溶解氣體分析（Dissolved Gas Analysis，DGA），可以區(qū)分諸如過(guò)熱，局部放電和電弧放電等不同類(lèi)型的故障，DGA已經(jīng)成為國(guó)際社會(huì)普遍認(rèn)可的變壓器早期故障檢測(cè)的一種有效診斷技術(shù)[2-4]。

油中溶解氣體組分及濃度的準(zhǔn)確測(cè)量是DGA的關(guān)鍵。多種氣體檢測(cè)傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于變壓器油中溶解氣體在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和離線(xiàn)檢測(cè)[5-8]?；诜肿永卣黝l譜的氣體分析技術(shù)，其無(wú)需分離氣體，就能實(shí)現(xiàn)直接且同時(shí)測(cè)量，檢測(cè)準(zhǔn)確率高[9-12]。隨著激光和探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，其在變壓器油中溶解故障特征氣體檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，成為新的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[13]利用Jobin Yvon公司的拉曼光譜儀分別測(cè)出了高純度的甲烷氣體和乙炔氣體的拉曼光譜圖，論證了利用拉曼特征峰檢測(cè)甲烷、乙炔氣體的可行性。文獻(xiàn)[14]研究了通過(guò)拉曼光譜技術(shù)和化學(xué)計(jì)量學(xué)方法實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的絕緣評(píng)估方法，且建立了光譜數(shù)據(jù)與電氣設(shè)備絕緣特征量的預(yù)測(cè)模型。文獻(xiàn)[15]提出一種基于拉曼光譜技術(shù)的變壓器油中溶解氣體C2H2原位檢測(cè)方法，檢測(cè)下限為3 700μL/L。文獻(xiàn)[16]搭建了鍍銀石英玻璃管的拉曼光譜檢驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)七種混合氣體中C2H2的檢測(cè)下限達(dá)到了5μL/L。但以上所有嘗試暫時(shí)都不能滿(mǎn)足變壓器油中溶解氣體定量檢測(cè)極限的需要[17]，其主要原因?yàn)椋簹怏w的拉曼散射截面特別小，導(dǎo)致拉曼散射強(qiáng)度過(guò)小（比入射激光強(qiáng)度小6個(gè)數(shù)量級(jí)）[18]。

為了提高氣體檢測(cè)極限，從硬件上，就必須首先深入研究分子拉曼產(chǎn)生機(jī)理，從而采用各種增強(qiáng)手段來(lái)增加拉曼散射截面積。從軟件上，可采用平滑去噪、阿倫方差等方法來(lái)提高系統(tǒng)信噪比。本文從原子結(jié)構(gòu)層面剖析了變壓器油中溶解氣體中雙原子與多原子分子的振動(dòng)模式、拉曼頻譜機(jī)理。通過(guò)搭建了基于拉曼光譜技術(shù)的氣體檢測(cè)平臺(tái)，驗(yàn)證了單一溶解氣體H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4和C2H6的拉曼頻譜，實(shí)現(xiàn)了變壓器油中溶解氣體的同時(shí)檢測(cè)。得到了變壓器油中溶解氣體的最佳特征拉曼譜線(xiàn)及檢測(cè)極限。采用pd表面增強(qiáng)技術(shù)來(lái)增加拉曼散射截面積，利用阿倫方差時(shí)域分析技術(shù)來(lái)確定了分子拉曼譜的最優(yōu)平均次數(shù)（128次），使檢測(cè)極限提高了約12.8倍。提出了基于氣體特征譜峰面積比的定量分析方法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行故障變壓器取樣檢測(cè)、故障診斷，與氣相色譜儀檢測(cè)結(jié)果基本一致。

1 變壓器油中溶解氣體的拉曼頻譜

變壓器油中溶解氣體H2和CO為雙原子分子，CO2、CH4、C2H2、C2H4和C2H6為多原子分子，將其分開(kāi)進(jìn)行拉曼頻譜剖析。

1.1 雙原子分子振動(dòng)的拉曼頻譜

對(duì)于作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，質(zhì)量為m1和m2雙原子的薛定諤方程為[19]

式中，?是普朗克常數(shù)；k為化學(xué)鍵力常數(shù)；x分子中心振動(dòng)偏移量；meff是分子化學(xué)鍵有效質(zhì)量，為

而分子允許的振動(dòng)能級(jí)為

式中，n為能級(jí)數(shù)。當(dāng)分子振動(dòng)狀態(tài)的能量用波數(shù)表示為G（n）時(shí)，式（3）變?yōu)?/p>

式中，c為光速。

振動(dòng)躍遷頻率υ依賴(lài)于分子化學(xué)鍵質(zhì)量和強(qiáng)度。較重的化學(xué)鍵質(zhì)量與較弱的鍵強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于較低的振動(dòng)頻率；反之，對(duì)應(yīng)于更高的振動(dòng)頻率。

當(dāng)分子吸收光子，產(chǎn)生能級(jí)躍遷時(shí)，如果極化率發(fā)生變化，將產(chǎn)生振動(dòng)拉曼躍遷。因同核和異核雙原子分子膨脹和收縮時(shí)，原子核對(duì)電子作用大小不同，分子極化率將變化。

H2是一種同核雙原子分子，且只有一個(gè)獨(dú)立的振動(dòng)模式：H-H伸縮振動(dòng)，極化率變化，拉曼躍遷頻率為4 160cm-1[20,21]。

CO是一種異核雙原子分子，也只有一個(gè)獨(dú)立的振動(dòng)模式：C-O伸縮振動(dòng)，極化率變化，拉曼躍遷頻率為2 144cm-1[22]。

1.2 多原子分子振動(dòng)的拉曼頻譜

由于分子化學(xué)鍵的種類(lèi)、鍵長(zhǎng)和鍵角的變化，多原子分子具有多種振動(dòng)模式。對(duì)于一個(gè)由N個(gè)原子組成的線(xiàn)性（非線(xiàn)性）分子，有3N-5（6）個(gè)獨(dú)立的振動(dòng)模式。把每一個(gè)模式作為一個(gè)獨(dú)立的諧振子，其能量可表示為[19]

式中，vq是振動(dòng)模式q的拉曼頻率，取決于模式q的力常數(shù)kq和有效質(zhì)量mq。

CO2是一種線(xiàn)性分子，有3N-5（＝4）種獨(dú)立的振動(dòng)模式：C-O非對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)，C-O對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)，兩種O-C-O簡(jiǎn)并彎曲振動(dòng)。其中，只有C-O對(duì)稱(chēng)拉伸振動(dòng)（1 351cm-1）具有拉曼活性[23-24]。

CH4是一種四面體結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性分子，具有3N-6（＝9）種獨(dú)立的振動(dòng)模式：其中C-H對(duì)稱(chēng)振動(dòng)（2 917cm-1），C-H非對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)（3 021cm-1），C-H伸縮變形振動(dòng)（1 412cm-1），C-H簡(jiǎn)并振動(dòng)（1 526cm-1）等四種振動(dòng)模式具有拉曼活性[25-26]。

C2H2是一種線(xiàn)性分子，具有3N-5（＝7）種獨(dú)立的振動(dòng)模式：其中C-H對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)（3 372cm-1），C≡C伸縮振動(dòng)（1 974cm-1），兩種C-C-H彎曲振動(dòng)（805cm-1，612cm-1）等四種振動(dòng)模式具有拉曼活性[27-28]。

C2H4是一種非線(xiàn)性分子，具有3N-6（＝12）種獨(dú)立的振動(dòng)模式：其中C-H對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)（3 210cm-1），C-H非對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)（3 021cm-1），C＝C伸縮振動(dòng)（1 624cm-1），H-C-H面內(nèi)剪式振動(dòng)（1 375cm-1），C-C-H面內(nèi)擺式振動(dòng)（1 167cm-1），H-C-H面外擺式振動(dòng)（1 344cm-1）等模式具有拉曼活性[28-29]。

C2H6是一種非線(xiàn)性分子，具有3N-6（＝18）種獨(dú)立的振動(dòng)模式：其中CH3對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)（2 900cm-1），CH3對(duì)稱(chēng)變形振動(dòng)（2 955cm-1），C-C伸縮振動(dòng)（955cm-1），CH3簡(jiǎn)并伸縮振動(dòng)（1 500cm-1），CH3簡(jiǎn)并變形振動(dòng)（2 758cm-1），CH3擺式振動(dòng)（2 703 cm-1）等八種振動(dòng)模式具有拉曼活性[24,30]。

2 溶解故障氣體的拉曼譜線(xiàn)測(cè)量

圖1為實(shí)驗(yàn)室搭建的基于拉曼光譜技術(shù)的油中溶解故障氣體檢測(cè)平臺(tái)實(shí)物圖：具體檢測(cè)原理可參考文獻(xiàn)[16]。相對(duì)于文獻(xiàn)[16]，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有如下兩點(diǎn)改進(jìn)：①氣體樣品池兩端采用了內(nèi)徑為1.5mm的藍(lán)寶石玻璃片（藍(lán)寶石基本沒(méi)有熒光效應(yīng)，可消除熒光信號(hào)對(duì)氣體拉曼信號(hào)的覆蓋）；②采用pd表面拉曼增強(qiáng)（Surface-enhanced Raman Scattering，SERS）技術(shù)[31]來(lái)提高氣體分子拉曼微分橫截面，以提高檢測(cè)靈敏度。

圖1　變壓器油中溶解故障氣體拉曼檢測(cè)平臺(tái)實(shí)物圖Fig.1 Picture of Raman detection platform for dissolved fault gases in transformer oil

2.1 變壓器油中溶解氣體拉曼頻譜的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖2～圖8為通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、25℃下，變壓器油中溶解氣體0.5%的H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4和C2H6（載氣為Ar）單一氣體拉曼譜圖：相對(duì)于[16]，新檢測(cè)到C2H6的拉曼譜線(xiàn)955cm-1，且比其他兩條譜線(xiàn)強(qiáng)度都大。對(duì)于上節(jié)的剖析所得的油中溶解氣體的拉曼振動(dòng)譜線(xiàn)（CH41 412cm-1等；C2H2的805cm-1等、C2H4的3 210cm-1等和C2H6的1 500cm-1等），在實(shí)驗(yàn)中未檢測(cè)到，可能是因?yàn)椋浩淅駝?dòng)譜線(xiàn)的強(qiáng)度過(guò)低，不能被所搭建的平臺(tái)所檢測(cè)。對(duì)于CO2，拉曼譜線(xiàn)為1 388cm-1和1 285cm-1，是由譜線(xiàn)1 351cm-1經(jīng)費(fèi)米共振現(xiàn)象轉(zhuǎn)換形成[32]。

圖2　油中溶解故障氣體H2的拉曼譜圖Fig.2 Raman spectrum of oil-dissolved fault gas H2

圖3　油中溶解故障氣體CO的拉曼譜圖Fig.3 Raman spectrum of oil-dissolved fault gas CO

圖4　油中溶解故障氣體CO2的拉曼譜圖Fig.4 Raman spectrum of oil-dissolved fault gas CO2

圖5　油中溶解故障氣體CH4的拉曼譜圖Fig.5 Raman spectrum of oil-dissolved fault gas CH4

圖6　油中溶解故障氣體C2H2的拉曼譜圖Fig.6 Raman spectrum of oil-dissolved fault gas C2H2

圖7　油中溶解故障氣體C2H4的拉曼譜圖Fig.7 Raman spectrum of oil-dissolved fault gas C2H4

圖8　油中溶解故障氣體C2H6的拉曼譜圖Fig.8 Raman spectrum of oil-dissolved fault gas C2H6

2.2 基于拉曼光譜技術(shù)的變壓器油中溶解故障氣

體的同時(shí)檢測(cè)

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)濃度（500μL/L）變壓器油中溶解故障混合氣體H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4及C2H6進(jìn)行拉曼檢測(cè)，載氣為Ar，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示：實(shí)現(xiàn)了變壓器油中溶解故障氣體同時(shí)測(cè)量。

圖9　變壓器油中溶解氣體拉曼譜圖Fig.9 Raman spectrum of oil-dissolved gases

遵循譜線(xiàn)選取三原則[16]：①譜線(xiàn)相互獨(dú)立；②譜線(xiàn)強(qiáng)度高；③譜線(xiàn)在光譜儀的檢測(cè)范圍內(nèi)，選取的油中溶解七種故障氣體的特征拉曼譜線(xiàn)（由于拉曼頻譜具有對(duì)應(yīng)性，可分別選取一條拉曼譜線(xiàn)作為油中溶解氣體的特征）如表1第二列所示。

表1　變壓器油中溶解氣體的特征拉曼譜線(xiàn)及系統(tǒng)檢測(cè)極限Tab.1 The characteristic Raman spectral lines of dissolved gases in transformer oil and system detection limits

為了探測(cè)搭建的拉曼系統(tǒng)檢測(cè)極限，對(duì)不同低濃度氣體進(jìn)行了檢測(cè)，圖10為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、25℃下，CH4在不同的低濃度下的拉曼譜圖：2.5μL/L的CH4拉曼譜圖是可見(jiàn)的，而2μL/L的CH4拉曼譜基本被噪聲給淹沒(méi)，對(duì)其進(jìn)行定量分析難以進(jìn)行。因此可認(rèn)為，該拉曼系統(tǒng)對(duì)CH4的檢測(cè)極限約為2.5μL/L。利用同樣的方法，可得系統(tǒng)對(duì)H2、CO、CO2、C2H2、C2H4及C2H6的檢測(cè)極限，結(jié)果如表1中第三列所示。

圖10　不同濃度下CH4氣體的拉曼特征峰譜圖Fig.10 Raman spectra of CH4characteristic peak at different concentrations

影響系統(tǒng)檢測(cè)極限的主要因素為環(huán)境噪聲水平。對(duì)于獨(dú)立的統(tǒng)計(jì)測(cè)量，可采用光譜信號(hào)平均的方法來(lái)提高信噪比。通過(guò)阿倫方差對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行分析，來(lái)確定信號(hào)平均的最優(yōu)次數(shù)，以得到最高信噪比。將時(shí)域信號(hào)分成長(zhǎng)度為t的M個(gè)小組，每組含有N＝t/?t個(gè)元素，阿倫方差可由下式來(lái)表示[33]

利用Matlab編程對(duì)10 000次連續(xù)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行阿倫方差分析，得到系統(tǒng)阿倫方差雙對(duì)數(shù)圖如圖11所示：積分128次時(shí)，阿倫方差最小，信噪比最高。在最優(yōu)積分次數(shù)下，利用圖10所示的方法進(jìn)行溶解氣體拉曼檢測(cè)，驗(yàn)證了基于最優(yōu)積分次數(shù)的檢測(cè)極限提高特性。由圖12可知：C2H2的檢測(cè)極限提高到約0.28μL/L。各氣體的檢測(cè)極限試驗(yàn)值如表1第四列所示：基于最優(yōu)積分次數(shù)的拉曼檢測(cè)，使7種油中溶解氣體檢測(cè)極限提高了約12.8倍，基本滿(mǎn)足了定量檢測(cè)極限的需要[17]。

圖11　阿倫方差與平均次數(shù)的雙對(duì)數(shù)圖Fig.11 Log-log plot of Allan variance versus average times

圖12　不同濃度下C2H2氣體的拉曼特征峰譜圖Fig.12 Raman spectra of C2H2characteristic peak at different concentrations

2.3 氣體拉曼檢測(cè)定量分析優(yōu)化方法

拉曼散射強(qiáng)度（用特征譜峰洛倫茲擬合面積表示[16]）與氣體濃度關(guān)系可用表示為[34]

式中，I0、β、Ω、l分別為激光發(fā)射功率、拉曼信號(hào)損失率、拉曼光子收集角度、氣體與入射光作用長(zhǎng)度，其為拉曼光譜系統(tǒng)參量；?σ/Ω?為分子拉曼微分橫截面。

都與氣體分子濃度Cg無(wú)關(guān)，可將式（8）改寫(xiě)為

式中，定義F為拉曼量化因子。

現(xiàn)階段，定量分析方法一般采用測(cè)量一系列不同濃度氣體對(duì)應(yīng)的特征譜峰面積，利用最小二乘法進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析，建立關(guān)于譜峰面積和氣體濃度的標(biāo)定直線(xiàn)。然后在同一條件下測(cè)出待測(cè)樣品的拉曼光譜，通過(guò)標(biāo)定直線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)待測(cè)各組分的定量分析[16,35]。然而，F(xiàn)受動(dòng)態(tài)變化量（環(huán)境溫度、壓強(qiáng)、振動(dòng)、濕度、激光控制電流等參數(shù)）的影響且因不同的分子及不同的拉曼頻率而不同，同一條件下基本不可能實(shí)現(xiàn)。在不同條件下，濃度標(biāo)定曲線(xiàn)將隨著時(shí)間而變化：如果每次測(cè)量前，都進(jìn)行曲線(xiàn)標(biāo)定，任務(wù)量大，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)；如果采用固定的標(biāo)定曲線(xiàn)，檢測(cè)準(zhǔn)確度將大大降低（實(shí)驗(yàn)中，利用180天前標(biāo)定直線(xiàn)進(jìn)行濃度分析，檢測(cè)準(zhǔn)確度僅為56.2%）。

然而，拉曼量化因子的比值基本不受動(dòng)態(tài)變化量影響，如能首先建立同等濃度下的氣體A與氣體B拉曼量化因子FA,B（＝FA/FB），利用式（10）進(jìn)行不同濃度氣體比值計(jì)算。

式中，IA/IB為實(shí)驗(yàn)所得的氣體A與氣體B的特征譜峰洛倫茲擬合面積比。雖然不能得到故障氣體濃度的絕對(duì)值，但能極大提高檢測(cè)準(zhǔn)確度。且國(guó)際通用的故障診斷方法為IEC三比值法，實(shí)現(xiàn)了兩者比值的有效結(jié)合。

圖13為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、25°C、光譜平均128次，氣體CH4與氣體H2拉曼量化因子FCH4,H2隨時(shí)間（黑色，1 000μL/L）及濃度（紅色，20天）的變化曲線(xiàn)：180天內(nèi)FCH4,H2的平均值為6.521，標(biāo)準(zhǔn)差為0.049；不同濃度下FCH4,H2的平均值為6.505，標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.031。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到了FCH4,H2、FC2H2,C2H4、FC2H4,C2H6，F(xiàn)CO2,CO（CCO2/CCO可用來(lái)進(jìn)一步分析故障是否涉及固體絕緣[36]）標(biāo)定值（取不同濃度及不同時(shí)間下的F均值）分別為6.513、2.88、0.74、1.59。

圖13　FCH4,H2隨時(shí)間及濃度的變化曲線(xiàn)Fig.13 Change curve of FCH4,H2along with time and concentration

2.4 基于氣體特征譜峰面積比的變壓器油中溶解氣體分析

為了證明基于氣體特征譜峰面積比值的變壓器油中溶解氣體優(yōu)化算法的可行性，對(duì)重慶市電力公司的運(yùn)行變壓器取油樣50組，油氣分離后，進(jìn)行拉曼測(cè)量，利用IEC改良三比值法進(jìn)行故障診斷，并用實(shí)驗(yàn)室氣相色譜儀對(duì)比分析：故障氣體濃度比絕對(duì)偏差不超過(guò)2.35，基于IEC三比值法的故障診斷正確率達(dá)到96%，部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　油樣的氣相色譜與基于氣體特征譜峰面積比的拉曼檢測(cè)結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of the test results of the oil samples between gas chromatography and Raman spectroscopy based on ratio of gas characteristic spectral areas

3 結(jié)論

本文從原子結(jié)構(gòu)層面剖析了變壓器油中溶解雙原子與多原子分子氣體的振動(dòng)模式及拉曼頻譜。搭建了基于表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)的油中溶解故障氣體檢測(cè)平臺(tái)，得到了單一氣體H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4和C2H6拉曼頻譜且實(shí)現(xiàn)了故障混合氣體的同時(shí)拉曼檢測(cè)，總結(jié)了故障特征氣體的最優(yōu)特征拉曼譜線(xiàn)（C2H6的特征拉曼譜線(xiàn)為955cm-1）。對(duì)氣體拉曼光譜平均128次（阿倫方差確定的最優(yōu)平均次數(shù)），使標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、25°C下，各氣體拉曼檢測(cè)極限提高約12.8倍，達(dá)到：氫氣（4 160cm-1，1.31μL/L），一氧化碳（2 144cm-1，2.34μL/L），二氧化碳（1 388 cm-1，1.48μL/L），甲烷（2 917cm-1，0.19μL/L），乙炔（1 974cm-1，0.28μL/L），乙烯（1 624cm-1，0.81μL/L）和乙烷（995cm-1，0.57μL/L）。并提出了基于氣體特征譜峰面積比的定量分析方法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行故障變壓器取樣測(cè)量，與氣相色譜儀相比，故障氣體濃度比絕對(duì)偏差不超過(guò)2.35且基于IEC三比值法的故障診斷正確率達(dá)到96%，促進(jìn)了基于拉曼光譜技術(shù)的變壓器油中溶解氣體在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

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陳偉根 男，1967年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授，從事電氣設(shè)備在線(xiàn)智能監(jiān)測(cè)及診斷技術(shù)研究。

E-mail:weigench@cqu.edu.cn

萬(wàn) 福 男，1987年生，師資博士后，從事基于光譜技術(shù)的變壓器油中溶解氣體在線(xiàn)監(jiān)測(cè)研究。

E-mail:wanfuhappy@163.com（通信作者）

The Research for Raman Analysis of Dissolved Gases in Transformer Oil and Optimization of Quantitative Detection

Chen Weigen Wan Fu Gu Zhaoliang Zou Jingxin Qi Wei Wang Pinyi
（State Key Laboratory of Power Transmission Equipment ＆System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China）

AbstractDetection of multiple gases（hydrogen,carbon monoxide,carbon dioxide,methane,acetylene,ethylene and ethane）with high accuracy and sensitivity is still the key of incipient transformer faults diagnosis based on dissolved gas analysis（DGA）.In this paper,the Raman vibrational modes and Raman spectrum for dissolved gases in transformer oil were studied at the atomic level.The detecting platform for dissolved gases based on surface-enhanced Raman spectroscopy was built up,achieving Raman spectra for single gas of H2,CO,CO2,CH4,C2H2,C2H4and C2H6and the simultaneous detection of seven kinds of dissolved gases.Through Allan variance analysis,the optimum average times of Raman detection,increasing the detection limits by factor of about 12.8.Quantitative analysis based on ratio of gas characteristic spectral area was elaborated,achieving the detection accuracy of 96% for fault diagnosis of oil samples from transformers in the field.

Keywords：Dissolved gas analysis,Raman detection,Allan variance,ratio of gas characteristic spectral area

作者簡(jiǎn)介

收稿日期2014-04-07 改稿日期 2014-08-06

中圖分類(lèi)號(hào)：TM411