基于恒功率調諧式激光吸收光譜的變壓器運行狀態在線監測系統研究

陳黎軍，許晨進，王 維

（1.國網江蘇省電力有限公司無錫供電分公司，江蘇無錫214000；2.南京師范大學電氣與自動化工程學院，江蘇南京210046）

0 引言

變壓器作為支撐智能電網輸變電環節的關鍵設備，一旦發生故障將會對發電廠乃至電力公司及用戶造成巨大損失，變壓器工作狀態監測的傳統手段主要采用通過信號調理電路提取特征電能參數的方法，實現變壓器故障診斷功能［1-2］，但上述測量方式需加裝在變壓器內部，且靈敏度低，操作過程煩瑣，不利于變壓器運行狀態的實時監測，因此，具備非接觸式測量特性且響應速度快的監測方式亟待解決。

光譜測量靈敏度和時空分辨率高，非接觸式測量技術使變壓器狀態監測不再受變壓器體積，高溫等制約，其中激光光譜技術作為光譜測量技術的迭代革新技術，具有良好的單色性、時空相干性、方向性。

由于油浸式變壓器的工作機制，變壓器運行缺陷時將會產生碳氫化合物或碳氧化合物，如CO，CO2，H2，C2H4，C2H2，C2H6等故障氣體，并且不同故障類型下產生的氣體濃度比例各異，因此在對變壓器運維過程中可以根據氣體濃度指標進行故障定位或溯源。其中變壓器運行過程中故障類型與形成的氣體的對應關系如表1所示，這也為激光光譜診斷技術在變壓器在線運行狀態監測中的應用研究提供了依據［3-5］。

激光光譜主要包含激光吸收光譜、激光熒光光譜和激光拉曼光譜等，其中激光拉曼光譜直接用于變壓器微量氣體檢測時，由于待測容器存在拉曼散射光從而導致氣體檢測準確性不足。激光熒光光譜診斷技術主要針對流場結構特點和區域氣體濃度的相對變化，難以獲取特定區域氣體濃度。激光吸收光譜測量技術測量精確度與穩定性高，系統響應速度快，其中激光光聲光譜氣體檢測技術是間接式激光吸收光譜檢測技術的一個重要分支，但是該檢測技術中光聲信號對溫度和壓力等因素比較敏感且光聲轉換過程煩瑣精確度不高，聲波重疊信號之間存在干擾問題［6-7］。

表1 不同故障類型產生的氣體

本文提出一種可調諧式激光吸收光譜變壓器故障診斷技術，抗干擾能力強，測量精確度高，重組能力強，能夠基于新型分布式反饋半導體激光器實現激光光源波長可調諧，且輸出功率穩定。通過集成數據傳輸模塊，滿足發電廠監控終端對變壓器實時監測需求，掌握變壓器實時運行狀態，為發電廠輸變電設備安全穩定運行提供保障。

1 可調諧式激光吸收光譜氣體組分檢測模型

1.1 激光吸收光譜氣體組分檢測

基于比爾-朗伯定律的激光吸收光譜技術廣泛適用于變壓器故障狀態溶解氣體組分檢測，檢測過程如下，激光器發射特定波長且強度為I（f）的激光束線穿過待測氣體的容器，該容器光學程長為L，激光被待測氣體吸收，X為氣體吸收分子的組分濃度，出射光強度發生衰減成I1（f），其衰減情況可表示為：

對上式兩邊取對數得：

式中，f為激光頻率，α（f）為譜線的線強度，φf為線性函數，P為大氣壓強。由此可見，氣體組分濃度越大，吸收的激光能量越多，激光衰減度越高，且可以通過測量出射光與入射光的非線性關系得到氣體濃度。其中α（f）表現為不同類型的氣體對激光強度的剝削程度，其大小取決于被測氣體種類與試驗溫度，結合光譜數據庫可得到該數值。

傳統直接吸收光譜技術操作簡單，可以直接測量氣體組分濃度和壓強絕對值，但是采用該技術測量變壓器中溶解的痕量氣體時，微量氣體識別度與靈敏度不高，為了提高變壓器運行狀態在線監測水平，增加激光吸收光譜技術靈敏度與準確度，本文在傳統直接激光光譜吸收技術上加入激光器入射光載波調制技術，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 激光吸收光譜檢測系統示意

由圖1可知，變壓器異常運行時溶解氣體激光吸收光譜檢測系統主要由激光器與探測器形成信號收發單元，探測器接收由激光器發出的定頻率且方向恒定的衰減入射光。計算機與鎖相放大器形成信號處理單元，鎖相放大器通過探測器輸入的電信號將解調信號反饋給計算機識別處理。長光程吸收池作為激光光譜吸收單元通過光線在待測氣體中連續反射可明顯提高試驗精度，大鏡面M與小鏡面N1、N2曲率半徑相同，入射光在鏡面間多次反射提高光程，有效增加測量靈敏度。為了精確測量氣體類型及組分，可從激光激勵源切入，波長可調諧激光器在下文進行分析。

1.2 波長可調諧分布式反饋半導體激光器

根據上述分析，測量某一氣體時，激光器所發出的入射光頻率需滿足待測氣體的譜線要求，由于傳統激光器只能發出定頻率的入射光，變壓器故障時典型氣體的譜線不同，實際測量時需要更換不同的激光器實現不同氣體濃度的測量，這給應用在變壓器運行缺陷中的激光光譜吸收技術的實際操作帶來巨大不便，考慮變壓器運行缺陷時典型溶解氣體譜線信息，本文提出一種新型波長可調諧式分布式反饋半導體（Distributed Feedback Laser，DFB）激光器，通過調整激光器入射光的相關氣體對應的中心波長，實現待測氣體組分高精度測量，其中變壓器運行缺陷時所涉及的典型溶解氣體對應的DFB中心波長如表2所示。

DFB激光器基于高精度電流與溫度可實現寬帶波長調諧，調諧方式簡易可控。DFB激光器內部存在光柵層與有源層，光柵層實現更寬的波長調諧范圍，有源層即半導體增益介質，當波長滿足布拉格反射定律時可在DFB激光器中發生反射，可表示為：

式（3）中：m為整數，λBragg是布拉格波長，neff是有源區有效折射率實部，Λ為光柵周期，上式轉化為：

式（4）中：Δn為有效折射率變化量，Δλ為相應波長變化量。輸入電流的變化導致有源區內載流子濃度變化，從而影響Δn，波長也隨之改變，Δn也與激光器工作溫度相關，因此根據式（4）可以說明通過電流或溫度均可調節DFB激光器有效折射率，繼而實現波長調諧。

值得注意的是，DFB激光器進行波長調諧時輸出功率也會發生改變［8］，其變化量可能會超過待測氣體對光強的吸收，引起氣體組分及濃度的測量誤差，定義閾值電流為DFB激光器激發輸出光功率從零值開始變化的最低電流，當溫度增加時導致載流子擴散能量增加，系統增益降低，為了達到閾值電流需擴大輸入載流子，具體特征表現為溫度增加引起閾值電流增大，該閾值電流Ith與溫度存在如下關系：

表2 變壓器運行缺陷時典型溶解氣體中的DFB中心波長值

式（5）中：I0為已知溫度T0下閾值電流，T為Ith對應的溫度變量。室溫環境下DFB激光器輸出光功率隨溫度與電流的變化趨勢如圖2所示。

圖2 電流和溫度的變化曲線

由圖2（a）可知，當電流值大于閾值電流20 mA時，激光器輸出光功率隨電流幾乎呈線性正相關，由圖2（b）可知，隨著溫度的增加，輸出光功率呈單調遞減趨勢，最大和最小輸出功率分別為8.5和6.1 mW。根據輸出光功率隨電流或溫度單調特性，通過波長關鍵調諧因子對輸出光功率穩定控制方法分析，調節恒定輸出功率下電流或溫度參量，提出一種基于波長可調諧技術DFB激光器的功率穩定控制策略，進一步提高系統測量精度。具體控制策略如圖3所示。

圖3 波長可調諧DFB激光器功率穩定控制模塊

波長可調諧DFB激光器功率穩定控制模塊由微處理器、電源模塊、高精度溫控模塊和電流驅動電路、功率檢測單元、A/D和D/A轉換模塊組成。微處理器實時計算試驗溫度下的閾值電流和輸出光功率對電流或溫度的近似定量線性關系，存儲變壓器運行缺陷時典型溶解氣體中的DFB中心波長值和恒定輸出功率值等信息。功率穩定控制策略主要分為兩種方式，即溫控電路調諧結合電流驅動穩定功率和電流驅動調諧結合溫控電路穩定功率。通過調節激光器溫度的D/A轉換模塊調節激光器溫度（電流）實現波長調諧，輸出功率經功率探測單元轉換成電壓信號經A/D轉換模塊輸入微處理器識別，繼而微處理器經A/D轉換通過微調DFB激光器驅動電流（溫度），在實現寬帶調諧的基礎上實現輸出光功率穩定控制，電源模塊為上述功率穩定控制模塊提供多等級能量。

2 變壓器運行狀態在線監測系統

為了加強發電廠對變壓器運行狀態的監控力度并提高信息可視化程度，對變壓器運行和健康狀態實時監測，基于可調諧激光吸收光譜技術重點監測油中溶解氣體組分及濃度信息，實現發電廠監控終端與變壓器本體運行狀態的近場實時通信，保障變壓器正常運轉。變壓器運行狀態故障監測系統如圖4所示。

圖4 變壓器運行狀態在線監測系統結構示意

變壓器的運行狀態實時在線監測系統由變壓器本體，油氣轉化單元，激光吸收光譜檢測單元與狀態監測單元組成，各單元功能具體介紹如下。

2.1 油氣轉化單元

當變壓器運行狀態異常時，溶解在絕緣油中的氣體成分及濃度無法直接被測量，因此采樣絕緣油經進油閥流入油氣采樣模塊，在油氣分離模塊中通過攪拌變壓器絕緣油降低氣體溶解度，采用溶解平衡法對油內氣體采取油氣轉化操作［9］，將溶劑氣體轉化為氣相氣體后充入檢測容器進行測量與分析，根據平衡原理得到油相與氣相氣體濃度的轉換公式，具體表示為［10］：

式中，Cio為氣相中氣體濃度，t為試驗溫度，Pa為油室壓強，P0為標準大氣壓強，Cig為油相中氣體濃度，Ki為試驗溫度下的奧斯特瓦爾德系數，Vg為平衡氣體體積，Vo為油樣體積。

2.2 激光吸收光譜檢測單元

激光吸收光譜單元由氣體進出模塊與組分測量模塊組成，氣體進出模塊控制待測氣體的進出，在氣體組分測量模塊中，對于關鍵溶解氣體H2的譜線信息HITRAN數據庫中暫未收錄，無法調節對應中心波長的激光器，因此，H2通過氫氣傳感器測定，其他變壓器運行缺陷典型溶解氣體由上述激光吸收光譜測定。

2.3 狀態監測單元

狀態監測單元的主要作用是控制油氣轉化單元與激光吸收光譜檢測單元，監測數據通信管理。由于油浸式變壓器的特殊地理位置，其實時運行狀態信息可采用近場通信ZigBee模塊傳遞給操作人員，實現與發電廠后臺數據交互，該模塊具備成本低、功耗低、延時低、安全性高、通信效率高等優勢，并能促成各傳感器之間的相互通信，進一步推動智能電網的發展。

3 結語

恒功率調諧式激光吸收光譜作為一種變壓器運行缺陷油中溶解氣體在線監測技術，相比于其他激光光譜技術存在諸多優勢：結構簡單，靈敏度高，系統響應速度快，無須根據氣體波段更換相應激光器，針對性對變壓器故障氣體在線監測，減少運維成本。通過對變壓器運行缺陷時典型溶解氣體實時在線監測，增加輸變電設備工作中的預警機制，提高了變壓器運行可靠性與安全性，具有重要的經濟效益與社會效益。