變壓器油中氣體拉曼光譜光纖增強檢測實驗研究

錢國超，彭慶軍，彭惠

（1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217，2.云南變壓器電氣股份有限公司，云南 昆明 650100）

0 前言

變壓器的安全穩定運行是電網正常工作的重要保障，變壓器油作為變壓器的“血液”，起到絕緣、散熱、消弧等作用[1-2]。為了實現對變壓器運行狀態的在線監測，最常用的方法就是對變壓器油中溶解氣體的監測診斷。當電力變壓器出現包括放電、過熱或老化在內的故障時，絕緣材料會分解產生相應的特征氣體，通 常 包 括H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO、CO2這七種特征氣體[3-6]?，F階段油中溶解氣體的監測主要是氣相色譜法，它的主要流程包括取樣、脫氣、色譜儀分析和數據處理四個部分。它的局限性在于色譜分析只能在實驗室進行，且不能實現連續的在線監測，同時靈敏度較為有限[7-9]；而紅外吸收光譜法[10-12]和光聲光譜法[13-16]雖無需色譜柱，能實現混合氣體的直接分析，但檢測準確度有待提高，且每種待測氣體都需一個特定波長激光來實現氣體的有效檢測。

光纖增強技術通過提高待測氣體與激光有效作用長度及拉曼散射光子的收集效率，提高了氣體拉曼檢測靈敏度，為基于拉曼光譜技術的變壓器老化監測及故障診斷打下了良好的基礎?？招竟庾訋豆饫w（HC-PCF）已成為痕量氣體傳感領域的領先技術，顯示出進一步提高靈敏度的潛力[17-19]。這種具有低波導損耗特性的新型光纖可以實現激光與拉曼活性氣體分子的長期光學相互作用。目前引入臨床診斷領域最先進的基于光纖的非侵入性和無痛多組分呼吸傳感器拉曼光譜裝置，其檢測限＜100 ppm[20]，是一種很有前途的新方法。然而，濃度水平為幾個ppm甚至更低濃度的有機化合物（例如CH4，H2，13CO2或C3H6O）的基于拉曼的檢測亞ppm在氣體成分分析中尚未建立。

1 最佳光纖長度

針對7種變壓器油中溶解故障特征氣體H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6進 行拉曼光譜檢測。以H2為例，檢測的實測結果如圖1所示：

圖1 H2拉曼光譜圖

CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6這六種故障特征氣體與H2同理，其拉曼譜峰及特征峰總結如下表：

表1 譜峰對應的氣體及7種氣體特征拉曼譜峰

測得了7種變壓器油中溶解故障特征氣體的拉曼光譜特征峰頻移(cm-1)。轉換為國際標準單位(m-1)后，根據公式可得對應波長(m)：

其中ω是不同氣體特征峰的波數(cm-1)，l0是激光波長532nm，λ1是不同氣體的拉曼光的波長(nm)。

計算出不同氣體的w后，根據所用光纖HC-580-02的典型衰減和散射曲線，找出對應波長的衰減值a(dB/m)。隨后將a帶入式、計算前向拉曼散射和后向拉曼散射的值，并繪出最大有效光纖長度和前向、后向散射強度的關系圖。

其中單位為m-1的αL和αR表示激發激光和特定拉曼頻率下的拉曼信號的衰減。不同特征氣體的波數、波長、衰減值如下表所示：

表2 特征氣體的波數、波長、衰減值計算

由圖2可知，由于前向拉曼散射強度隨著光纖長度正常劇烈下降，因此我們選擇測量后向拉曼散射強度。由圖可知，后向拉曼散射強度隨著光纖長度增長逐漸趨于平穩。同時，我們所使用的空芯光子帶隙光纖成本較高，因此過長的光纖將導致實驗的成本上升。綜合考慮各種氣體的曲線特性，我們選擇后向拉曼散射強度趨于平穩后的最短光纖長度作為我們的最佳光纖長度。由圖可知，最佳光纖長度約為1 m。

圖2 最大有效光纖長度和前向、后向散射強度的關系圖

2 光纖增強拉曼光譜檢測

7種變壓器故障特征氣體可分為三類，即H2、碳氧類氣體（CO、CO2）和烴類氣體（CH4、C2H2、C2H4、C2H6）。本 文 選 取H2、CO2和C2H6三種具有代表性的氣體進行光纖增強拉曼光譜檢測與分析。

激光器發出激光后，經過擴束器擴束，使得到達二向分色鏡的激光直徑增大，由公式可推出經散射前的激光直徑越大，經過透鏡后的凝聚效果就更好。因此，激光束經過二向分色鏡后，由耦合器（物鏡代替）將激光耦合到空芯光子帶隙光纖中，通入混合待測氣體使得氣體和光子在空芯光纖內充分接觸。在光纖適配器處接有數字手持式光功率和能量計表頭及標準光電二極管功率探頭，進行功率測量。之后激光返回到二向分色鏡處，由于拉曼散射使得激光頻率降低、波長增大，而瑞利散射的波長不變且強度遠大于拉曼散射，則大于一定波長的光，即拉曼光才能透過二向分色鏡到達空間濾波器處，這里的二向分色鏡起到初步濾除瑞利散射的作用。到達濾波器后，濾除干擾信號，提高了信號的信噪比。隨后透過濾波鏡進行進一步的濾除瑞利散射，只將波長高于532 nm的拉曼散射光通過，最終經過透鏡進入光譜儀CCD進行信號采集。

為了更好地將光耦合進入光纖，需要對激光的光束進行擴束：

由圖4可知，經過透鏡后的光束半徑ω0與入射光直徑C成反比，即如要獲得更小的ω0，則必須使得直徑C盡量大。其計算公式如下：

圖4 激光聚光示意圖

其中，ω0為經過透鏡后的光束半徑，λ為激光波長532nm，C是入射光直徑，f是主點到聚光點的距離。借助MATLAB工具，相關計算過程如下：

已知物鏡工作距離31.1mm，擴束前入射光直徑C0=2mm，擴束倍率2倍，故擴束后C1=2×C0，光纖波長532nm，帶入公式計算，可 得ω0=5.2665×10-6；ω1=2.6333×10-6?？?以看出經過擴束后的ω值減小。由于光纖空芯的直徑為6.6 μm±1 μm，為了更容易將激光順利通過空芯，因而采取擴束的方法。

擴束鏡的實物圖如圖5(a)所示，結構圖如圖5(b)所示：

圖5 BE-2-V擴束鏡（a）外觀（b）結構圖

3 氣體光纖增強拉曼檢測結果

7種變壓器故障特征氣體可分為三類，即H2、碳氧類氣體（CO、CO2）和烴類氣體（CH4、C2H2、C2H4、C2H6）。本 文 選 取H2、CO2和C2H6三種具有代表性的氣體進行光纖增強拉曼光譜檢測與分析。

按圖3的設計方案，搭建實驗平臺，并進行硬件調試與平臺的優化。調試完成后，分別向光纖內充入H2、CO2和C2H6，進行光纖增強拉曼光譜檢測；檢測完成后，不采用光纖增強、直接對H2、CO2和C2H6進行拉曼光譜檢測。6組實驗的檢測條件完全相同，增強前作為對照組，用以檢測光纖增強的性能。

圖3 氣體光纖增強拉曼光譜檢測平臺

3.1 H2檢測結果對比與分析

實驗條件：溫度25℃；激光功率60 mW；CCD與光譜儀參數設置：積分時間5 s，積分次數2，狹縫寬度100，2號光柵。在相同實驗條件下，基于光纖增強前與增強后檢測的H2拉曼光譜對比圖如圖6所示：

圖6 H2光纖增強前后拉曼光譜對比圖

表3 H2增強前與增強后拉曼光譜特征量檢測結果對比

由圖6知，本次實驗共檢測到H2的4個拉曼特征峰，其拉曼頻移分別為4127cm-1、4144cm-1、4156cm-1和4156cm-1，由 圖 可知，采用光纖增強后，H2的4個拉曼光譜特征峰峰面積、峰高均有不同程度增加，增強效果明顯。以上實驗結果初步證明光纖增強對H2拉曼光譜檢測的增強效果。

3.2 CO2檢測結果對比與分析

實驗條件：溫度25℃；激光功率60 mW；CCD與光譜儀：積分時間5 s，積分次數2，狹縫寬度100，2號光柵。在相同實驗條件下，基于光纖增強前與增強后檢測的CO2拉曼光譜對比圖如圖7所示，拉曼光譜特征量檢測結果如表4所示：

圖7 CO2光纖增強前后拉曼光譜對比圖

表4 CO2增強前與增強后拉曼光譜特征量檢測結果對比

由圖7可知，本次實驗檢測到CO2的2個拉曼特征峰，其拉曼頻移為1284 cm-1及1388 cm-1。由圖可知，采用光纖增強后，CO2的拉曼光譜特征峰峰面積、峰高均得到增加，增強效果明顯。以上實驗結果初步證明光纖增強對CO2拉曼光譜檢測的增強效果。

3.3 C2H6檢測結果對比與分析

實驗條件：溫度25℃；激光功率60 mW；CCD與光譜儀：積分時間5 s，積分次數2，狹縫寬度100，2號光柵。在相同實驗條件下，基于光纖增強前與增強后檢測的C2H6拉曼光譜對比圖如圖8所示：

圖8 C2H6光纖增強前后拉曼光譜對比圖

表5 C2H6增強前與增強后拉曼光譜特征量檢測結果對比

由圖8知，本次實驗共檢測到C2H6的4個拉曼特征峰，其拉曼頻移分別為2745cm-1、2780 cm-1、2899 cm-1、2954 cm-1，其 中2954 cm-1處的特征峰信號最強；采用光纖增強之后，C2H6的4個拉曼光譜特征峰峰面積、峰高均有不同程度增加，增強效果明顯。以上實驗結果初步證明光纖增強對C2H6拉曼光譜檢測的增強效果。

4 結束語

本文研究了變壓器油中溶解故障特征氣體的光纖增強拉曼檢測原理，檢測了H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4和C2H6等7種 特 征 氣體的拉曼譜線，確定了每種氣體的拉曼特征頻譜。隨后設計并搭建了光纖增強拉曼氣體檢測平臺，驗證了光纖增強使得氣體的拉曼散射強度有了明顯的提高。

設計并搭建了變壓器故障特征氣體光纖增強拉曼實驗檢測平臺，確定了滿足實驗要求的情況下最經濟合理的光纖長度?；诶庾V學的理論基礎，通過計算不同特征氣體的拉曼檢測強度隨光纖長度變化而變化的規律，得出了在光纖長度在約1 m之后，后向拉曼散射強度變化趨于平穩的結論，即光纖長度為1 m的光纖可以在保證拉曼強度的同時使得成本最低。對比分析了H2、CO2和C2H6氣體的拉曼散射信號光纖增強特性，其特征峰峰面積及峰高均增強約9倍，證明了光纖增強拉曼檢測的可行性。