基于先进激光检测技术的变压器在线监测系统应用研究

李传才，韩中杰，周迅，商小峰

（国网浙江省电力公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000）

0 引言

激光技术国外研究得较早，用于痕量气体的检测、温室气体的监测等方面。当前，德国科学家在痕量气体测量中使用了基于长光程的调制技术，大大提高了测量的进度，达到ppb量级，处于领先地位。美国科学家Hanson团队应用波长调制技术实现了对等离子体温度、燃烧诊断等的测量，取得了较好的效果[1]。瑞典科学家U.Gustafsson团队采用二极管激光器和差频等非线性光学技术同时对CH4、O2和H2O进行检测，取得较好的效果。基于激光技术，NEO、锡克-麦哈克、西门子等相继推出了此类气体在线分析仪。

相对于国外对激光技术的研究，国内也开展了许多应用研究。国内主要研发开始于90年代后期，中国科学院安徽光学精密机械研究所针对环境监测、生态测量等方面的研究及相关检测仪器的研究做出了很多贡献，该所采用分立调谐的CO2激光器，在1993年研制出第一台差分吸收激光雷达系统，并应用于煤矿下的C2H4、空气中的NO2等气体的实时浓度监测；在2002年应用二极管激光光谱技术研制出检测CO2的仪器；应用激光技术，对机动车尾气中的CO和CO2进行遥感检测并开展相应的分析测量；采用激光技术，实现甲烷气体应用于工业中的浓度监测[2]。

1 基于激光技术的气体检测理论与应用研究

激光器吸收光谱技术是依托吸收光谱学发展而来的，由于分子的能量具有量子化的特征，导致所有的原子或分子会选择性的吸收不同波长的电磁波。在正常状态下，原子或分子均位于自身所处的能级上，如遇到光激发，分子会由于能量增加而从基态跃迁至激发态[3]。在这一过程中，需要注意的是，分子不是所有能量均能吸收的，而仅能吸收与分子自身所处能级较为接近的能量，也就是只能吸收一定能量范围的光子。当分子或原子受到某一个光波长范围的光波连续照射时，就会有部分波长的光被吸收，于是形成了吸收光谱。

如图1所示，原子或分子的能量处于基带的e1级，当受到光波照射并吸收能量后，可从e1级激发到激发态的ef，在这一过程中，分子或原子所获得的ΔE增加等于其所吸收的光子能量。

图1 原子分子能级示意图Fig.1 Schematic diagram of atomic molecular energy level

在实际环境中，由于不同气体介质的分子结构差异很大，内部的分子运动形式及原子间的作用机制更是复杂多变，会使得分子的能级跃迁存在多种不同的状态：（1）电子运动状态改变导致的能级跃迁；（2）分子转动或振动状态改变导致的能级跃迁；（3）分子转动和振动状态同时改变导致的能级跃迁。

外层电子运动状态改变所导致的能级跃迁所需的能量较大，这一跃迁过程中所存在的吸收、发射光谱处于紫外和可见光区[4]。分析的转动、振动或同时转动振动所导致的能级跃迁箱底较小，经测算为0.05-1ev，因此纯转动光谱主要集中在微波谱区和远红外谱区，振动或同时振动转动的光谱主要集中在近红外谱区。

激光正是利用了气体物质对光的选择吸收性来实现检测，一些常见气体都有吸收峰。当一束平行光通过充有气体的气室时，如果光源光谱覆盖一个或多个气体吸收线，光通过气体时将发生衰减。

图2 光吸收示意图Fig.2 Schematic diagram of light absorption

传统的直接吸收光谱法，简单易于操作，不需要特殊标定就可以通过对光谱吸收率测量来反应气体对激光强度吸收的能力。然而，应用该方法对痕量气体浓度进行监测时，微弱吸收信号易被环境噪声所淹没，从而使对微弱吸收信号的监测灵敏度出现问题[5]。而对微弱吸收信号的监测是一项非常重要的课题，为了提高对微弱信号的监测效率，提高光谱测量的灵敏度，可引入调制技术来实现对微弱光谱信号的监测，如图3所示。

图3 波长调制过程示意图Fig.3 Schematic diagram of wavelength modulation process

国内外相关科研机构针对激光技术的气体检测，有相当多的理论成果，并研制出相关的气体分析仪器。本装置的油气分离系统采用真空脱气法，其原理清晰简洁，技术也相对成熟。

2 激光器波长控制

通过控制InAsPDFB LD，使其在-5～50℃范围内的变化，从而实现温度控制技术的LD的波长调节。模块内置有FP标准具和光功率检测器，在ITU规定的50 GHz间隔的栅格上对连续光输出的激光进行锁定[6-8]。内置两个独立的热电致冷器，其中一个控制LD的波长，另一个用于确保模块内的功率探测器和波长锁定器的恒温工作，总体设计框架图：

图4 总体设计框架图Fig.4 Overall design framework diagram

主要由两个环节来完成波长调节，单片机调节温度控制电器中与LD内部热敏电阻对应的数字电位器的阻值在需要调节波长时，需要将阻值与对应波长的相应热敏电阻值保持一致。电阻的阻值变化会使得电路电压产生差值，并通过TEC驱动器将变化反馈给LD，从而得到所要的波长[9-10]。通过调节热敏电阻的阻值和电流来调节波长。

3 结论

通过激光检测技术的变压器在线监测系统进行监测，具体以下特点：（1）克服了气相色谱法、光声光谱法两种方法所存在的固有缺陷，采用激光吸收光谱技术，可大大提高气体检测的灵敏度、精度和分辨率，能够达到或超过检测标准的要求。（2）该设备检测变压器油中溶解气体时，实现完全非接触式的实时检测（包括设备本身）、线路不中断供电，不影响电力生产工作。（3）该设备可以准确预知变压器的运行状况，可以准确判断变压器的生命周期，为状态检修提供可靠的数据，为改变目前频繁、多次的设备检修模式提供了可能。