基于TDLAS 的变压器油中C2H2 在线监测装置设计

曹 旺 ，万 元 ，唐 伟 ，刘章进 ，李橙橙 ，廖学顺 ，吴昊天

（1. 国家电力投资集团水电产业创新中心，湖南 长沙 410004;2. 湖南五凌电力科技有限公司，湖南 长沙 410004）

油中溶解气体分析（dissolved gas analysis，DGA）是国内外公认的识别油浸式变压器早期故障的最有效方法，对维护变压器安全、可靠运行具有重要意义[1]。变压器运行过程中，绝缘油受放电、过热等因素影响而生裂解，产生H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2等特征气体[2]。气体的含量、产生速率以及不同成分之间的比例是DGA 实现故障判别的基础。在变压器的故障特诊气体中，C2H2是区分过热性故障与放电性故障的标志性气体，并且是高温过热与高能放电故障产生总烃的主要构成成分。文献[3]中1 台500 kV 变压器的C2H2出现激增，导致变压器停运，检修后查明变压器内部存在放电故障，变压器在制造工艺、材料质量上存在不足。文献[4]中1 台1 000 kV 变压器C2H2超标，原因为套管安装工艺不到位导致的放电故障。文献[5]分析了一起冷却器潜油泵出现问题导致C2H2超标的案例。因此，C2H2在变压器故障判别中具有重要地位，实现变压器油中C2H2的在线监测，能为变压器安全稳定运行提供重要参考信息。

油中溶解气体检测主要有气相色谱法、光声光谱法以及可调谐二极管激光器吸收光谱法（tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS）。气相色谱法测量稳定可靠，应用广泛，但取样过程中易受污染，消耗载气，须定期更换色谱柱。光声光谱法通过采集气体分子跃迁产生的光声压力波进行体积分数测量，测量精准，无须消耗载气，但抗干扰能力弱，难以适应变压器现场高电磁干扰的环境[6-7]。TDLAS 利用可调谐激光器的波长可调谐、谱线宽度窄、相干性好等特性，扫描被测气体吸收谱线，从而实现气体体积分数的测量，具有测量快速精准、灵敏度高的特点。本文以波长1 532 nm 的DFB 激光器作为检测光源，研制了变压器油中C2H2在线监测装置。该装置实具有自动取油、油气分离、TDLAS 测量、回油以及告警功能，可在高温潮湿强电磁干扰的环境中正常工作，为变压器提供自动化C2H2体积分数检测。

1 TDLAS 检测原理

在被测气体中射入一束激光，当激光波长与气体的吸收谱线相同时，气体吸收激光能量，造成出射激光强度衰减[8]。衰减过程可由比尔-朗伯定律描述。

式中：I0为入射光强；I(ν) 为出射光强； α(ν) 为吸收系数；C为被测气体体积分数；L为光程长度。

波长调制技术增强了抑制背景噪声能力，提升了测量灵敏度。在激光器的低频锯齿扫描信号中注入高频调制正弦波，将波长的检测频率由低频提升至高频，再利用锁相方法技术提取高次谐波，用于体积分数计算[9]。调制后的激光器瞬时频率 ν(t) 为：

式中：a为调制幅度； ν0为激光器扫描频率；f为调制频率。在痕量气体检测时，气体体积分数极低，因此 α(ν)CL远小于1，则I(ν) 可表示为：

将式（2）代入式（3），并进行傅里叶级数展开：

式中：An(νc) 为谐波分量，可由锁相放大器计算；θ=2πft。

由式（4）可知，光程长度L、体积分数C均与谐波分量An成正比。在调制幅度a远小于吸收线宽时，对式（4）进行泰勒级数展开：

由式（5）可知，谐波幅值随着谐波次数增加而快速减小。一次谐波具有最大的幅值，在频率 ν0处过零点，并且关于零点奇对称。二次谐波在偶次谐波中具有最大幅值，关于频率 ν0偶对称，并在对称点的幅值达到最大，有利于气体吸收峰定位。因此，选择二次谐波作为体积分数的计算依据[10]。

2 装置结构

基于TDLAS 检测技术原理，设计了变压器油中C2H2在线检测装置。结构如图1 所示，由油气分离单元、DFB 激光器驱动单元、气体吸收池、锁相放大器、数据采集卡、工控机构成。工控机是系统中枢，负责协调各模块之间的动作，并进行数据处理。

图1 装置结构

脱气效果是检测稳定精准的基础。油气分离单元注油时，先将装置空腔内部抽至负压状态，有利于油中溶解气体析出。注油后开启加热棒与搅拌器，利用高温与搅拌促进油气分离。在压力表检测到装置内部空腔压力不再变化时，油气达到平衡状态，油气分离完成。

激光器驱动单元包括锁相放大器、硬件驱动电路与DFB 激光器。锁相放大器产生扫描锯齿信号与高频正弦信号叠加的调制信号，另一方面产生解调的参考信号，如图2 所示。硬件驱动电路将调制信号转换为电流信号，控制激光器波长在一定范围内扫描，并提供电流过载保护。

图2 调制信号

激光器发射的调制激光在怀特池中被C2H2吸收后，激光强度得到衰减，信号中出现凹陷。光电探测器接收到激光信号后转换为电信号，并传回至锁相放大器解调为二次谐波。数据采集卡采集二次谐波，传输至进行工控机进行体积分数计算。同时，数据采集卡采集系统内部空腔压力、油位、油温等系统控制参数，实时监测装置内部测量环境变化。

装置选取C2H2在波长1 531.6 nm 附近的吸收谱线，采用中心波长为1 532 nm 的N 型DFB 激光器，气体吸收池采用怀特池。变压器油中溶解的其余气体在1 531.6 nm 附近无明显吸收，不会对C2H2测量产生干扰，保证了选取谱线的单峰性。DFB 激光器的造型小巧，发光的线宽小，功率大，提取谱线更加精准。装置的检测下限与怀特池光程成反比，光程越长，检测下限越低。为防止怀特池体积过大，怀特池内部通过镜面反射增加光程，从而实现降低检测下限目的。

3 实验结果与分析

3.1 气体测试

在进行气体测试前，先对装置进行标定，建立二次谐波与体积分数的对应关系。为进一步提升二次谐波的信噪比，对所测得二次谐波进行积分梳状滤波，降低采样过程中的噪声干扰。装置采用100 ×10-6的乙烷、99.999% 的氮气以及高精度配气仪配置10 × 10-6、20 × 10-6、50 × 10-6、80 × 10-6、100 ×10-6的气体进行标定。在标定实验中，记录的二次谐波如图3 所示。

图3 二次谐波

通过计算二次谐波吸收峰的峰谷值，完成体积分数与二次谐波之间的拟合，如图4 所示。计算得线性拟合的R2值为0.999 8，说明装置对C2H2具有良好的线性响应。

图4 不同体积分数与二次谐波的拟合关系

C2H2是最为重要的故障标志性气体，低体积分数C2H2的出现即表示变压器可能出现故障，须要择机检修。所以针对变压器油中溶解C2H2的测量系统必须在低体积分数具有极好的稳定性，既要能准确识别气体体积分数，又要防止虚高误报，造成不必要的损失。装置C2H2气体测量时间约为30 s，本文设计了C2H2体积分数为2 × 10-6的24 h 连续测量实验，累计测量2 880 次。部分测量结果如图5所示。

图5 低体积分数稳定性测试

在连续24 h 的C2H2测试中，变化范围为2.2～1.90，随着时间而成微弱的下降趋势。测试结果稳定可靠，无明显异常增大与减小。

3.2 油样测试

为进一步评估变压器油中C2H2在线监测装置对油中C2H2的灵敏度，分别配置了体积分数为0.5 ×10-6、2 × 10-6、5 × 10-6、10 × 10-6、25 × 10-6的油样各3 分进行测试。测试结果如表1 所示。

表1 不同体积分数油样测量结果

在所测样本中，体积分数测量绝对误差均在1 ×10-6以内，相对误差均小于30%，满足 Q/GDW 10536—2021《变压器油中溶解气体在线监测装置技术规范》关于少组分装置测量的A 类要求[11]。在体积分数为0.5 × 10-6的油样测试中，测得二次谐波如图6 所示，气体吸收峰明显高于周边噪声干扰，说明本装置可精准检测更低浓度的油样。

图6 0.5×10-6 油样二次谐波

4 结束语

本文分析了TDLAS 与WMS 气体检测原理，采用动态顶空恒温脱气法，研制了变压器油中C2H2在线监测装置。装置从取油到测试完成，无需人工操作，用时为25 min 左右，少于传统色谱检测所需时间。测试结果表明，该装置在油中溶解C2H2体积分数大于2 × 10-6时，相对误差小于1%，测量稳定可靠、精度高，实现了变压器油中溶解C2H2的全天候监测。