基于微型光声传感器的油中溶解气体检测技术 
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1 引言
大型电力变压器普遍采用绝缘油进行绝缘和散热,而绝缘油是由不同种类的C—H化合物构成的。变压器在长时间运行后,其内部会存在过热和放电等现象,导致绝缘油和内部绝缘纸板中的某些化合物分子中的C—H键和C—C键发生裂解,从而产生多种特征性气体,如H2,CO,CO2及CH4,C2H2,C2H4,C2H6等小分子烃类气体,这些气体会部分溶解到绝缘油中[1-2]。其中,C2H2是判断油浸式变压器放电性故障的标志性气体[3]。通过监测特征气体组分的含量,可以分析出变压器运行中出现的故障类型[4]。
目前最常用的油气分离方法有薄膜透气、动态顶空分离、真空脱气及机械振荡脱气等[5],后三种方法存在机械结构复杂、离线监测的问题,且需要将变压器中的油样抽取出来进行检测。而薄膜透气法具有结构简单、维护方便、性能稳定等诸多优点,目前使用较多的是高分子膜。常用的聚四氟乙烯(PTFE)高分子膜[6]对小分子气体H2有较好的透气性,但对其他特征气体,油气分离效果较差,为了克服这一缺点,可采用聚全氟乙丙烯(FEP),它是一种由四氟化碳和六氟化碳聚合而成的高分子膜。相比PTFE高分子油气分离膜,FEP膜对H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6六种气体的透气性较好[7]。
变压器油中溶解C2H2气体的检测方法主要有气相色谱法、气敏传感器法、红外吸收光谱法、拉曼光谱法及光声光谱法。激光光声光谱技术以其灵敏度高、气体间交叉干扰小、取样量少及便于维护等显著优势[8-10],有望发展成为变压器油中溶解气体监测的主要技术方案[11-12]。2012年,Cao等[13]将QEPAS技术用于C2H2气体检测中,获得了2×10-6的检测灵敏度。2014年,Bauer等[14]将分布反馈(DFB)激光二极管与3D打印微型光声池结合,该设备对C2H2气体的检测极限灵敏度达到250×10-9。此外,本课题组[15]在前期工作中采用将光纤放大器与共振式光声池结合的方法,使C2H2气体的检测灵敏度提高到0.37×10-9。然而,光声光谱油中溶解气体分析仪通常需要将油样抽取到系统中,经油气分离处理后再将气样注入体积较大的光声池中,存在结构复杂、体积较大及油样易被空气污染等问题。
本文设计了一种基于光声传感器的小型油中溶解气体检测系统。将直径为40 mm的FEP高分子膜与体积仅为0.3 mL的光声气室进行一体化设计,实现对油中溶解气体的快速分离;采用近红外激光光声光谱技术、波长调制和二次谐波技术对分离气体中的特征性故障气体C2H2进行高灵敏度检测。该系统没有油泵、气泵等部件,且不会污染油样,为变压器的在线监测提供了一种新的解决方案。
2 基本原理
2.1 光声光谱原理
气体光声光谱是一种无背景的间接吸收光谱测量方法[16-17]。气体分子在密闭气室中吸收特定波长的光能并产生压力波信号,利用微音器对声波信号进行检测,进而获得所测气体的体积分数。根据入射光的不同调制频率,光声检测气室可分为共振式和非共振式光声池,非共振式光声池具有体积小的优点。对于非共振式光声检测系统,激发产生的光声信号的幅度[18]可以表示为
式中:L为激光吸收程的长度;V为光声气室的体积;r为光声气室的内径;f为激光调制频率;α为待测气体的吸收系数;γ为载气的比热容;P0为光声信号激发光功率;τ(r)为热阻尼时间。τ(r)可以表示为
式中:DT为气体分子的热扩散率。(1)式表明,在吸收程一定的情况下,减小光声气室的体积有助于提高光声信号的强度。光声信号被微音器探测后,转换成电压信号的幅度为
式中:S为微音器的灵敏度;f0为微音器响应的低频截止频率,本系统f0为25 Hz。根据(1)~(3)式,模拟的幅频响应如
图 1. 模拟曲线图。 (a)幅频响应;(b) SNR随频率变化的关系
Fig. 1. Simulaed curves. (a) Response between amplitude and frequency; (b) relation between SNR and frequency
2.2 高分子无孔膜的分离机理
高分子无孔膜通过溶解-扩散过程来实现油和气的分离。在分离过程中,高分子膜一侧与变压器中的油直接接触,油中溶解的故障特征气体会向分离膜方向扩散,与膜表面接触并溶解到膜的分子内,此时在油气分离膜两侧气体压力差的推动下,膜内的气体分子会向膜的另外一侧方向扩散,并随后向气室扩散,此时气体处于非稳定平衡状态。当膜中气体分子的体积分数梯度保持不变时,油气分离处于动态平衡状态。
假设变压器油中溶解气在分离膜中的溶解-扩散过程中处于理想状态,设气室中气体的总压为常压(105 pa),用气体体积分数(10-6)代替气体的分压,则气室中某种气体的体积分数[6]为
式中:k为亨利系数;H为分离膜的渗透系数;A为变压器中油与分离膜的有效接触面积;d为分离膜的厚度;c0为变压器油中溶解气体的体积分数。设气室中气体的体积分数比值Pr=cg/(9.87kc0),则(4)式可表示为
在实际应用过程中,当cg达到气体体积分数极限值cmax=90%时,即可认为油气分离达到动态平衡,其时间为
从(6)式可以看出,减小气体体积或膜厚,增大渗透系数或分离膜面积,有利于减小油气分离的平衡时间。
3 实验系统设计
3.1 油中溶解气探头的设计
为了满足变压器在线监测的需求,设计了可直接安装到变压器上的油中溶解气探头。
图 2. 光声探头结构图。(a)油气分离与传感一体化探头示意图;(b)油气分离膜的结构
Fig. 2. Structure of photoacoustic probe. (a) Schematic of oil-gas separation and integrated sensor probe; (b) structure of oil-gas separation membrane
3.2 激光谱线的选择
对油浸式电力变压器,变压器中油内会有微量的水分子存在,内部的固体绝缘材料过热、放电均能产生大量的CO和CO2,这些气体可能会因吸收光谱重叠而对C2H2气体的检测产生影响。
图 4. C2H2和干扰气体的近红外吸收系数
Fig. 4. Absorption coefficients of C2H2 and interfering gases in the near-infrared region
3.3 光声光谱监测系统的设计
基于激光光声光谱的油中溶解气体检测系统结构如
图 5. 基于激光光声光谱的油中溶解气体检测系统示意图
Fig. 5. Diagram of detection system with gas dissolved in oil based on laser photoacoustic spectroscopy
4 实验结果与分析
4.1 激光器调制参数优化
在光声光谱气体检测中,光声信号的幅值与气体体积分数呈正比,通过优化调制深度可以提高基于激光波长调制和二次谐波所产生的的光声信号幅值。实验中,在一个标准大气压下,向放置气体传感头的容器中充入体积分数为10-4的C2H2气体,然后密封容器。对DFB激光器进行恒温控制并将波长锁定为1531.6 nm,将调制电流的幅值从7.5 mA增加到25 mA,测量光声信号的输出。如
图 6. 不同调制电流下的光声信号电压值
Fig. 6. Photoacoustic signal voltage under different modulation currents
4.2 油中溶解气体检测实验
实验中,将体积为10 mL的体积分数为10-4的C2H2气体溶解到体积为40 mL变压器油中,并注入到油室内,每隔10 s记录1次数据点,实验结果如
图 7. 光声信号电压值随油气分离时间的变化
Fig. 7. Photoacoustic signal voltage versus oil-gas separation time
将激光调制频率设置为60 Hz时,探测到的二次谐波信号有极大值。当溶解C2H2气体体积分数分别为4.25×10-6,10.62×10-6,17.00×10-6,21.23×10-6时,所测得的油中溶解C2H2气体的光声二次谐波信号如
图 8. 不同体积分数下C2H2的信号。(a)二次谐波信号;(b)二次谐波光声信号的峰值电压
Fig. 8. Signals of C2H2 under different volume fractions. (a) Second harmonic signal; (b) peak voltage of second harmonic photoacoustic signal
为了评估本系统的长期稳定性和检测极限,对配置的油中溶解C2H2气体(体积分数为10-6)进行测试。采用Allan-Werle方差分析法对测量值进行分析[19-20],如
配置油中溶解C2H2气体体积分数分别为1×10-6,3.3×10-6,9.9×10-6,19.6×10-6的变压器油样,测量的体积分数平均值分别为0.86×10-6,3.42×10-6,10.22×10-6,19.17×10-6,如
图 9. Allan方差分析结果。内插图是体积分数为10-6的油中溶解C2H2气体的长时间测量结果
Fig. 9. Result of Allan deviation analysis. Inset is continuous measurement results of C2H2 gas dissolved in oil with volume fraction of 10-6
5 结论
设计了集油气分离、光声激发、光声检测于一体的油气分离检测系统。采用直径为40 mm的FEP高分子膜与体积为0.3 mL的气室结合的方法进行油气分离,采用近红外激光光声光谱技术对分离气体中的特征性故障气体C2H2进行高灵敏度检测。DFB激光器的调制电流的优化幅值为15 mA。在油温为60 ℃时,油中溶解C2H2气体可以在4.5 h内达到分离平衡,并在3 h内实现了90%气体的分离,与理论仿真结果比较接近。实验结果表明,油中溶解C2H2气体(体积分数为10-6)的体积分数的测量误差在±30%之内,满足了变压器在线监测对变压器油中C2H2气体体积分数的检测要求。设计的检测系统的油气分离时间短、重复性好,且没有油泵、气泵等部件,不会污染油样,为变压器的实时在线监测提供了一种新的解决方案。
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马凤翔, 田宇, 陈珂, 靳丰, 张望, 祁炯, 于清旭. 基于微型光声传感器的油中溶解气体检测技术[J]. 光学学报, 2020, 40(7): 0730003. Fengxiang Ma, Yu Tian, Ke Chen, Feng Jin, Wang Zhang, Jiong Qi, Qingxu Yu. Technique for Detection of Dissolved Gas in Oil Based on Miniature Photoacoustic Sensor[J]. Acta Optica Sinica, 2020, 40(7): 0730003.
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