【正文】 法、光聲光譜法、傳感器陣列檢測(cè)法。這些方法中各有優(yōu)缺。氣相色譜法在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理是先從變壓器油閥取出一定量的油，使用高分子薄膜、分子篩實(shí)現(xiàn)油氣分離，將分離后的混和氣體送往色譜柱實(shí)現(xiàn)組分分離，依靠檢測(cè)器檢測(cè)出各種氣體的濃度。其檢測(cè)氣體種類(lèi)、精度、范圍，根據(jù)系統(tǒng)使用的檢測(cè)器有關(guān)。這種方法應(yīng) 用于在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)檢測(cè)精度高，但是需要定期進(jìn)行維護(hù)，穩(wěn)定性差。傅立葉紅外氣體分析法是利用不同的氣體在紅外有其特性吸收峰值的原理，具有檢測(cè)速度快、準(zhǔn)確度高、非接觸性檢測(cè)、容易維護(hù)等特點(diǎn)，但不能檢測(cè)氫氣，價(jià)格昂貴，難以廣泛普及。傳感器陣列檢測(cè)法 是用多個(gè)氣敏傳感器組合在一起組成傳感器陣列，不使用色譜柱分離氣體，直接把傳感器放入到混合氣體中檢測(cè)，然后采用信息融合技術(shù)提取各中組分氣體的濃度， 解決了傳感器交叉敏感無(wú)法定量的問(wèn)題 ,但該方法存在檢測(cè)靈敏度不高，恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。 氣體光聲光譜法是通過(guò)檢測(cè)氣體分子對(duì)激光光子能量 的吸收來(lái)定量分析氣體的濃度，它屬于測(cè)量吸收的氣體分析方法，相對(duì)于直接測(cè)量光輻射能量的檢測(cè)方法增加了把熱能變成聲音信號(hào)的過(guò)程，也屬于熱測(cè)定的方法。如果把光源用某種聲頻進(jìn)行調(diào)制，在一個(gè)特制的光聲池中就可以通過(guò)微型拾音器探測(cè)到與頻率相同的聲音信號(hào)，這就是待測(cè)的物質(zhì)光聲信號(hào)。如將光聲光譜法應(yīng)用于變壓器油中氣體含量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，具有檢測(cè)靈敏度高， 需要的樣氣極少，從而大大地減少油氣分離時(shí)間，縮短了測(cè)量周期；對(duì)比傅立葉紅外光譜法，除了常規(guī)的烴類(lèi)氣體外，還能檢測(cè)氫氣，且測(cè)量精度更高；無(wú)需任何載氣，方便設(shè)備的維護(hù)；無(wú)需定期標(biāo)定； 無(wú)需預(yù)熱、檢測(cè)時(shí)間快；穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)等。從這些特點(diǎn)看出，光聲光譜法應(yīng)用更適合應(yīng)用于變壓器油中溶解氣體含量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 因此，我們研制基于光聲光譜法的變壓器油中氣體含量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 致力于 提高該類(lèi)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能 ,為變壓器絕緣故障診斷技術(shù)提供更可靠的診斷數(shù)據(jù)。 目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú) 此類(lèi) 自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品價(jià)格為每套 120萬(wàn)元 ,價(jià)格昂貴。研制基于光聲光譜法的變壓器油中氣體含量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使用較低成本研制出性能穩(wěn)定、測(cè)量精度高、選擇性好的設(shè)備，將有效地抑制國(guó)內(nèi)外變壓器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的價(jià)格，為我國(guó)的電 力建設(shè)事業(yè)節(jié)約大量資金。 通過(guò)本項(xiàng)目的研究開(kāi)發(fā)，將解決目前絕緣油中氣體含量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)類(lèi)產(chǎn)品檢測(cè)精度低、穩(wěn)定性 能差 、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)困難的問(wèn)題；形成一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的變壓器油中氣體含量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 二、 國(guó)內(nèi)外研究水平綜述 近年來(lái)，國(guó)外普遍開(kāi)展了在線(xiàn)監(jiān)測(cè)變壓器油中溶解氣體的研究。 較典型的有加拿大 Syprotec公司的法拉第變壓器看護(hù)單元（ Faraday? Transformer Nursing Unit? ，簡(jiǎn)稱(chēng) TNU）、 Hydran174。201i智能型在線(xiàn)式變壓器早期故障監(jiān)測(cè)裝置：該裝置是使用了可透氣浸潤(rùn)薄膜分離氣體， 使用燃料電池型檢測(cè)器，以檢測(cè) H2為主，實(shí)際測(cè)量的是 H CO、 C2H6及 C2H2的總和。 美國(guó) Serveron公司的 TrueGas氣體在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀。以 %的超高純 He為載氣，以熱導(dǎo)池為檢測(cè)器，可測(cè)量 8種氣體，包括 H CO、 CO O CH C2H C2H4和 C2H2。測(cè)量結(jié)果可由軟件以圖表方式直觀(guān)顯示，與之相關(guān)的變壓器內(nèi)部狀況的診斷結(jié)果可以直接給出。對(duì)C2H C2H CO、 CO2的測(cè)量靈敏度可達(dá) 1181。L/L或 10%(取大者 )，其他 4種氣體的測(cè)量靈敏度可達(dá) 10%。其工作環(huán)境溫度范圍很寬，可 從 40℃ ～ +55℃。建議的采樣周期為 24小時(shí)。但是，其采樣的周期長(zhǎng)，消耗載氣，而且精度相對(duì) PAS法的 DGA監(jiān)測(cè)儀不高。 加拿大 Syprotec公司早在二十世紀(jì)七十年代就研制了 Hydran在線(xiàn) H2檢測(cè)儀?？梢赃B續(xù)監(jiān)測(cè)油溫、負(fù)載、繞組溫度等參數(shù)。應(yīng)用循環(huán)回路采取油樣，油樣連續(xù)流過(guò)浸潤(rùn)薄膜時(shí)，油中溶解氣體脫出進(jìn)入氣室；氣室的氫氣由 Syprotec公司的 HYDRAN傳感器測(cè)定；其它氣體由 FTIR分析，依據(jù)每種氣體對(duì)其特征波長(zhǎng)的吸收量測(cè)定。 Syprotec聲稱(chēng)它已成功避免了約100次變壓器災(zāi)難性事故。日本日立、三菱 公司研制了能在線(xiàn)監(jiān)測(cè) H CO、 CH C2H C2HC2H2六種氣體的裝置，但其檢測(cè)周期長(zhǎng)達(dá) 7～ 10天，精度為 15～ 20ppm。 由于 PAS法靈敏（對(duì)于微弱氣體的含量可以精確到 1ppm）、快速、準(zhǔn)確和測(cè)定范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，故在微量氣體的科學(xué)研究中發(fā)揮了重要的作用。隨著現(xiàn)代微弱信號(hào)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展以及激光器和微音器的發(fā)明，使得 PAS技術(shù)被廣泛運(yùn)用在各方面。近十年來(lái)光聲池的運(yùn)用，更推動(dòng) PAS技術(shù)走向一個(gè)新的臺(tái)階。 20世紀(jì) 70年代初，國(guó)外紅外傅里葉變換（ FTIR）開(kāi)始廣泛應(yīng)用，但是直到 2021年，英國(guó)的 Kelman公司才推出了基于光聲光譜的便攜式 DGA， 2021年該公司推出了基于光聲光譜技術(shù)的 TRANSFIX DGA在線(xiàn)檢測(cè)儀。該設(shè)備可以檢測(cè) 8種故障氣體 (包括 C2H C2H4和 H2)和微水，無(wú)需載氣或標(biāo)氣，多種本地和遠(yuǎn)程通訊選項(xiàng)（有可編程報(bào)警系統(tǒng)），易于安裝，實(shí)時(shí)測(cè)試DGA結(jié)果可達(dá)到每小時(shí)一次，具有 window特征氣體分析軟件?？墒怯捎趪?guó)內(nèi)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，而且該設(shè)備測(cè)量乙炔氣體的精度不高，影響現(xiàn)場(chǎng)診斷變壓器故障的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)用戶(hù)對(duì)該設(shè)備并不看好。 由于國(guó)內(nèi)變壓器油與國(guó)外變壓器油成分不完全相同，因此在使用國(guó) 外監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)均存在儀器測(cè)試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存在誤差等問(wèn)題，使用時(shí)需要積累一定的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，才能應(yīng)用測(cè)量結(jié)果對(duì)變壓器性能做出初步判斷。 國(guó)內(nèi)的有東北電力科學(xué)研究院的大型變壓器色譜監(jiān)測(cè)裝置 1994年投入運(yùn)行，主要針對(duì) 500 KV以上大型變壓器。 上海思源電氣股份有限公司研制了 TROM600變壓器油色譜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。要采用特殊材料制造的色譜柱作為特征氣體分離的主要元件，才能保證測(cè)量的靈敏度。寧波理工監(jiān)測(cè)設(shè)備有限公司的 MGA20216型變壓器色譜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀。它的油氣分離單元采用了玻璃態(tài)聚合物的 M40油氣膜和氣體多組分檢測(cè) 傳感器（包括熱導(dǎo)池、半導(dǎo)體氣敏傳感器）。熱導(dǎo)池測(cè)量范圍可達(dá) 100%，以進(jìn)口高純 He作載氣，在實(shí)驗(yàn)室也只能檢測(cè)出 5μ L/L以上的 C2H2；這是其致命的弱點(diǎn)，因?yàn)樗荒軝z出預(yù)試規(guī)程規(guī)定的 1μ L/L的 C2H2注意值。 半導(dǎo)體氣敏傳感器能夠測(cè)量低濃度的多種氣體，在油蒸汽中、高濕度和溫度變化中能保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。其缺點(diǎn)是反應(yīng)輸出非線(xiàn)性，而且必須工作在氧化環(huán)境中，否則氣敏反應(yīng)的恢復(fù)時(shí)間會(huì)達(dá)到 30s以上，使各峰出現(xiàn)嚴(yán)重拖尾現(xiàn)象，強(qiáng)峰后的弱峰因嚴(yán)重的非線(xiàn)性干擾而難以準(zhǔn)確測(cè)量，這使得對(duì)保留時(shí)間相近的兩峰中的后峰的測(cè)量特別困難 。 國(guó)內(nèi)的研究狀況有如下幾個(gè)特點(diǎn)： （ 1）原理性研究的居多。變壓器油的氣相色譜法的技術(shù)理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)基本上已經(jīng)成熟，可以比較容易地實(shí)現(xiàn)，而且已經(jīng)應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)，但是光聲光譜的 DGA在線(xiàn)監(jiān)測(cè)很少有人涉足，且也只是一些單位，尤其是高校等研究機(jī)構(gòu)通過(guò)各種渠道申請(qǐng)到項(xiàng)目，做一個(gè)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下組織一個(gè)鑒定就算完成任務(wù)，但這樣的系統(tǒng)離實(shí)際應(yīng)用的水平還相差甚遠(yuǎn)。 （ 2）技術(shù)指標(biāo)相對(duì)落后。國(guó)內(nèi)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)相對(duì)國(guó)際水平來(lái)說(shuō)還比較差，尤其是在可靠性和分辨率等關(guān)鍵指標(biāo)上還不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)苛刻條件使用的要求。對(duì)于 FTIR技術(shù)，目前已經(jīng)不少?lài)?guó)內(nèi)廠(chǎng)家生產(chǎn)的紅外 FTIR光譜儀可以同國(guó)外媲美，如北京瑞利公司出品的 WQF510/520和北京華夏科創(chuàng)儀器技術(shù)有限公司的 傅立葉變換紅外光譜儀等。但是，對(duì)于 PAS技術(shù)國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠(chǎng)家還相當(dāng)不成熟，幾乎為零。 （ 3）產(chǎn)品的抗干擾和可靠性差。大多數(shù)產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)室使用是效果還可以，測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果可以接受。但是拿到現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，測(cè)量的數(shù)據(jù)可靠性和重復(fù)性都很差，精度不高。甚至遇到略大一些的電磁干擾后，則完全無(wú)法工作或者測(cè)出的數(shù)據(jù)雜亂無(wú)章。 （ 4）測(cè)量手段停止不前。大多數(shù)研究變壓器油色譜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的 科研人員，都是僅僅局限于研究薄膜脫氣材料如何快速脫氣、采氣池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等局部性問(wèn)題，而沒(méi)有全面考慮是否可以采用全新的測(cè)量方法（如光聲光譜等）。可喜的是，有些研究單位（如浙江大學(xué)、清華大學(xué)）已經(jīng)著手研究光聲光譜等方法在線(xiàn)監(jiān)測(cè)變壓器油的問(wèn)題。 （ 5）代理國(guó)外技術(shù)較多。由于光聲光譜技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)日益成熟，國(guó)外的廠(chǎng)商都把目光瞄向中國(guó)市場(chǎng)，一批代理商應(yīng)運(yùn)而生，紛紛將國(guó)外的優(yōu)秀產(chǎn)品推向中國(guó)市場(chǎng)，還有專(zhuān)門(mén)研究 FTIR色譜儀如何使用和保養(yǎng)的技術(shù)人員。 （ 6）應(yīng)用領(lǐng)域正在擴(kuò)大?，F(xiàn)在很多研究單位都在試圖將光聲光譜測(cè)量技術(shù) 應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，不僅在微量氣體分析和環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，現(xiàn)在正逐漸應(yīng)用到電力系統(tǒng)中。 總之， 目前基于光聲光譜技術(shù)的 DGA 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)國(guó)際上還不是很成熟，幾乎屬于首創(chuàng)。而 國(guó)內(nèi)無(wú)同類(lèi)產(chǎn)品。 三、 項(xiàng)目的理論和實(shí)踐依據(jù) 理論依據(jù) 及原理闡述 光聲效應(yīng)，是基于物質(zhì)吸收調(diào)制光后通過(guò)無(wú)輻射弛豫放熱而激發(fā)出聲波的效應(yīng)。早在 1880 年美國(guó)著名科學(xué)家 BELL 等就發(fā)現(xiàn)了光聲效應(yīng)，他們?cè)谟脭嗬m(xù)光照射密閉池中的固體材料時(shí)，與池相連的聲探測(cè)器檢測(cè)到信號(hào)， Bell 正確地指出光吸收與光聲效應(yīng)內(nèi)在的依賴(lài)關(guān)系。但由于光強(qiáng)太弱，光聲效應(yīng)的應(yīng)用發(fā)展緩慢 。后來(lái)，由于微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)和激光技術(shù)的發(fā)展，光聲光譜技術(shù)也得到了快速的發(fā)展，1971 年， Kreuzer 在光聲氣體檢測(cè)方面做了開(kāi)創(chuàng)性的研究工作，他利用可調(diào)諧激光做光源，測(cè)得濃度低至 Lg/107?? 的氣體吸收光譜，并理論上分析了使用激光做光源和高靈敏度的微弱信號(hào)探測(cè)器可對(duì)氣體光聲光譜檢測(cè)出限數(shù)量級(jí)達(dá)到 1310? 。光聲光譜法的高靈敏度得到了人們的極大關(guān)注，并使它得以迅速發(fā)展。 其氣態(tài)的光聲原理如圖 1 所示。 激光器發(fā)射出的激光通過(guò)斬波器后，調(diào)制成 為不同頻率的激發(fā)光，然后進(jìn)入光聲池，被激發(fā)的氣體分子會(huì)通過(guò)輻射或非輻射兩種方式回到基態(tài)；對(duì)于非輻射馳豫過(guò)程，體系的能量最終轉(zhuǎn)化為分子的平動(dòng)能，引起氣體局部加熱，從而在氣池中產(chǎn)生壓力波（聲波）。使用微音器可以檢測(cè)這種壓力的變化。光聲技術(shù)就是利用光吸收和聲激發(fā)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)對(duì)聲信號(hào)的探測(cè)從而了解光吸收過(guò)程。由于光吸收激發(fā)的聲波的頻率由調(diào)制頻率確定；而其強(qiáng)度則只與可吸收該窄帶光譜的氣體的體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，因此，建立氣體體積分?jǐn)?shù)與聲波強(qiáng)度的定量關(guān)系，就可以準(zhǔn)確計(jì)量氣池中各氣體的體積分?jǐn)?shù)。 圖 1， 氣態(tài)的光聲原理 一個(gè)長(zhǎng)度為 L，池半徑為 R 的光聲池，樣品吸收光能后產(chǎn)生的壓力分布可表示為 Pj， )e x p ()/()/c o s ()c o s (),( , tjRraJLzkmCtzrp jnmmjj ??? ???? （ 11） 光聲池的共振頻率： 2/12,2 ])/()/[( RaLK nmj ?? ??? （ 12） 式中， nmk , 為軸向、方向角及徑向的模次數(shù)（去正整數(shù)）； )/( , RraJ nmm ? 為 m 階第一類(lèi)貝賽爾（ Bessel）函數(shù)； jC 為標(biāo)準(zhǔn)化常數(shù)； nma, 為在池壁面（ Rr? ）處滿(mǎn)足徑向聲壓變化為零的臨界條件： 0/ ?rm ddJ 時(shí)的 n 次方根。 考慮到粘滯與傳導(dǎo)損耗，當(dāng)激光沿池中心軸入射，且氣體吸收很弱時(shí)，如用角頻率為 ?的斬波器調(diào)制的激光照射，當(dāng)光斑直徑遠(yuǎn)小于池內(nèi)徑 (1/3 以下 )，當(dāng)微音器 進(jìn)氣和出氣口 光聲池 光斬波器 激光源 ? RVa jj /0?? ? (j 次共振頻率 )時(shí)，在 Rr? 池壁處聲壓大小可用下式表示： 2/12 })( 11{1)( ????Tabs V rpp ???? ）（ （ 13） 式中， absp 為吸收功率可用池內(nèi)吸收光峰值功率的 1/2 給出； V 為光聲池內(nèi)容積； ?? /0QT ? 為光聲池?zé)岢谠コ?shù)（ 0Q 為零次模共振 Q 值），它與氣體熱擴(kuò)散率PCK ?? /? (K 為熱傳導(dǎo)度， ? 為密度， pC 為壓電比熱 )的關(guān)系為 ?? ? 。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下 scm / 2?? ，當(dāng)光聲池內(nèi)徑 為 1cm 時(shí)， sT ?? ?？紤]調(diào)制頻率遠(yuǎn)小于腔最低簡(jiǎn)正模頻率時(shí)（即 ? j? ）為非共振情況， LCIpabs 0? ,則基頻成分聲壓： 2/1222 )()( ??? TD aCIp ??? (14) 當(dāng)用矩形調(diào)制光時(shí)可得公式 2/1222 0)()( ??? TD aCIp ??? （ 15） 式中， a 為分子的吸收系數(shù)， 11 ?? ?cmatm ； 0I 為斷續(xù)入射光功率， J。D 為光聲池腔體內(nèi)徑， cm； C 為樣品氣體濃度， atm 。 聲壓 )(?p 被微音器檢出后產(chǎn)生光聲信號(hào) sV ,若其響應(yīng)率為 mR 時(shí)有 )(?pRV ms ? （ 16） 將式（ 15）代入則 02/1222 )( aCID RV Tms ?? ?? （ 17） 其中2/1222 )( TmD RR ?? ??可稱(chēng)為儀器常數(shù)，則 001 IVIVaRC ss ?????????? (18) 做出樣品工作曲線(xiàn)即可進(jìn)行定量分析。 實(shí)踐依據(jù) 英國(guó)凱爾曼公司已應(yīng)用該方法于變壓 器油中氣體含量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 。 四、 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容和實(shí)施方案 項(xiàng)目?jī)?nèi)容 本項(xiàng)目主要進(jìn)行三個(gè)方面的研究， 光聲光譜法應(yīng)用于變壓器油中氣體含量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的研究；光聲光譜法變壓器油在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研制；變壓器油中氣體含量的離線(xiàn)檢測(cè)與在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的對(duì)比研究。 基于光聲光譜