摘要：实现少油设备状态在线监测是保证设备安全运行的重要手段，探究基于光纤光声传感的微量气体检测技术，可以保证结果的准确性和可靠性，大大提高少油设备状态监测的可行性。
关键词：少油设备；检测技术；探讨
1 背景
随着能源生产和消费革命战略的推进，智能装置在日常生活中应用的逐渐深入，能源电力安全作为我国国家安全的重要组成部分正日益凸显重要地位，对电力设备的可靠性要求不断提高，现有少油设备的检测与诊断技术远不能满足预防和预警重大事故的需求。随着能源互联网的建设与推进，结合输变电设备的广泛互联、信息深度采集，发展基于新型高精度传感的少油设备乙炔监测技术将是解决少油设备重大事故预警问题的必经途径。目前少油设备监测存在的主要问题如下：
1）互感器、分接开关、套管等结构紧凑，运行环境恶劣，因设计缺陷、工艺缺陷、运输及装配等环节存在监控盲区，造成套管事故不断。
2）在长期运行过程中，少油设备内部会出现绝缘劣化局部放电（partial discharge，PD）、局部过热（partial over-thermal foult，POF）等故障。如果缺陷不能被及时发现而继续劣化，将导致少油设备绝缘击穿，严重时将发生冒顶和爆炸、起火等安全事故。
3）少油设备局放绝缘缺陷的检测手段主要是油色谱法和脉冲电流法，但在实际应用存在以下问题：①少油设备内部油量较少，油色谱检测法频繁取油会给设备造成负压和破坏密封等问题，易使设备爆炸；②脉冲电流法改造末屏接入检测阻抗后，危害末屏接地可靠性，且存在抗干扰能力差等问题。
2 少油设备状态监测技术现状
油浸式电流互感器（current transformer，CT）电压互感器（potential transformer，PT）和套管等少油设备在我国110kV及以上电力系统中应用广泛。目前，以变压器套管为代表的少油装置采用离线检测的方式进行监控，这种方式很难及时发现设备在短时间或者不确定的时期内发生的故障， 以至于无法对设备故障及时发现、及时判断、及时检修。
为了提高浸油式电力设备现场运行的安全性能，近些年来，油中溶解气分析技术得到飞速发展。目前的溶解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、拉曼光谱法和气相色谱法。其中，激光光声光谱技术以其具有的灵敏度高、气体间交叉干扰小、取样量少和便于维护等显著优势，有望发展成为变压器油中溶解C2H2气体监测中的首选技术方案。
由于C2H2是区分过热和放电两种故障类型最重要的特征气体，国内外多家单位已相继开展了光声光谱变压器油中溶解C2H2气体在线监测技术研究。2003 年，英国Kelman公司率先研制出基于黑体辐射红外宽谱光源的光声光谱油中溶解气分析（DGA）设备，可对油中多种特征气体进行在线监测，其中对C2H2气体的检测灵敏度为0.5ppm。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆由于该仪器具备的免维护、无需载气和在线监测等优势，在国内外得到了广泛关注和应用，但在现场应用过程中也暴露出一些问题，主要问题一是检测设备现场抗干扰能力差，运行现场的高压变压器产生的强电磁干扰会使实际测量数据严重偏离实验室标定数据；二是实际测量精度和灵敏度不高，这是由于系统采用黑体辐射红外光源结合宽谱的滤光片方案，导致多种气体组分间的交叉干扰较大，并且采用的基频信号检测方法使光声池壁和窗片吸收引起的本底易受温度和光源功率影响产生基线漂移。
石英增强光声光谱（QEPAS）是近年来发展起来的新技术，该技术采用高Q值的石英音叉代替传统的传声器，使气体检测灵敏度获得较大提升。2012年，香港理工大学的W. Jin小组首次将QEPAS技术用于C2H2气体检测中，获得2 ppm的检测灵敏度。为进一步提高C2H2气体检测灵敏度，2017年，哈尔滨工业大学的Yufei Ma等人将大功率EDFA激光放大技术与QEPAS技术结合，实现了33.2 ppb的高灵敏度探测。QEPAS采用高Q值的石英音叉提高了系统检测灵敏度，然而，该方法也存在易受环境温度影响引起石英音叉的共振频率发生漂移等问题，实时在线测量的精度难以保证。
3 基于光纤光声传感的微量气体检测技术研究
传统的光声光谱DGA装置在现场运行中存在抗电磁干扰能力差等问题，，光纤声波传感器以其具有的不带电、灵敏度高、体积小和本质安全等特点可被用于光声信号的探测。受膜片尺寸、厚度、工艺和设计等因素限制，传统的光纤声波传感器存在灵敏度较低或者稳定性差等问题。此外，在通常采用的干涉-强度解调法中将探测光源的中心波长锁定在静态工作点以获得相对较高的灵敏度，然而该工作点易受温度影响发生较大的漂移，使解调出的声波信号产生严重失真，且同时存在动态范围较小的缺点。为解决上述问题，大连理工大学的陈珂等人于2018年提出并设计了基于光纤FPI的高灵敏度悬臂梁声波传感器，并采用基于光纤白光干涉仪（WLI）的F-P腔长高速动态解调法，大幅度提高了声波探测的灵敏度、动态范围和稳定性，1kHz频率处的等效噪声声压达到5μPa/Hz1/2，并在此工作基础上，提出了光纤悬臂梁增强型光声光谱技术，并设计了一种锁相-白光干涉式光纤光声探测系统，采用近红外激光光源对C2H2的检测极限达到71ppt，归一化噪声等效吸收（NNEA）系数为1.1×10-9cm-1·W·Hz-1/2。为充分发挥该方法的本质安全和可远距离测量优势，陈珂等人于2019年设计了一种用于石化工厂气体微泄漏监测的光纤光声探头，探头中气室体积仅为70μL，气体通过小孔以及悬臂梁与框架之间的间隙扩散到气室中，对C2H2气体的检测极限达到ppb量级。
为实现对少油设备的在线监测，一种基于新型光纤光声传感的少油设备C2H2监测关键技术：近红外分布反馈（DFB）激光器作为光声激发光源，采用集微型光声气室与悬臂梁于一体的光声传感探头，利用基于F-P干涉的悬臂梁声波探测技术，构成新的高灵敏度微量气体监测系统；通过优化光声探头的结构模型进一步提高光声信号的强度并大幅度抑制环境噪声的干扰；采用基于光谱解调的F-P腔长动态解调方法代替传统的强度解调法，使声波压力引起的悬臂梁挠度变化转换为干涉谱相位的周期性变化，从根本上解决因解调光路功率变化和干涉仪工作点漂移引起的声波测量精度劣化问题。实现了光声激发单元和感测单元的一体化和光纤化，不仅使微型光声传感探头具有电磁免疫能力和本质安全特性，还可以实现远距离光纤遥测。基于光纤F-P干涉的悬臂梁声波探测技术可以大幅度提高光声信号的信噪比，进而有效提高C2H2气体检测的灵敏度。传统基于膜分离的光声光谱DGA由于气路和气室体积大（10毫升量级），油气分离的平衡时间通常大于10个小时，且采油量较大。采用微型光纤光声传感器，气室体积仅为百微升量级，由于采用分离膜脱气法时油气分离的平衡时间与气室体积成反比，因此平衡时间可达到约30分钟。这种集光声气体传感器与油气分离膜于一体的DGA监测模块直接安装到少有设备的球阀上，利用光纤传输光声激发光和光声信号光，使这种新的DGA监测模块不带电，具有本质安全和抗电磁干扰的特性。对于温度变化和振动干扰对光声传感测量的影响问题，可通过光谱解调的方法对两个光纤F-P悬臂梁传感器进行绝对腔长测量，解调的静态量用于测量温度，实现温度补偿；解调的动态量分别用于测量光声压力波和振动，采用差分方法扣除振动干扰的影响。从而保证了结果的准确性和可靠性，大大提高了少油设备状态监测的可行性。
论文作者:李国斌
论文发表刊物:《中国电业》2019年第13期
论文发表时间:2019/11/5
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