Page 59 - 电力与能源2021年第六期

方 祺, 等: 电力变压器油多组分气体检测及交叉干扰特性研究 6 7
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( 1 )传输带。基本气体吸收条带一般位于中 传统的多反射长气程气室主要包括 Herriott
红外区域。使用中红外激光器具有较高的检测灵 气室和 White 气室。与 White 气室相比, Herri-
敏度。然而, 不同的气体有不同的吸收峰, 使系统 ott气室只有两个球面镜, 光学系统相对简单。长
复杂、 昂贵, 难以集成。近红外激光器可以在室温 光路气室的设计可以在短距离内实现, 并且其光
下工作, 可以覆盖各种吸收波段, 但气体吸收强度 路易于调整。它的 孔 径 角 小 于 White 气 室。本
较弱。长路径吸收单元和波长调制光谱技术可用 文将 Herriott气室作为首 选。当 气 室 内 的 环 境
于提高检测灵敏度。因此, 首选近红外区域( 由 温度和气体压力变化时, 待测气体的光谱宽度和
ASTMNIR 工作组定义为 780~2526nm )。近 振幅会发生变化, 导致测量气体浓度出现偏差。
红外光纤传输损耗相对较低, 特别是光电信频带 此外, 气室的振动在现场应用中是不可避免的。

( O 带: 1260~1360nm ; E 带: 1360~1460nm ; 因此, 有必要设计一 个 专 门 的 Herriott电 池, 将
S 带: 1460~1530nm ; C 带: 1530~1565nm ; L 温度、 压力和振动等因素考虑其中。
带: 1565~1625nm ; U 带: 1625~1675nm ), 如 为了控制环境参数, 气室使用压力和温度传
图 5 所示。本研究重点关注了电信频带中的吸 感器。真空脱气是油气分离的一种有效技术, 预

收线。 计气室内的压力将低于正常大气。将霍尼韦尔
19 真空仪 表 系 列 传 感 器 安 装 在 气 体 电 池 上, 与
316 不锈钢兼容。特殊的真空表系列传感器是专
门为真空暴露的应用设计的。此外, 温度传感器
和加热带用以保持温度的稳定。
为了减少振动的影响, 必须保持光学器件的
相对固定。通过机械连接将 PD 、 准直器和气室作
图 5 4 种烃类气体的吸收波长分布
为一个整体, 从气室到真空泵使用柔性管道来避
( 2 )中心波长。在吸收线的选择中, 主要考
免振动。
虑 2 个因素: 一个是吸收线的强度; 另一个是避免
本研究 开 发 了 一 个 定 制 的 Herriott 气 室。
变压器油中溶解的气体线之间的相互干扰。例 在 0.34m 机械长度内实现 10.13m 的光程, 如
如, E 波段代表水峰区域, 将不会选择这个波段的
图 6 所示。
波长。因此, 选择了以下中心波长: 甲烷1653.72
nm , 乙炔 1530.37nm , 乙 烯 1620.04nm , 乙

烷 1679.06nm 。
( 3 )线性宽度。激光器的线宽是表示光谱宽
度( 通常是半最大值的全宽 FWHM ) 的参数。首

选线宽极窄、 单色度高的激光器。
( 4 )光学输出。低光输出不利于吸收, 使用

了微波电平激光器。
( 5 )激光器类型。选择分布式反馈激光器,
图 6 特殊的长路径 Herriott气室的结构视图
其具有更好的动态单稳定性、 低噪声操作、 体积小
气室的详细参数如表 1 所示。
等优点。
2.3 多组分气体检测拓扑结构
2.2 多通气室
碳氢气体的中心波长不同, 需 4 个单独控制
在微量气体检测中, 可调二极管激光吸收光
的激光器。使 用 4 个 热 电 控 制 器 模 块 和 FPGA
谱检测系统的光道设计对系统的性能有很大的影
板来独立驱动和控制。热电控制器模块是为了保
响。 Beer-Lamert定律表明, 对于某一气体, 气体
持激光的温度稳定性, FPGA 是为了精确控制激
吸收与气体浓度引起的信号衰减呈正相关。通过
光的输出并记录测量数据。由于 4 个激光器的波
增加光路, 可以有效地提高衰减信号的强度。因
长彼此接近, 因此单个气室的波长更有利。这意
此, 需要具有高灵敏度的长光路气室。