中国南方电网东莞供电局 彭俊坚 廖肇毅 何俊达
目前，随着我国电网行业的发展与人民供电需求的提高，电气装备的维修工作由传统的定时进行维修逐步转成状态维修。在变压器绝缘油中，其各类故障气体、溶解气体可以给设备故障检测研究、分析等给予更具针对性、更为具体的数据支撑和理论参照，对于检测电气设备故障具有重要的意义。目前，检验变压器绝缘油故障气体、溶解气体的主要方法有气敏传感器法、气相色谱法等，但是因为该类检验方式相关取样较为复杂，且长期稳定性也相对较差，导致所检测出来的光谱、数据等与真实情况存在偏差，难以为故障的检修提供较为准确的数据依据。而激光光声光谱技术的灵敏度、精确度、平稳性、安全性皆相对较高，因而成为微量气体检测领域专家、学者的关注点。
2.1 激光声光技术的原理
该技术原理是贝尔在1880年发现的，其产生原理是：在光线对物体进行照射时，物体表面吸收光线后所激发的情况，可以在非辐射的情况下，使物体将其所吸收的光能转换为热能，光束通过周期强调后物体的温度的变化也呈现出一定的周期性。该原理会随着物体的热胀冷缩、环境介质有关的压力而发生相应的改变，在光调制频率、光声信号频率间能够同步时，光声信号是被物质本身的热学、弹性等方面的特性所决定。
对于激光光声光谱技术而言，其是鉴于光声原理所得到的技术，是由于变压器中的各类故障气体、压力间具有相应的比例，所以在电磁辐射生成的压力逐步为检测气体所吸收后，就可对准确测定检查气体的浓度情况。在利用激光光声光谱对变压器中的故障气体进行检测时，其不会受到吸收光能的大小、反射、散射光等对外界因素的干扰，因此该技术对于检测变压器内的故障气体具有较高的准确性和灵敏度，并且声光室的容积较小，在检测过程中可有效提升油气分离的效率。
激光具有较高的强度、单色性、方向性等优势，能够加大光声光谱仪分析的精准性与科学性，参照图2，即典型的波长覆盖范围、激光光源，可以参照红外光源大致激光器相关的种类，分A类、B类。在A类激光器中，即气体半导体激光器、稀土和过渡金属掺杂的激光器等。在B类激光器中，即可调谐近红外光源。
图1 光声光谱分析技术检测气体的原理图
图2 激光光源和典型的波长覆盖范围
2.2 激光声光技术的设备分析
电容式传声器是光声光谱检测中最常用的一种传声器，其具有频响范围广、灵敏性高、瞬态特性优良等优点，可有效提升检测结果的准确性，因而被广泛运用于声学测量、扩音录音等诸多领域。而电动势传声器的动态范围较大、结构简单、性能相对稳定，但是其具有更低的灵敏度。
对于非共振式、共振式而言，其是光声池的两大种类。其中，对于非共振式光声池而言，其具有更为简易的结构，体积较小，所需的造价不高，更易进行仪器化，该类电池可以被应用到对量级气体进行检测。而对于共振式光声池而言，其结构复杂，但是具有更为理想的频率、共振强度，也具有更高的灵敏度，所以该类光声池可以对气体本身的连续流动性进行检测[1]。
图3 光声光谱模块结构图
光谱检测技术可以利用光声信号精准检测变压器内故障气体的浓度，从原理上进行分类，该技术有直接检测法与间接检测法两种。直接检测法是指对特定气体的吸收谱类型检测气体的浓度和类型等，但该方法不可对特征性气体的发射进行检测与分析；
间接检测法是指通过间接的方式分析特征气体的情况，但该方法需要将气体吸收的光能转变后才可进行检测。
间接测量法是激光光声光谱技术的起源测量法，该技术是把需要进行测试的气体利用激光进行照射，让受检气体通过吸收光源适当能量，并增强其周围气体所释放出来的能量引发震动，从而生成具有周期性规律的部分声波信号，该信号即光声信号。对于激光光声光谱气体检测技术而言，在气体逐步经过光声池后，把物质分子吸收的全部光能逐步转成声音信号，之后应用探测器对各类微弱声音信号进行检测，获得气体的总浓度[2]。
一是激光光声光谱检测技术的系统结构相对简单，且该技术对于检测变压器内绝缘油的故障气体的准确性相对较高，该系统相较于传统的光谱检测技术更具可靠性和准确性。
激光光声光谱仪器的核心零件，是一种将动态顶空法作为原理的脱气部件和将光声光谱技术作为原理的光谱检测部件，当需要检测的气体通过动态顶空进行脱气分离后，将纯净的受检气体传送至声光室，随后利用光声光谱技术对气体进行检测，该系统不需要配备分离部件。
色谱分离模块、油气分离模块的气体检测模块的性能，直接决定着激光光声光谱检测结果的准确性。对受检气体进行足粉分离是进行激光光声光谱检测的核心技术，而气体组成成分的分离度和进样量会直接影响激光光声光谱检测结果，各个气体成分的分离度越高，激光光声光谱检测结果准确性也会也高。柱温的精确要求以及对高精密气路切换的要求等极大地增加了系统的复杂性，致使系统检测的可靠性大幅度降低。由此可见，系统部件的复杂程度、不稳定性会制约光声光谱检测在故障气体中的运用。
二是采用激光光声光谱的原理技术较为先进，其于未来检测变压器绝缘油故障气体具有较为广阔的前景。并且，利用气相色谱原理系统早已被广泛运用于各类气体的检测中。前者具有较高的精度和重复性，可运用于变压器绝缘油故障气体的检测中，后者的精度相对较弱，因而很有可能被取代。
三是激光光声光谱检测技术对于检测变压器绝缘油故障气体具有高效率，而利用气相色谱原理系统的效率则明显低于激光光声光谱检测技术。前者的最短检测周期可以达到1小时1次，可最大限度体现线上检测故障气体的意义。
激光光声光谱系统是利用动态顶空法对故障气体进行脱气，进而降低绝缘油的取样量，且脱气时间较短，很短的时间内就可完成动态平衡。由于激光光声光谱系统的测量最短周期可达到1小时1次，能够有效提升在线检测的效率。而以气相色谱为原理的气体测量系统，存在脱气时间、平衡时间长等缺点，导致所测量的数据缺乏及时性。
四是利用激光光声光谱检测故障气体的性价比相对较高，且激光光声光谱仪器的维护方法也相对简单，不需要对该设备进行多余的后续投资，因此激光光声光谱检测技术的长期回报率相对较高。而气相色谱检测设备需要花费大量的资金进行后续投入，其性价比明显低于激光光声光谱检测技术。其次，激光光声光谱检测设备的使用寿命长于气相色谱检测设备，气相色谱检测设备需要定期更换重要部件才能正常使用，但大部分类型的气体的气相色谱测量原理的系统的传感器、色谱柱等关键设备的使用寿命只有2～4年，但变压器的平均寿命在30年左右，检测设备的使用年限明显少于变压器的使用年限。
五是利用激光光声光谱技术对故障气体进行检测，不用对变压器中的故障气体进行分析、载气、标气等操作，而气相色谱测量技术在检测时需要进行上述的复杂操作。激光光声光谱技术检测流程中缺少色谱柱这一环节，因此就不需要担心色谱柱出现老化、污染、饱和等问题，因此也不用进行标气操作。但气相色谱技术的核心设备之一就是光谱柱，利用该技术对故障气体进行检测需要考虑色谱柱的污染、老化等问题，因而要对带检气体进行标记，检测流程复杂，容易出现错误。
另外，激光光声光谱设备不需要更换载气，而气相色谱需要定期更换载气，将气相色谱技术运用于故障气体的检测中，需要提供大量高纯度的载气予以辅助，才可保证待检气体能够顺利进入色谱柱，氮气、氦气等气体是该技术常用的载气，而这两种气体的使用年限都在1年以内，若故障气体的检测周期较短，载气的消耗量也相对较高。载气的使用年限较短则代表相关工作人员需要定期更换载气才能保证检测设备检测的精准性，因此气相色谱检测技术的成本也明显高于激光光声光谱技术。
六是联合激光光声光谱技术的具体应用情况发现，该技术系统有较高的稳定性和准确性，因此可被广泛运用于变压器绝缘油故障气体的检测中[3]。
5.1 变压器油中溶解气体分析技术
激光声光谱技术是一种能够通过定性、定量分析变压器油中的溶解气体的成分、含量等查询导致故障气体产生的原因，并诊断变压器内部是否能进行正常工作，并检查变压器内是否存在故障隐患。其次，该技术能够对变压器的放电问题、热性问题等进行检测，检测的范围较广，具有较高的实用性。
5.2 光声光谱技术在绝缘油中气体检测技术的应用
变压器经过长期的运行可能会出现异常放电的情况，此时变压器内部的绝缘油就会因分解而产生大量故障气体，当故障气体的密度达到一定量时，则可导致变电器内出现绝缘事故，致使变压器不能进行正常工作，最终导致整个机械设备不能正常运作。目前，光声光谱法气体检测系统还未于变压器故障气体的检测中得以普遍使用，传统的检测手段对色谱柱有较高的要求，且操作的复杂性较高，其检测的精准性难以得到保证，操作人员难以掌握，无法让所有操作人员进行故障气体进行反复检测。另外，利用光声光谱技术检测气体，能够重复利用检测设备，方便研究人员研究故障气体与变压器故障之间的联系，进而对检测设备、变压器等进行升级改革，减少变压器故障的概率，提高检测设备的质量。
5.3 利用激光光声光谱技术检测变压器绝缘油故障气体的以待解决的问题
一是随着我国电网行业的不断发展，我国电网的覆盖面积也越来越大，因此对电网中的各个关键设备进行管理、检测也成为诸多研究学者的重点关注对象。充油设备取油样、油色谱试验是变压器日常维护的重要部分。大量的取油样及色谱试验工作量较大、维护成本高，尤其取样成本较高已成为生产单位降本增效亟须解决的问题。
二是变电站与实验室距离较远，取样需要耗费大量的时间，导致样本收取后不能及时进行检测，其检测与真实情况可能存在一定误差[4]。
我国某地的供电局派遣高压油务班工作人员对各个变电站变压器中的绝缘油进行抽样，并利用激光光声光谱技术检测绝缘油中的故障气体，并将其检验结果与气相色谱仪所检测的数据进行对比分析，验证激光光声光谱技术对于检测变压器绝缘油中的故障气体具有较高的稳定性，为该技术的推广提供大量的数据，以供参考，具体情况如下文所述。
一是氢气、乙炔等特征气体的含量对比。对特性气体，如氢气、乙炔等气体，光声光谱检测技术与其他基本数据成正比关系，且存在相同的趋势。
二是数据重复性验证。对比光声光谱测试仪测试数据重复性问题，高压油务班进行了现场数据验证。对于相同油样，仪器所测多次数据重复性良好。
三是降本增效明显。本单位对旗下的2个500kV的变电站使用了光声光谱技术，通过检测后，绝缘油的维护成本得以有效降低，且光声光谱的便携性也相对较高，能够对故障气体进行跟踪检测与常规检测，通过计算得知，变压器的检测成本比之前降低25%，同时将跟踪监测成本占总油样色谱试验总成本的比例也由原来的20%，下降到10%。
实践证明，激光光声光谱技术对于检测变压器绝缘油的故障气体具有较高的灵敏度和准确性，可为变压器检查、修理、保养提供具有真实意义的数据基础，从而有效提升维修管理人员对于变压器的维修效率、保养效率、管理效率，对于保障电网的供电效率，防止供电故障的出现具有重要意义。因此，要对传统电网的检测技术进行更新，运用激光光声光谱技术，以保证电网能够安全稳定地进行供电。
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