变压器油中溶解气体光反馈V型腔增强吸收光谱检测研究

摘要

大型油浸式电力变压器特别是特高压电力变压器作为输变电系统中的枢纽设备，其安全运行直接影响目前大电网系统的安全稳定。运行变压器油中溶解气体分析是目前国内外公认的判断油浸式电力变压器早期潜伏性故障最有效的方法之一；运行变压器油中溶解气体在线或带电分析是实现变压器状态检修的关键。针对目前变压器油中溶解气体在线监测方法存在的稳定性差、故障率高、易漏报、误报等现状，国家电网公司已经对变压器油中溶解气体带电检测技术的研究和应用提出了明确的要求。论文结合国家重大科学仪器设备开发专项子课题（2012YQ16000705）和英国工程与自然研究理事会联合培养项目（EP/E018297/1），开展了基于光反馈 V型腔增强吸收光谱技术的变压器油中溶解气体检测研究；深入研究了基于吸收光谱技术的微量气体检测机理及基于 V型增强腔的气体检测灵敏度提高机制，搭建了变压器油中溶解气体吸收光谱检测平台，研究了C2H2、CH4、C2H4、C2H6、CO、CO2和H2的气体检测特性。取得的创新性成果主要有：
　　①研究了基于吸收光谱法的气体检测基本原理，确定了实现气体定性、定量分析的四要素：吸收谱线位置、吸收谱线强度、谱线线型及有效吸收路径；从双原子分子、多原子分子的转动能级、振动能级、振转能级出发，分别针对偶极矩跃迁耦合作用及电四偶极矩跃迁耦合作用，探究气体分子可能存在的吸收谱线位置及其相对线强度的机理；认为H2具有针对电四极偶极矩跃迁的吸收谱线，论证了H2吸收光谱检测的可行性。
　　②分析了变压器油中溶解C2H2、CH4、C2H4、C2H6、CO、CO2和H2等7种故障特征气体的吸收线位置、吸收线强度、吸收线半高宽等相关光谱参数，获得了各气体的最强吸收谱线位置及其吸收线强度；分析了温度对吸收谱线强度、吸收谱线半高宽、气体分子密度等参数的影响；确定了变压器油中溶解气体的特征吸收谱线（在某气体特征谱线处，有且只有该种气体具有吸收效应）。
　　③探究了V型增强腔中频率锁定、激光谱线变窄等问题；设计、构建了变压器油中溶解气体光反馈V型腔增强吸收光谱检测平台，论证了V型增强腔的检测灵敏度、准确度的提高机理，推导了基于归一化吸收系数的光反馈 V型腔增强吸收光谱气体定量分析方法，分析了量子级联激光器及其驱动控制、V型增强腔、压电陶瓷位移器、红外探测器、配气系统等硬件的选择、功能及其调试过程；构建了平台的数据采集、Savitzky-Golay去噪、压电陶瓷位移器调控的频率锁定、归一化峰值提取、腔衰荡时间检测等软件模块。
　　④揭示了光反馈 V型腔增强吸收光谱 C2H2、CH4、C2H4、C2H6、CO、CO2和H2阵列检测平台的光反馈电流阈值降低与偶数、奇数一阶纵向模效应；测试了C2H2、CH4、C2H4、C2H6、CO、CO2和H2的吸收光谱检测特性;引入了基于光谱分辨率增加及最小二乘法回归分析的检测准确度提高方法；引入了基于阿伦方差分析及气体检测压强增大的检测灵敏度提高方法；实现了C2H2、CH4、C2H4、C2H6、CO和CO2的高准确度、高灵敏度测量；实现了基于光反馈 V型腔增强吸收光谱技术的H2高准确度定量分析。
　　综上，论文研究了吸收光谱气体检测机理及其检测灵敏度提高方法，从原子结构层面分析了C2H2、CH4、C2H4、C2H6、CO、CO2和H2的吸收谱线位置及线强度，确定了各气体的特征吸收谱线。在此基础上，搭建了变压器油中溶解气体的光反馈V型腔增强吸收光谱检测平台，研究了C2H2、CH4、C2H4、C2H6、CO、CO2和H2气体的吸收光谱检测特性，为实现基于光反馈V型腔增强吸收光谱技术的变压器油中溶解气体带电检测提供了理论依据和技术支撑。

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1 绪 论

1.1 变压器油中溶解气体腔增强吸收光谱检测的目的与意义

1.2 腔增强吸收光谱（CEAS）气体检测的研究现状

1.3 本论文的主要研究工作

1.4 本章小结

2 吸收光谱定量分析原理、吸收谱线产生机理及展宽机制

2.1 引言

2.2 Lambert-Beer 定律

2.3 吸收谱线产生的机理

2.4 谱线线型的展宽机制

2.5 本章小结

3 变压器油中溶解气体特征吸收谱线及其温度特性

3.1 引言

3.2 吸收光谱数据库

3.3 变压器油中溶解气体的吸收谱线分析

3.4 气体特征吸收谱线

3.5 吸收谱线的温度特性

3.6 本章小结

4 变压器油中溶解气体光反馈V型CEAS检测平台的设计与

4.1 引言

4.2 光反馈频率锁定机理

4.3 光反馈V型CEAS气体检测平台硬件设计

4.4 硬件调试

4.5 归一化模式下的吸收系数测量方法研究

4.6 基于LabVIEW的气体检测平台信号处理模块软件设计

4.7 本章小结

5 变压器油中溶解气体光反馈V型CEAS检测特性

5.1 引言

5.2 光反馈CEAS检测的两个效应

5.3 光反馈CEAS C2H2检测特性

5.4 CH4、C2H4、C2H6、CO、CO2和H2的光反馈CEAS检测特性

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录：

C. 作者在攻读学位期间参与的科研项目：