變壓器油中溶解氣體拉曼光譜檢測(cè)及其光譜線型模型分析

陳新崗， 李 松， 馬志鵬， 倪 志， 楊定坤， 譚 昊

1. 重慶理工大學(xué)， 重慶 400054

2. 重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400030

3. 重慶魯能開(kāi)發(fā)(集團(tuán))有限公司， 重慶 400023

變壓器油中溶解氣體拉曼光譜檢測(cè)及其光譜線型模型分析

陳新崗1, 2， 李 松3， 馬志鵬1*， 倪 志1， 楊定坤1， 譚 昊1

1. 重慶理工大學(xué)， 重慶 400054

2. 重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400030

3. 重慶魯能開(kāi)發(fā)(集團(tuán))有限公司， 重慶 400023

拉曼光譜氣體檢測(cè)技術(shù)能利用單一波長(zhǎng)的激光對(duì)氣體樣品進(jìn)行無(wú)接觸、 無(wú)損耗檢測(cè)， 適用于油浸式變壓器油中溶解氣體檢測(cè)。 結(jié)合拉曼光譜檢測(cè)機(jī)理， 分析了拉曼光譜譜線特征， 建立了由洛侖茲函數(shù)與高斯函數(shù)卷積表示的拉曼光譜Voigt線型模型， 其表現(xiàn)出較好的拉曼譜峰線型輪廓基本特征。 以譜峰高、 中心位置、 半峰全寬等為代表的拉曼譜峰線型輪廓基本特征是尋峰的主要目標(biāo)， 其根本目的在獲取樣本定性及定量檢測(cè)分析依據(jù)。 故針對(duì)拉曼光譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了基于比較法的自動(dòng)尋峰模型以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目標(biāo)。 對(duì)引入到Voigt線型模型中的尋峰模型進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 模擬中譜峰高、 中心位置等數(shù)據(jù)均與模型輸出數(shù)據(jù)相吻合。 依托實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的變壓器油中溶解氣體拉曼光譜檢測(cè)平臺(tái)， 分析檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明， Voigt線型模型中半峰全寬參數(shù)實(shí)際取值區(qū)間為(8.7， 11.5)(cm-1)， 模型與其存在偏差。 修正該參數(shù)取值為10.257 cm-1， 并對(duì)比研究表明： 修正后的Voigt線型模型及尋峰模型具有更好的適應(yīng)性及實(shí)用性。 結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的拉曼光譜氣體檢測(cè)數(shù)據(jù)的尋峰結(jié)果， 有效地完成了七種變壓器故障特征氣體的檢測(cè)及分析。 針對(duì)甲烷氣體， 獲得單位氣體含量、 拉曼特征峰強(qiáng)度與面積三者之間的線性關(guān)系， 為變壓器油中溶解氣體拉曼光譜檢測(cè)定量分析奠定基礎(chǔ)。

變壓器； 油中溶解氣體； 拉曼光譜； Voigt線型； 尋峰

引 言

目前， 我國(guó)電力系統(tǒng)正穩(wěn)步向著超高壓、 大容量、 全國(guó)互聯(lián)的總方向發(fā)展。 電力系統(tǒng)整體的發(fā)電、 輸電、 配電設(shè)備的可靠及安全性能的要求也將日益增高。 變壓器是電力系統(tǒng)中最重要且是最昂貴的輸變電設(shè)備之一， 其安全運(yùn)行能力直接影響電網(wǎng)的供電可靠性[1-2]。

正常運(yùn)行的充油電力變壓器內(nèi)部的絕緣材料在老化、 過(guò)熱及放電等故障下， 會(huì)分解并產(chǎn)生CH4， C2H6， C2H4， C2H2， CO， CO2和H2等七種變壓器運(yùn)行故障特征氣體， 這影響和破壞了變壓器絕緣油的整體組成， 但另一方面又為變壓器故障原因分析提供依據(jù)[3-5]。 變壓器絕緣油是由天然石油經(jīng)過(guò)蒸餾、 精煉而獲得的一種礦物油。 它是各種碳?xì)浠衔锼M成的混合物, 包括了碳、 氫、 硫、 氮、 氧及極少量的金屬元素， 其中， 碳?xì)溥_(dá)到其全部重量的95%～99%[6-7]。

傳統(tǒng)油中溶解氣體分析(dissolved gas-in-oil analysis， DGA)方法有氣相色譜法、 傳感器陣列法、 傅里葉紅外光譜法、 光聲光譜法等。 以上所述DGA檢測(cè)方法都有其使用限制及缺點(diǎn)， 在變壓器實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中應(yīng)用時(shí)會(huì)引入若干問(wèn)題[8-9]。 拉曼光譜檢測(cè)技術(shù)使用單一頻率的激光對(duì)混合氣體進(jìn)行非接觸、 無(wú)損傷的檢測(cè)， 可對(duì)七種故障特征氣體實(shí)現(xiàn)定性和定量的分析。

在對(duì)所提取的拉曼光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行大量分析發(fā)現(xiàn)， 一種具體的拉曼光譜譜線包含有一種具體檢測(cè)樣本物質(zhì)的特定物理及化學(xué)信息， 并由各種類(lèi)型的譜峰形式表現(xiàn)。 譜峰信號(hào)的強(qiáng)度及大小與樣本物質(zhì)的組分及結(jié)構(gòu)活性等有關(guān)。 因此從拉曼譜峰的位置、 大小和形狀可以獲取物質(zhì)的定性和定量信息。 具體而言， 獲取以譜峰高、 中心位置、 半峰全寬等為代表的拉曼譜峰線型輪廓基本特征是尋峰的主要目標(biāo)。 本文采用相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)中尋找極大值點(diǎn)的比較尋峰法， 在無(wú)嚴(yán)重重疊峰下實(shí)現(xiàn)快速、 準(zhǔn)確的自動(dòng)尋峰。 本文計(jì)算獲得的四個(gè)譜峰信息， 包括譜峰高、 譜峰中心位置、 半峰全寬及峰面積， 完成對(duì)變壓器油中溶解氣體的準(zhǔn)確分析。

1 拉曼光譜線型分析

1.1 拉曼光譜

拉曼散射是入射光子與分子發(fā)生非彈性碰撞， 分子振動(dòng)和光子能量作用的結(jié)果。 通過(guò)能量差變化量的拉曼散射光反映出被測(cè)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息， 并與拉曼特征峰強(qiáng)度建立定性定量的分析方法。 考慮量子力學(xué)修正， 拉曼散射強(qiáng)度IR表示為

(1)

1.2 Voigt線型

理論上粒子在能級(jí)之間躍遷所產(chǎn)生的輻射電磁波頻率應(yīng)該為恒定且單色的， 即不存在半峰高寬問(wèn)題， 然而能級(jí)躍遷產(chǎn)生的輻射總存在一定頻率展寬。 光譜強(qiáng)度的頻率(波長(zhǎng)/波數(shù))分布曲線(光譜圖)的形狀， 即為光譜線型。 測(cè)量所得光譜信號(hào)具有分子結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的特征信息， 并將以譜峰特征參數(shù)的形式表現(xiàn)出來(lái)。 光譜線型具有洛侖茲型及高斯型等形式， 而不同種類(lèi)的光譜線型往往是各種線型共同表達(dá)的結(jié)果。

基于光譜數(shù)據(jù)尋峰的譜峰特征參數(shù)提取方法是利用譜峰特定數(shù)學(xué)函數(shù)形式對(duì)單個(gè)譜峰的線型進(jìn)行近似處理， 然后通過(guò)光譜數(shù)據(jù)尋峰方法將完成獨(dú)立譜峰的譜峰高度、 拉曼頻移與譜峰線寬等特征參數(shù)的提取。 該方法可充分利用譜峰線型信息， 即直接將數(shù)據(jù)與樣本的物理性質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)聯(lián)系， 僅需少量訓(xùn)練樣本。

將拉曼光譜譜峰線型利用高斯函數(shù)與洛侖茲函數(shù)的卷積所構(gòu)成的Voigt函數(shù)形式表達(dá)。 該函數(shù)無(wú)法得到系數(shù)的解析解， 僅能通過(guò)數(shù)值方法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。 洛侖茲函數(shù)與高斯函數(shù)卷積表示的Voigt線型函數(shù)為

(2)

定義變量x與y為

(3)

(4)

可見(jiàn)， 變量x描述了Voigt線型中點(diǎn)到譜峰中心位置的相對(duì)距離， 變量y描述了洛侖茲峰與高斯峰線寬之比。 將x與y代入式(2)后， Voigt線型可表示為

(5)

其中

(6)

對(duì)式(5)利用數(shù)值方法估算近似計(jì)算得到Voigt線型如式(7)表示

(7)

決定Voigt線型輪廓的四個(gè)特征參數(shù)分別是：α為譜峰高；ν0為譜峰中心位置； Δν0為半峰全寬；θ為高斯-洛侖茲系數(shù)。

在高斯-洛侖茲系數(shù)θ取0.5，ν0取50， 通過(guò)比較α和Δν0兩組參數(shù)時(shí)得到的三組線型的對(duì)比圖例如圖1所示。 由圖1所示， 即表明拉曼譜峰的基本輪廓可以通過(guò)所提取的參數(shù)作出較好的理論概括。 另外， 理論上， 所建立Voigt線型不僅可以還原拉曼光譜線型特征輪廓， 還可獲得對(duì)應(yīng)的理論光譜數(shù)據(jù)， 并對(duì)尋峰可靠性做理論驗(yàn)證。

圖1 不同y值下的Voigt函數(shù)波形

圖2 自動(dòng)尋峰主流程圖

1.3 拉曼光譜數(shù)據(jù)尋峰分析

光譜譜線分析中如何準(zhǔn)確計(jì)算出各個(gè)峰的峰位是其中一項(xiàng)最重要的環(huán)節(jié)， 在拉曼光譜定性分析中， 從峰的特征信息中判斷被測(cè)樣品中是否存在七種特征氣體中的單一氣體或多組分混合氣體， 實(shí)現(xiàn)變壓器油中溶解氣體的類(lèi)別判定。 由于拉曼光譜氣體檢測(cè)受環(huán)境等因素的影響對(duì)光譜譜線帶來(lái)污染， 所以光譜譜線平滑處理對(duì)正確定位峰位奠定基礎(chǔ)。

光譜數(shù)據(jù)尋峰分析是一種基于Matlab軟件設(shè)計(jì)的自動(dòng)尋峰， 每尋一峰對(duì)譜峰用黑色加以填充， 并用紅色線條對(duì)譜峰邊界進(jìn)行寬度標(biāo)記， 具有計(jì)算簡(jiǎn)單、 響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)。 圖2為自動(dòng)尋峰主流程圖。 自動(dòng)尋峰檢測(cè)主要由閾值設(shè)定、 波峰判斷、 計(jì)算峰信息三個(gè)部分組成。 在進(jìn)行自動(dòng)尋峰之前， 應(yīng)對(duì)光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理， 減少噪聲等對(duì)尋峰的影響。 導(dǎo)入光譜數(shù)據(jù)后設(shè)定閾值， 對(duì)峰區(qū)域進(jìn)行界定， 再完成對(duì)峰信息α，ν0， Δν0及S的計(jì)算， 其中半峰全寬Δν0和峰面積S分別通過(guò)逼近原理和梯形近似計(jì)算得到， 最后輸出峰信息值和波形。

1.4 譜線特征提取理論測(cè)試

電力變壓器油中產(chǎn)生并溶解的7種表征電力變壓器運(yùn)行故障的特征氣體， 在理論上均具有特定的拉曼頻移。 故本文以七種故障特征氣體理論譜峰信息進(jìn)行自動(dòng)尋峰分析， 分別設(shè)定譜峰高α、 譜峰中心位置ν0、 半峰全寬Δν0及高斯-洛侖茲系數(shù)θ四個(gè)拉曼光譜譜線線型特征量。 初始參數(shù)值設(shè)置為：α=2000；ν0為七種氣體對(duì)應(yīng)理論譜峰中心位置； Δν0=17；θ=0.5， 圖3即為變壓器七種特征氣體自動(dòng)尋峰結(jié)果。

圖3 Voigt線型—變壓器七種特征氣體自動(dòng)尋峰結(jié)果

圖中七種氣體譜峰中心位置為對(duì)應(yīng)理論氣體拉曼頻移， 四個(gè)特征量對(duì)拉曼光譜譜峰線型基本特征輪廓有較好的表示， 并對(duì)其生成的譜線數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)尋峰分析， 最后譜峰高度和譜峰中心位置與設(shè)定特征量相吻合， 即驗(yàn)證了尋峰算法可靠有效。

為進(jìn)一步探究尋峰方法在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)情況， 本文利用拉曼光譜檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)， 以一定量氣體樣本為分析對(duì)象， 獲取拉曼光譜檢測(cè)數(shù)據(jù)， 并對(duì)拉曼光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

2 變壓器油中溶解氣體拉曼光譜檢測(cè)平臺(tái)

圖4所示為變壓器油中溶解氣體拉曼光譜檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖。 該平臺(tái)將獲取的變壓器絕緣油中溶解氣體置于氣體檢測(cè)空間中， 利用激光光源所產(chǎn)生光波對(duì)氣體檢測(cè)空間中氣體進(jìn)行拉曼散射作用進(jìn)而獲取拉曼散射光并轉(zhuǎn)換電信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)完成記錄和分析。 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示， 變壓器油中溶解氣體拉曼光譜檢測(cè)主要由氣體樣品池、 氣路系統(tǒng)、 光路系統(tǒng)以及控制分析系統(tǒng)組成。 激光源是用于提供激發(fā)物質(zhì)產(chǎn)生拉曼效應(yīng)的單色光， 采用頻率為532 nm的激光器。 共焦顯微拉曼光譜技術(shù)將運(yùn)用顯微鏡系統(tǒng)， 在焦點(diǎn)處增強(qiáng)了拉曼效應(yīng)， 并提高拉曼散射光收集效率。 變壓器油中溶解氣體拉曼光譜檢測(cè)平臺(tái)將有鍍銀石英玻璃氣體樣品池作為盛裝待測(cè)氣體， 提高拉曼檢測(cè)靈敏度， 通過(guò)氣路系統(tǒng)將氣體與一定體積載氣均勻混合， 光路系統(tǒng)將激光器發(fā)出的光經(jīng)樣品光路進(jìn)入樣品池與氣體發(fā)生散射作用， 再進(jìn)入分光光路， 經(jīng)拉曼光譜儀檢測(cè)后傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。

圖4 變壓器油中溶解氣體拉曼光譜檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 變壓器油中溶解氣體拉曼光譜檢測(cè)平臺(tái)實(shí)物裝置

Fig.5 Physical device of Raman spectroscopy detection platform of transformer oil dissolved gas

3 尋峰模型及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 尋峰模型及優(yōu)化

基于變壓器油中溶解氣體拉曼光譜檢測(cè)平臺(tái)對(duì)變壓器油中溶解氣體CO2， CO， C2H2， C2H4， C2H6， CH4及H2進(jìn)行拉曼光譜氣體檢測(cè)。 數(shù)據(jù)預(yù)處理之后， 做自動(dòng)尋峰分析， 并與2.3節(jié)相應(yīng)Voigt線型理論輸出結(jié)果作對(duì)比分析。

2.3節(jié)中， 為在理論上實(shí)現(xiàn)對(duì)拉曼譜峰即Voigt線型的構(gòu)建， 所選取的可表征該線型特征的相關(guān)參數(shù)具有一定程度的代表性。 然而對(duì)于半峰全寬參數(shù)Δν0的初始取值仍可經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行完善。

如2.3節(jié)所述， 理論初值所設(shè)為Δν0=17， 經(jīng)表2中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算7種故障特征氣體光譜參數(shù)中半峰全寬Δν0的取值區(qū)間為(8.7， 11.5)。 故Voigt線型半峰全寬理論初值所設(shè)偏大， 需修正。 究其原因， 發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過(guò)尋峰模型進(jìn)行尋峰后得出的半峰全寬值稍微偏離了Voigt半峰全寬初始設(shè)定值， 這個(gè)偏差可能是由于線型寬度的陡度不均勻， 造成尋半峰全寬時(shí)坐標(biāo)點(diǎn)偏差。

為此， 為了發(fā)現(xiàn)其偏差的規(guī)律， 尋找最優(yōu)半峰全寬值， 通過(guò)改變?nèi)舾山MVoigt線型半峰全寬初始設(shè)值， 觀察尋峰模型輸出結(jié)果， 提取了11組數(shù)據(jù)， 現(xiàn)列典型6組數(shù)據(jù)如表1所示。

對(duì)所提取數(shù)據(jù)作線性擬合， 得到曲線擬合方程：y=1.315 9x-0.039 2， 擬合優(yōu)度R2=1。 再將如表2中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算7種故障特征氣體光譜參數(shù)中半峰全寬Δν0的實(shí)際數(shù)值取算數(shù)平均值為10.257。 將該值作為因變量帶入擬合方程， 即設(shè)自變量值為7.8。 其實(shí)際含義即應(yīng)修正到的Voigt線型半峰全寬值。

如圖6所示， 擬合方程與實(shí)驗(yàn)測(cè)得半峰全寬均值10.257相交， 求得應(yīng)修正到的Voigt線型半峰全寬Δν0值亦為7.8， 此時(shí)尋峰模型半峰全寬輸出值為10.257， 峰面積S值為31 873。

表1 半峰全寬參數(shù)選取

以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為參考， 對(duì)所建立的拉曼譜峰Voigt線型理論模型參數(shù)進(jìn)行修正完善后， 極大提高了模型實(shí)際應(yīng)用能力。 對(duì)于所檢測(cè)的7種故障特征氣體的拉曼譜峰數(shù)據(jù)而言， 通過(guò)尋峰方法所獲取的相關(guān)特征參數(shù)現(xiàn)按實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取值及Voigt線型理論數(shù)據(jù)獲取值分為兩組列于表2中。

圖6 半峰全寬參數(shù)選擇分析

表2 變壓器故障氣體實(shí)驗(yàn)與Voigt線型尋峰結(jié)果

表2中Voigt線型為2.3節(jié)對(duì)應(yīng)七種氣體數(shù)據(jù)半峰全寬修正后的尋峰結(jié)果， 特征參數(shù)設(shè)定為：α=2 000；ν0為七種氣體對(duì)應(yīng)理論譜峰中心位置； Δν0=7.8；θ=0.5。

由表2中相關(guān)數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)于參數(shù)譜峰高α， Voigt線型模型的該參數(shù)輸出值與輸入值一致， 此處無(wú)參考意義； 而檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中該參數(shù)即為實(shí)際測(cè)得對(duì)應(yīng)七種故障特征氣體的譜峰高。

(2)對(duì)于拉曼頻移ν0， Voigt線型模型和與之對(duì)應(yīng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別所得的七種故障特征氣體拉曼頻移ν0參數(shù)相比較， 理論數(shù)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)值存在差異， 然而其差值的絕對(duì)值的取值區(qū)間為(0， 7)。 據(jù)此分析， 考慮相對(duì)差異程度及儀器設(shè)備等影響因素后， 可認(rèn)為二者在數(shù)值上一致， 故因此認(rèn)為本文所設(shè)計(jì)的尋峰方法對(duì)于分析檢測(cè)的變壓器油中溶解的七種故障特征氣體的拉曼光譜數(shù)據(jù)而言是有效的。

(3)對(duì)于半峰全寬， 經(jīng)修正完善后的Voigt線型理論數(shù)據(jù)輸出值為10.3， 理論數(shù)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)值存在差異， 然而其差值的絕對(duì)值的取值區(qū)間為(0， 1.2)， 與表1作對(duì)比分析表明， Voigt線型模型的輸出數(shù)值已經(jīng)在極大程度上被改善為接近實(shí)際數(shù)值。 因此， 可認(rèn)為對(duì)Voigt線型模型的完善是有效且具有一定指導(dǎo)意義的。

3.2 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果分析

結(jié)合前文分析及研究結(jié)果， 本文以變壓器故障特征氣體甲烷作為分析對(duì)象， 研究了氣體含量、 譜峰強(qiáng)度、 譜峰面積之間的關(guān)系。

在實(shí)驗(yàn)常溫、 樣品池真空及激光器功率固定條件下， 設(shè)計(jì)了甲烷氣體在5～35 mL不等6組數(shù)據(jù)進(jìn)行定性分析， 并作初步的定量分析判斷。 將拉曼頻移、 氣體濃度、 強(qiáng)度分別作為X，Y，Z軸建立三維坐標(biāo)， 得出單位樣品池體積下氣體含量變化的特征圖。 圖7為甲烷在不同氣體含量下的拉曼譜峰。 并分別作尋峰分析得出各甲烷含量下的拉曼譜峰信息， 如表3所示。

圖7 甲烷在不同氣體含量下的拉曼譜峰

甲烷含量/mL拉曼頻移/cm-1譜峰高度/(a u)半峰全寬/cm-1凈峰面積/(cm-1·a u)5292414739 91362210292429029 53052115292429069 63041220292440959 64427625292447239 65026430292491359 596188

針對(duì)甲烷氣體， 運(yùn)用最小二乘法分別對(duì)單位氣體含量與拉曼特征峰強(qiáng)度及拉曼特征峰面積做一元線性回歸分析， 其結(jié)果見(jiàn)圖8， 其中(b)圖由于氣體在15和20 mL時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)相近而發(fā)生坐標(biāo)點(diǎn)靠近或無(wú)法分開(kāi)顯示。 得出了對(duì)應(yīng)的曲線擬合方程及擬合優(yōu)度R2， 表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系， 且拉曼特征峰強(qiáng)度與面積之間的擬合優(yōu)度為0.998 9， 拉曼特征峰面積正比于峰強(qiáng)度， 而且拉曼峰強(qiáng)度對(duì)部分峰重疊的敏感性比拉曼特征峰面積測(cè)量小， 故拉曼特征峰強(qiáng)度相對(duì)被測(cè)氣體含量的標(biāo)定曲線為線性， 可以分析待測(cè)單位氣體含量。 在一次獲取拉曼光譜時(shí)， 應(yīng)減少試驗(yàn)的透明度、 拉曼散射光強(qiáng)度收集等因素對(duì)拉曼特征峰強(qiáng)度和面積的污染； 并在對(duì)拉曼光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)， 應(yīng)科學(xué)規(guī)避數(shù)據(jù)二次污染， 影響定量分析單位氣體含量。

4 結(jié) 論

(1)分析了變壓器油中溶解故障氣體由來(lái)及氣體拉曼光譜檢測(cè)原理， 并結(jié)合拉曼光譜譜線特征， 建立了由洛侖茲函數(shù)與高斯函數(shù)卷積表示的拉曼光譜線型—Voigt線型， 體現(xiàn)出拉曼譜峰線型輪廓的基本特征。

(2)完成變壓器故障特征氣體的單一氣體Voigt線型模

圖8 甲烷氣體線性擬合分析

型的建立與尋峰分析， 并對(duì)Voigt線型模型的修正完善， 得出Voigt線型理論Δν0數(shù)據(jù)輸出值為10.3。

(3)實(shí)驗(yàn)室搭建了變壓器油中溶解氣體拉曼光譜檢測(cè)平臺(tái)， 完成了變壓器七種油中溶解氣體的檢測(cè)， 其峰位實(shí)驗(yàn)數(shù)值與理論數(shù)值存在微小差異， 故一方面應(yīng)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境， 減少其對(duì)光譜數(shù)據(jù)的污染； 另一方面進(jìn)一步優(yōu)化算法， 提高尋峰的精確度。 針對(duì)甲烷氣體， 本文對(duì)不同氣體含量下進(jìn)行拉曼光譜檢測(cè)分析， 驗(yàn)證了拉曼光譜強(qiáng)度與被檢測(cè)單位氣體含量呈正相關(guān)的關(guān)系及完成初步定量分析方法。

[1] HAN Ru-yue ， LI Jun-gang， et al(韓如月， 李俊剛， 等). High Voltage Apparatus(高壓電器)， 2012， 48(1): 58.

[2] HAN Jin-hua， ZHANG Jian-zhuang(韓金華， 張健壯). A Typical Large Power Transformer Fault Case Analysis and Processing(大型電力變壓器典型故障案例分析與處理). Beijing: China Electric Power Press(北京： 中國(guó)電力出版社)， 2012.

[3] CHEN Wei-gen， ZHAO Li-zhi， et al(陳偉根， 趙立志， 等). Proceedings of the CSEE(中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào))， 2014， 34(15): 2485.

[4] SHEN Yi， WANG Wei-guo， et al(沈 毅， 王衛(wèi)國(guó)， 等). Trasformer(變壓器)， 2014, 51(7): 63.

[5] WANG Meng-jun， FU Qiang， et al(王夢(mèng)君， 付 強(qiáng)， 等). Trasformer(變壓器)， 2014， 51(8): 73.

[6] ZHANG En-ke， WANG Xue-jin， et al(章恩科， 王學(xué)錦， 等). High Voltage Apparatus(高壓電器)， 2011， 47(5): 83.

[7] SUN Cai-xin， CHEN Wei-gen， et al(孫才新， 陳偉根， 等). Electrical Equipment in the Oil Gas on-line Monitoring and Fault Diagnosis Technology(電氣設(shè)備油中氣體在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)). Beijing: Science Press(北京： 科學(xué)出版社)， 2003.

[8] CHEN Xin-gang， MA Zhi-peng， et al(陳新崗， 馬志鵬， 等). High Voltage Apparatus(高壓電器)， 2014， 50(4): 35.

[9] LAN Shu-li， SONG Kun， et al(蘭淑麗， 宋 昆， 等). High Voltage Apparatus(高壓電器)， 2008， 44(4): 381.

*Corresponding author

The Detection of Raman Spectra on Dissolved Gas in Transformer Oil and Its Spectral Linear Model Analysis

CHEN Xin-gang1, 2， LI Song3， MA Zhi-peng1*， NI Zhi1， YANG Ding-kun1， TAN Hao1

1. Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China

2. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400030, China

3. Chongqing Luneng Development (Group) Co., Ltd., Chongqing 400023, China

Raman spectroscopy gas detection technology which uses a single wavelength laser detection of gas samples without contact and loss is suitable for dissolved gas detection in oil-immersed transformers. Combined with the features of Raman spectral lines, the analysis of the detection mechanism in Raman spectroscopy technology has been made. Raman spectral lines have been presented in the expression of the convolution of Lorentz function and Gaussian function, which shows preferable Raman spectrum peak linear outline basic characteristics. In this paper, the basic features of the peak height, the peak position and the half peak width, are the main targets of peak searching, and the fundamental purpose of this paper is to obtain qualitative and quantitative analysis of the sample. Therefore, the experimental data of Raman spectroscopy is designed based on the comparison method to realize the automatic peak seeking model to achieve the detection target. Therefore, according to the automatic peak searching model based on the comparison method is designed to achieve the detection target. The simulation results of using peak searching model in the Voigt linear model show that spectrum peak height and peak position are in conformity with the theory in the test experiment. Based on the establishment of Raman spectroscopy detection platform aiming at the dissolved gas in transformer oil, the analysis of the experimental data show that the actual values of the half peak height and width are (8.7， 11.5)(cm-1)in the Voigt linear model with deviations. Setting the value as 10.257 cm-1to modify the parameter, then compared with the research results, it shows that the modified Voigt linear model and the peak searching model have better adaptability and practicability. Combined with the gas detection in the experimental platform in the experimental platform of Raman spectroscopy,detection of seven kinds of transformer fault characteristic gas and analysis of peak searching have been completed effectively. In terms of methane gas, the linear relationship among the unit gas content, Raman characteristic peak intensity and the area has been obtained, which has laid a foundation for the quantitative analysis of the dissolved gas in transformer oil.

Transformer； Dissolved gas in oil； Raman spectroscopy； Voigt linear； Peak searching

Jun. 18, 2015; accepted Oct. 25, 2015)

2015-06-18，

2015-10-25

重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(cstc2012jjA90018)， 重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(kj1400917)資助

陳新崗， 1968年生， 重慶理工大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院教授 e-mail: chenxingang@cqut.edu.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail: cqrmzp@sina.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)08-2492-07