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基于拉曼系统的电力系统中多痕量气体的检测分析

李晓云、夏宇兴、黄鞠铭、詹黎

摘要

我们建立了一个完整的用于检测痕量气体的拉曼检测系统，它可以检测电力系统中溶解的气体。在这个系统里，一个连接了高敏感度的电耦合元件的光谱仪被用作拉曼系统的检测单元。一个近共焦腔被用来提高检测该系统的敏感性。当有效光谱的范围在大约570至710纳米以内的情况下，我们将八个典型的拉曼光谱使用的气体通过此拉曼系统

我们建立了一套完整的用于检测电力系统中溶解痕量气体并分析的激光拉曼检测系统。为了提高气体的探测灵敏度，我们还在气体样品池内设计了一个近共焦增强腔。当有效光谱的范围在大约570至710纳米以内时，我们成功探测出了标准油样中分离出的混合气体，并得到了油中八种典型气体的拉曼光谱图。检测结果包含：百万分之一百二十六的二氧化碳 ，百万分之二十一的甲烷，百万分之六十三的乙烯，百万分之四十二的乙炔，还有百万分之九十六点六的氢气。因此，该系统的检测能力，满足对电力系统中溶解气体的高灵敏度探测的要求。

1 引言

电力变压器的早期故障可以通过分析电力系统中溶解的气体来进行监视诊断。要对电力系统进行监测，我们首先需要溶解的气体（主要成分有氢气、氧气、水蒸气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、二氧化碳，一氧化碳等等）提取出来进行检测。在最近的几年里，许多关于气体检测技术的研究都取得了很大进步，比如气相色谱法、质谱法、红外气体吸收谱，拉曼光谱法、 傅里叶变换红外光谱等，它们都被广泛应用于各个领域。然而，高灵敏度多痕量气体的检测仍然是一个挑战。大多数的检测系统只能分析几个特殊的气体，如果想要对多痕量气体同时进行检测，则检测系统便会变得非常复杂。比如，使用气相色谱法和吸收谱法就会这样。到目前为止，气相色谱法已被广泛用于检测诊断从电力变压器中分离出来的气体。然而这项技术拥有极其复杂的流程，而且在定量的重复上表现不佳。红外吸收光谱法，则非常容易受周围环境影响。由于气体小分子的拉曼散射截面积太小，拉曼散射信号弱难以实现高灵敏的气体探测。然而，依靠一个单频率激光，激光拉曼光谱检测系统就可以有能力同时检测多痕量混合气体。只要信号微弱的问题可以被克服，那么和其他几种检测技术相比，拉曼光谱检测技术依然是非常棒的检测电力变压器油中气体成分的手段。随着激光器和探测器技术的发展，我们用激光拉曼光谱检测系统开发了一项全新的用于检测多痕量气体的方案。

激光拉曼光谱，是基于分子都有其独特的拉曼位移这一理论，开发出来的用于检测并识别分子种类的技术。拉曼光谱技术为同时检测多种痕量混合气体成分提供了可能性。尽管市场上存在一些商业的拉曼检测系统，但是它们通常是用来检测固体或液体材料的。由于拉曼散射都伴随有强的瑞利散射，并且瑞利散射的强度要比喇曼散射强度大两到三个数量级，气体拉曼散射的截面积也非常地小，因此喇曼散射信号非常的弱。这使得拉曼光谱技术在气体种类的探测中很难实现高灵敏度探测。尽管已经有一些激光拉曼检测技术可以用来检测痕量气体，但是大多数拉曼系统只能检测分析特定的几个气体种类。目前还没有拉曼检测系统，适合检测从变压器油里分离出来的气体。在这里，我们首次提出用拉曼检测系统分析从变压器油中分离出的多痕量气体的完整可行方案。为了提高气体的探测灵敏度，我们使用了200mW的激光，并且在气体样品池内设计了一个近共焦增强腔，使得焦点附近的激光功率达到将近 9W。此外，我们还自制了一个超消光比陷波滤波器，用来阻止瑞利散射光，并允许拉曼信号顺利通过。在电力系统中安装监测系统，要求该系统必须满足对于变压器油中溶解的百万分之一乙炔具备检测能力。在一升变压器油中只溶解了几毫升的气体，因此从变压器油中分离出来的气体的浓度是他们在变压器油中的好几百倍，所以对样本单元格的乙炔浓度的可探测性极限为百万分之一百即可满足要求。在目前的工作中，我们的系统已经实现了所有的用拉曼光谱检测的典型气体。该系统的检测极限已经完全满足在电力系统中安装拉曼光谱检测系统检测混合气体的要求。比起其他的各种气体检测技术，拉曼光谱检测技术拥有高质量、准确、良好的大量重复性，和同时检测多痕量气体等优点。下一步，我们将尝试建立一个完整的商用那么系统用来检测溶解的气体。

2 实验系统

在可见光的范围内，该检测器具有高敏感性。整个实验系统的光学部分设计采用了高敏感度电耦合元件。在光谱信号的有效收集波段范围为570-710nm时，电力变压器油中所有典型溶解气体的激光拉曼光谱都可以探测得到。考虑到系统集成和检测系统的成本，我们使用200mW532nm连续波调制的二极管泵浦固体激光器作为激发光源。然而，众所周知，激光拉曼信号与激光功率密度成正比。为了提高