太赫兹时域光谱技术的变压器油低水含量检测
蒋强1, 王玥2,*, 文哲3, 王际华4
1. 成都市产品质量监督检验院, 四川 成都 610000
2. 哈尔滨理工大学电介质工程国家重点实验室培训基地, 黑龙江 哈尔滨 150080
3. 成都(国家)产品质量检验研究院有限责任公司, 四川 成都 610000
4. 华润电力(海丰)有限公司, 广东 汕尾 516468
*通讯联系人 e-mail: wsbte@126.com

作者简介: 蒋强, 1985年生, 成都市产品质量监督检验院博士研究生 e-mail: jiangqiang888@sina.com

摘要

变压器的维护至关重要。 变压器油中水含量的检测是变压器维护中很重要的一部分。 水在太赫兹频段独特的分子键振动模式使其对太赫兹波具有强烈的吸收性。 利用太赫兹时域光谱技术对变压器油进行水含量检测, 获得了不同水含量变压器油的吸收系数和折射率, 结合相关理论模型对获得的参数进行了分析验证。 试验结果表明, 变压器油的吸收系数和折射率与水含量呈线性关系。

关键词: 太赫兹时域光谱; 绝缘油; 水含量检测
中图分类号:O433.4 文献标志码:A
Moisture Content Determination of Transformer Oil by Using Terahertz Time-Domain Spectroscopy
JIANG Qiang1, WANG Yue2,*, WEN Zhe3, WANG Ji-hua4
1. Chengdu Product Quality Supervision & Inspection Institute, Chengdu 610000, China;
2. State Key Laboratory Breeding Base of Dielectrics Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China
3. Chengdu Institute of Product Quality Inspection Co., Ltd., Chengdu 610000, China
4. China Resources Power(HaiFeng)Co., Ltd., Shanwei 516468, China
Abstract

The maintenance of the transformer is more and more important and the analysis of moisture content in transformer oil has become a very important part of transformer maintenance. Water is known as a strong absorber for THz radiation due to its distinctive intermolecular vibration in this frequency range. In the present work, we analyzed transformer oils regarding their water content by THz spectroscopy. Based on THz time-domain spectroscopy, information about the absorption coefficient and the refractive index of the oil samples is provided. By comparing the results with relevant theories we demonstrate that both the absorption coefficient and the refractive index are linearly related to the concentration of water in the oil solutions.

Keyword: Terahertz time-domain spectroscopy; Transformer oil; Moisture content Test

引 言

电力行业结构的日趋扩大和电压设备等级的不断提高, 使变压器的维护越来越重要, 变压器油中水分含量的检测已经成为变压器维护中很重要的一部分。 目前变压器油中水含量使用最广泛的检测方式是基于卡尔-费休法的化学滴定法。 但这种方法副反应较多, 检测时需要考虑很多因素, 并且测量使用的化学试剂具有毒性, 容易造成环境污染[1]

由于水在太赫兹频段独特的分子键振动模式(氢键拉伸和弯曲)使其对太赫兹波具有强烈的吸收性[2, 3]。 太赫兹光谱技术已用于探测透明材料中的微水浓度以及生物组织和细胞薄层中的微水含量[4]。 本文利用太赫兹时域光谱技术对变压器油中水含量进行检测。 在测试时域光谱前, 制备了不同水含量的变压器油并通过卡尔-费休法独立的确定了样品的水含量。 利用基于太赫兹时域光谱技术获得了所有不同低水含量变压器油的吸收系数和折射率, 随后结合相关理论模型对获得的参数进行了进一步分析。 结果表明, 变压器油的吸收系数和折射率与变压油中水含量呈线性关系。

1 实验部分
1.1 装置

试验装置系统原理如图1所示, 采用透射型太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)来探测变压器油中的水含量; 基本原理是利用光整流[5, 6]产生太赫兹波, 自由空间电光取样[7, 8, 9]探测太赫兹波。 图1中所示激光器是脉宽为100 fs, 重复频率为80 MHz的锁模掺钛蓝宝石飞秒激光器(Spectra-Physics公司生产); M1— M8为800 nm全反镜, ABS为可调衰减偏振分束镜; Chopper为斩波器; Delay Stage为机械光学延迟线, L为透镜, Emitter为P-InAs晶体, Sensor为1 mm厚的碲化锌晶体; HR-Si为高阻硅片, PM1— PM4为离轴抛物镜, Sample为样品放置处, PBS为薄膜分束镜, QWP为四分之一波片, WP为渥拉斯通偏振棱镜, Detector为平衡二极管, Lock-in为锁相放大器。 系统工作时, 泵浦光经斩波器、 机械延迟后聚焦到太赫兹辐射源上, 产生太赫兹脉冲。 太赫兹脉冲在自由空间中传播, 经两组离轴抛物面镜准直、 聚焦后到太赫兹探测源上, 探测源的折射率椭球会发生改变。 当探测光与太赫兹脉冲在探测源内共线传播时, 它的相位会被调制。 通过改变光学延迟线的位置, 能够改变两束脉冲的时间差, 利用自由空间电光取样技术能够得到太赫兹电场的时域波形。

图1 基于光整流效应的太赫兹时域光谱系统实验装置原理图Fig.1 Schematic of the THz-TDS experimental setup based on optical rectification

对太赫兹时域波形直接进行傅里叶变换即能获得对应的太赫兹波频谱图。 若在抛物镜PM2与PM3之间的焦点位置处放置样品, 由于样品的折射率等物理参数导致THz频谱发生变化。 通过与未放置样品时(干燥空气)的参考频谱比较可提取出样品在太赫兹波段的复折射率 n˙(ω)=n(ω)+(ω)c/2ω, n(ω)为样品色散系数, α(ω)为吸收系数, ω=2πν为角频率, c为光速。

1.2 样品制备

选用DB-25#油(中国石油天然气有限公司昆仑牌), 用滤油机过滤杂质, 再经105 ℃真空干燥处理24 h后备用。 将不同量的蒸馏水加入到变压器油中, 从而得到不同浓度的油水乳液。 随后将乳液放入超声波浴池中震荡5 min, 目的是加快油与水的混合同时也保证了溶液不是饱和的单相混合物。 最后利用卡尔费休库伦仪(梅特勒-托利多上海有限公司)测出制备好的油水溶液的含水量。

考虑到样品的吸收, 为尽可能的让样品获得大的测试带宽, 设计了厚度可调(0.5~0.8 mm), 长宽均为10 mm的透明小容器(测试光斑直径约为1 mm)。 容器材质选用的是环烯烃共聚物(COC), 这种材质对可见光透明且在0~3 THz频段几乎没有折射和吸收。

1.3 方法

溶液注入容器后, 应保证容器内无明显气泡, 以免影响实验结果。 所有测量在室温下进行, 空气湿度低于2%。 为排除样品安装位置对实验结果的一致性的影响, 更换不同浓度的样品后, 需要反复核对安装在位移台上的容器的位置。 每组样品(含水浓度不同)和参考样品(干燥空气)各测量五次。 将得到的样品的太赫兹时域波形经傅里叶变换后得到样品的频谱图; 提取样品的复折射率, 可得到样品的吸收系数和折射率等参数。

2 结果与讨论

图2为利用太赫兹时域光谱系统得到的不同含水浓度DB-25#油的吸收系数。 含水浓度百分比是利用卡尔费休库伦仪测试的数据, 最高含水浓度为3.28%, 最低为0.43%。 从图中可以看出吸收曲线随含水浓度增加而升高, 当频率大于2 THz时, 由于受系统动态范围限制, 出现了明显的噪声吸收。 因此, 为保证数据的可靠性, 采用频率1.5 THz以下的数据作为分析对象。 根据比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律[10], 可知溶液吸收系数与溶液浓度cx有如下关系

α(ν)=ε(ν)cx(1)

图2 利用太赫兹时域光谱系统得到的不同含水浓度下DB-25#油的吸收光谱Fig.2 Absorption spectra of DB-25# oil with different water concentrations determined by THz-TDS

其中, ε (ν )为与频率相关的消光系数。 从图2可以得知, 频率与消光系数存在线性关系, 可近似的认为ε (ν )=+b, a, b为常数, 则可得到微分方程

αν=ν[(+b)cx]cx(2)

方程(2)表明, 溶液浓度变化正比于吸收系数的变化。

图3为利用太赫兹时域光谱系统得到的不同水含量下的DB-25#油的折射率。 从图中可以看出, 随着频率增加, 折射率也相应的减少。 由洛伦兹-洛伦(Lorentz-Lorenz)方程可知, 宏观的折射率n与分子极化率P有如下关系[11]

n2-1n2+2=13ε0jNjPj(3)

图3 利用太赫兹时域光谱系统得到的不同含水浓度下DB-25#油的折射率Fig.3 The refractive indices of DB-25# oil with different water concentrations determined by THz-TDS

其中, Nj为分子单位体积数, ε 0为真空介电常数。 加入Nx的溶解水分子后, 油水混合物的折射率可表示为

(n+Δn)2-1(n+Δn)2+2=13ε0jNjPj+13ε0Nxpx=n2-1n2+2+13ε0Nxpx(4)

因油的微水浓度很低, 折射率偏差Δ n≪1的情况下, 若水分子极化率px为一常数, 则得到改变浓度引起的折射率偏差的关系

Δn(n2+2)26n13ε0NxpxNxcx(5)

若将0.5~1.5 THz的色散曲线进行积分, 又Δ n(ν )≈ ni(ν )-n0(ν ), ni(ν ), n0(ν )分别为高浓度和低浓度溶液的折射率, 则

ni(ν)dνcx+n0(ν)dν(6)

式(6)表明色散曲线面积正比于水的浓度加上一个常数, 分别利用式(2)和式(6)对0.5~1.0 THz间的试验数据进行归一化处理后得到图4中的结果。 其中, 正方形代表归一化后的吸收系数, 实线是根据理论模型得到的拟合曲线; 三角形代表归一化后的折射率, 虚线是根据理论模型得到的含水浓度与折射率之间的拟合曲线。 从图中可以看出, 随着含水百分比的增加, 吸收系数与折射率均呈线性增加。 另外, 图中三角形代表的实测数据与拟合曲线存在偏差, 主要是由于增加的水分子体积数Nj和分子极化率Pj大于式(5)的估算值。

图4 归一化后的不同含水百分比油的折射率和吸收系数Fig.4 Normalized analysis of absorption and refractive index as the function of the water concentration

3 结 论

利用太赫兹时域光谱技术实现了DB-25#油的水含量测试, 得到了含水浓度0.48%~3.28%间的吸收系数和折射率。 将试验数据分别与比尔-朗伯、 洛伦兹-洛伦模型进行了对比分析, 试验数据与理论模型吻合。 试验结果表明, DB-25#油的吸收系数和折射率与含水浓度呈线性增长关系, 这为进一步利用太赫兹时域光谱技术实现变压器油的水含量定量测试提供了坚实的理论基础。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] LU Long-hui, ZHU Chang-ping, CHEN Jun, et al(路龙惠, 朱昌平, 陈畯, ). Journal of Hebei University(河北大学学报), 2006, 26(6): 668. [本文引用:1]
[2] Walrafen G, Chu Y, Piermarini G. Journal of Physical Chemistry, 1996, 100(24): 10363. [本文引用:1]
[3] Ronne C, Keiding S R. Journal of Molecular Liquids, 2002, 1(1-3): 199. [本文引用:1]
[4] Yu B L. Appl. Phys. Lett. , 2005, 86(6): 1. [本文引用:1]
[5] Tsaur G Y, Wang. J. Phys. Rev. A, 2009, 80(2): 3802. [本文引用:1]
[6] Jiang Q, Wang Xuan, Wang Yue, et al. Chinese Optical Letter, 2013, 9: 1671. [本文引用:1]
[7] Winnewisser C. Appl. Phys. Lett. , 1997, 70(23): 3069. [本文引用:1]
[8] Wu Q, Zhang X C. Optical and Quantum Electronics, 1996, 8(7): 945. [本文引用:1]
[9] WANG Xuan, JIANG Qiang, WANG Yue, et al(王暄, 蒋强, 王玥, ). Spectroscopy and Spectral Analysis(光谱学与光谱分析), 2014, 34(8): 2053. [本文引用:1]
[10] Gerthsen C, Gerthsen P. Springer Berlin, 1997. [本文引用:1]
[11] Born M, Wolf E. Principles of Optics, 2nd ed. Oxford: Pergamon Press, 1964. [本文引用:1]