引用本文
陈图南, 李康, 邱宗甲, 韩冬, 张国强. 绝缘材料光声池的理论分析与实验验证[J]. 光谱学与光谱分析, 2023,43(9): 2922-2927.
CHEN Tu-nan, LI Kang, QIU Zong-jia, HAN Dong, ZHANG Guo-qiang. Simulation Analysis and Experiment Verification of Insulating Material-Based Photoacoustic Cell[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2023,43(9): 2922-2927.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2023)09-2922-06  
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绝缘材料光声池的理论分析与实验验证
陈图南1,2, 李康1, 邱宗甲1, 韩冬1,2, 张国强1,2,*
1.中国科学院电工研究所, 北京 100190
2.中国科学院大学, 北京 100049
*通讯作者 e-mail: zhanggqi@mail.iee.ac.cn

作者简介: 陈图南, 1993年生, 中国科学院电工研究所博士研究生 e-mail: tnchen@mail.iee.ac.cn

收稿日期: 2022-07-04 修回日期: 2023-06-04 接受日期: 2023-06-04
基金: 国家自然科学基金项目(51877203), 中国科学院科研仪器设备研制项目(YJKYYQ20200012), 中国科学院电工研究所科研基金项目(E155440201), 中国科学院青年创新促进会项目(2021135)资助
摘要

高压套管是电力系统的核心部件, 对高压套管的绝缘状态进行检测具有重要的实际意义。 由于目前常见的绝缘状态在线监测设备难以适用于安装位置特殊、 体型较小的高压套管, 研发适用于高压套管的检测系统势在必行。 相较于传统金属结构的光声池, 采用全绝缘结构光声池能够在进行原位检测时不形成悬浮电位, 从而能够规避在高压套管内引发局部放电等故障, 是对高压套管绝缘状态进行检测的理论可行方案之一。 探究了适用于高压套管检测的原位检测系统重要部件全绝缘结构光声传感器的可行性。 分别从基本原理、 仿真计算及实验验证三个方面对全绝缘结构光声池进行了分析及论证。 首先, 就光声池材料对光声信号的影响进行了理论分析, 讨论了相较于传统黄铜材料, 由绝缘材料石英制成的光声池可能存在的问题。 然后, 在此基础上采用COMSOL Multiphysics建立了共振式光声池的仿真模型并进行了声学和热学相关计算, 对理论分析的结果进行验证, 并分析了实际情况下石英光声池的理论表现。 最后, 建立基于石英光声池的光声光谱检测系统实验平台, 结合波长调制及二次谐波方法对微量乙炔气体进行定量检测, 用于对石英光声池的可行性进行验证。 仿真计算结果表明, 类似于黄铜材料, 石英材料光声池同样具备对微量气体进行定量检测的能力。 实验结果表明, 基于石英光声池的检测系统对乙炔气体的检测极限能够达到0.16 μL·L-1, 满足相关标准中油浸式电气设备对乙炔检测的需求。 因此, 以石英为材质的共振式光声池具备应用于高压套管原位检测的潜力。

关键词: 光声光谱; 光声池; 绝缘材料; 仿真计算
中图分类号:TP212 文献标志码:A
Simulation Analysis and Experiment Verification of Insulating Material-Based Photoacoustic Cell
CHEN Tu-nan1,2, LI Kang1, QIU Zong-jia1, HAN Dong1,2, ZHANG Guo-qiang1,2,*
1. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
*Corresponding author
Abstract

High voltage bushing is one of the core components in a power system. Therefore, it is with significant meaning to monitor the insulation status. However, current commercial equipment for online monitoring is not suitable for bushing with special locations and small sizes. As a result, developing a detection system for bushing specifically is necessary. In-situ detection is one of the theoretically feasible ways for bushing monitoring. Compared with metal material, photoacoustic cells made of insulating material can avoid floating potentials and following partial discharge. This paper studied the feasibility of insulating material-based photoacoustic cells. First, the influence of the material on the performance of photoacoustic cells was studied, and potential problems of photoacoustic cells made of insulating material quartz were discussed. Then, using COMSOL Multiphysics, the theoretical performance of quartz photoacoustic cells was simulated from both the thermal and acoustic sides. Finally, a detection system based on quartz photoacoustic cells was established to testify to the simulation outcome. The simulation results indicated that quartz-based photoacoustic cell was as capable as the conventional brass photoacoustic cell to detect trace gas quantitatively. Besides, the detection limit of the established detection system in this word could reach the level of 0.16 μL·L-1, which could meet the relevant standard. Therefore, such insulating material-based photoacoustic cell is with the potential for in-situ detection of bushing.

Keyword: Photoacoustic spectroscopy; Photoacoustic cell; Insulating material; Simulation calculation
引言

高压套管主要用于变压器、 电抗器、 断路器等电气设备的进出线或是高压电路穿越墙体的对地绝缘, 承担将高电压从外部引入电气设备内部的功能, 是一次侧设备的关键核心部件。 套管故障通常较难在早期发现, 具有早期发展缓慢, 后续突然爆发的特点。 高压套管发生事故会对其他主设备造成破坏, 损坏后无法带电维修、 更换难度很高, 故障影响时间长, 造成高压输电系统中断, 使社会蒙受巨大的经济损失[1]。 因此, 有必要对高压套管的在线检测技术进行研究, 以确保电力系统的安全运行。

常见的电气设备的绝缘材料在局部放电、 过热等故障条件下会发生分解, 通过检测分解的气体产物的成分及含量能够推断电气设备的故障缺陷[2]。 这种基于分解气体的方法具有非侵入性、 不易受干扰等优点, 目前已广泛应用于变压器、 气体绝缘输电线路、 高压套管等电气设备的定期检修之中, 是监测油绝缘、 气体绝缘设备早期故障的重要手段[3, 4]。 实践证明, 分析分解气体可以在定期停机检修中发现高压套管的早期故障, 但在线监测中还未能应用。 目前的电力设备气体在线监测装置只能应用于变压器主设备[5], 这类装置具有体积较大、 需气量多、 取样脱气复杂等缺点, 难以应用于高压套管。 针对上述问题, 有学者对微型光声光谱传感器进行了研究, 提出将传感器置于电气设备内部, 其余部分通过光纤连接, 从而实现对电气设备故障的原位检测, 以期解决目前在线监测设备不适用于高压套管的问题。 例如, 马凤翔等将油气分离单元与光声池进行了一体化设计, 建立了可用于变压器油中溶解气体的微型光声传感器[6]; 类似的, Thomas Rü ck等则基于3D打印技术, 采用丙烯酸酯聚合物建立了MEMS光声池缓冲结构, 中心采用不锈钢管作为谐振腔激发光声信号[7]。 这类光学传感器的材料均包含金属材料, 安装方式受限, 传感器只能放在电气设备外部, 且内部金属元件均需接地, 否则在实际应用时, 金属的光学传感器会在电气设备内部形成悬浮电位, 容易引发电气设备的局部放电。

综上所述, 为开展高压套管的原位监测, 需要对非金属材料的绝缘光学传感器进行研究。 基于光声光谱原理的光学传感器核心部件为光声池, 绝缘材料光声池是研发绝缘光学传感器的核心内容。 本文探究了全绝缘材料光声池的可行性, 从理论和实验的角度出发, 对基于石英材料的共振式光声池性能进行了研究, 验证其定量检测微量变压器油特征分解气体乙炔的能力, 论述其作为光声传感器的核心部件在高压套管原位监测中的可行性。 首先, 本文从理论出发, 分析了光声池材料对光声效应的影响; 然后, 采用仿真计算的方法, 对石英光声池的声学特性进行了计算; 随后, 本文基于光声光谱原理搭建了实验平台, 并配置了乙炔标气对石英光声池的性能进行了验证。 本文的结果显示石英光声池具有对微量乙炔气体检测的能力, 且其检测极限能够符合电力行业相关标准。

1 基本理论基础
1.1 光声效应原理

在光声池内, 气体因吸收调制光而产生热并激发出声信号, 此过程可由如下波动方程描述[8], 如式(1)

∇2p-1v2∂2p∂t2=-γ-1v2∂H∂t(1)

式(1)中, p为声压, v为气体中的声速, t为时间, γ 为气体的比热比, H为热功率密度源。 对于该非齐次波动方程, 对时间进行傅里叶变换, 可得式(2)。

∇2+ω2v2p(r, ω)=γ-1v2iωH(r, ω)(2)p(r, t)=∫p(r, ω)e-iωtdω(3)H(r, t)=∫H(r, ω)e-iωtdω(4)

其中, ω 为光调制频率。 齐次波动方程的简正模式解取决于边界条件。 通常认为壁面上的声压的法向分量为0。 此时, 共振模式下圆柱型光声池振幅表达式如式(5)所示。

Aj(ω)=-iωωj2(γ-1)∫Vpj* HdV1-ωωj2-iωωjQjV(5)

式(5)中, A为声压振幅, j为振动模式数, Q为光声池品质因数, V为谐振腔体积。 由H(r, ω )=α I(r, ω )=Nσ cWg(r, ω ), 并令光声池常数Ccell

Ccell=-(γ-1)Qj∫Vpj* g(r, ω)dVωjV(6)

式(6)中, α 为气体的吸收系数, I为激励入射光功率, N为气体分子数, σ 为气体分子吸收截面, c为气体浓度, W为激励入射光强, g为归一化光强分布函数。 可得声压信号与气体浓度的关系, 如式(7)所示。

p=CcellNσcW(7)

1.2 材料对光声信号的影响分析

除了金属材料在电气设备中容易造成悬浮电位等潜在危害以外, 光声池材料的不同亦会对检测系统本身的表现产生影响。 具体而言, 光声池材料对光声信号的影响主要体现在两个方面: (1) 由于材料本身的声阻抗, 谐振腔的壁面不可被视为声学硬边界, 会对光声信号产生影响; (2) 由于材料本身对激光产生吸收, 使得光声池被加热, 进而对光声信号产生影响。 接下来, 分别对这两个方面进行理论分析。

首先, 在材料声阻抗方面, 通常在光声效应的理论推导中, 认为光声池壁为刚性壁, 即Z0=∞ 。 由此可以得到齐次波动方程的简正模式解。 但实际材料的阻抗通常远不能达到可以认为是刚性壁的程度。 采用刚性壁作为边界条件计算得到的光声信号值与实际值相差较大。 光声池材料的法向阻抗可表示为[9]

Z0=ρ0c(8)

式(8)中, Z0为材料的阻抗, ρ 0为材料的密度, c为材料中的声速。 考虑实际情况, 光声池壁上的质点法向速度可描述如式(9)所示。

-pti+μ(∇ut+(∇ut)T)-23μ-μB(∇ut)in=-Z0(n·ut)n(9)

式(9)中, pt为声压法向分量, μ 为动力粘度, μ B为容积粘度, Z0为光声池材料的阻抗, i为单位向量, ut为质点法向速度分量, n为法向矢量。 将材料声阻抗代入式(9)中可对其进行数值求解。 相较于传统的金属材料, 石英材料的声阻抗较小, 因此光声池壁对声波的吸收更多, 会降低光声池中产生的光声信号。

另一方面, 温度对光声信号的影响主要体现在如下两个方面:

(1) 温度对光声池常数的影响。

对于纵向共振式光声池而言, 其品质因数可表示如式(10)

Q=Rcδv+(γ-1)δh(1+2Rc/Lc)(10)

式(10)中, δ v为粘性边界层厚度又可称为粘滞系数; δ h为热边界层厚度又可称为热传导系数; Rc为谐振腔半径; Lc为谐振腔长度; γ 为气体的质量热容比。 当温度上升时, 粘性边界层厚度和热边界层厚度上升, 使得品质因数下降, 进而使得光声信号减小[10]。

(2)温度对气体吸收谱线的影响。

根据分子热运动理论, 当温度上升时, 气体分子之间的碰撞加剧, 使得部分气体分子被激发至高能态, 以致单位体积内能被光激发的分子数减少。 从而, 气体分子的吸收系数随着温度的上升而下降[11]。

综上, 光声信号具有负温度特性, 随着光声池温度的上升, 光声信号随之减小。 因此, 当光声池的材质不同时, 材料的比热容越小, 热量更易于累积在光声池中造成温升, 使得光声信号减小。

2 仿真计算结果
2.1 共振频率的选择

在本文中, 采用H型共振式光声池结构[12]。 其中, 光声池谐振腔的长度为60 mm, 直径为5 mm, 缓冲腔的长度为30 mm, 直径为20 mm。 在COMSOL Multiphysics中建立对应模型用于计算光声池的特征频率, 考虑到实际应用中微音器的存在及其安装位置, 在模型中部增加气体域用以模拟谐振腔与微音器之间的衔接段气体域, 如图1所示。

图1 共振光声池气体域的仿真模型Fig.1 Simulation model of resonance photoacoustic cell

其中, 域点探针的位置与微音器的顶端重合, 用于后续分析微音器能够接收到的声压信号。 然后, 在COMSOL Multiphysics中对建立的光声池模型进行特征频率求解, 选择气体域的材料为空气, 采用压力声学频域研究, 添加特征频域研究, 仅选取一阶纵向模式结果。 计算得到光声池模型的全部特征频率及对应声压分布情况如图2所示。

图2 各特征频率对应的声压分布Fig.2 Acoustic pressure distribution at characteristic frequencies

考虑到实际微音器应尽可能接收较大的声压信号, 通过比较各特征频率的声压分布可知, 当特征频率为2 668.1 Hz时, 微音器能够接收到的声压信号最大。 因此选择2 668.1 Hz作为光声池的共振频率, 后续仿真计算的频率研究均基于此特征频率。

2.2 声阻抗对光声信号的影响

首先就声阻抗对光声信号的影响进行仿真计算与分析。 光声池内的声波在尺寸较小的腔体内传播时, 热损耗和黏性损耗会导致声波衰减。 在这种情况下, 采用热粘性声学模块对光声池内的光声信号进行模拟计算。 设置法向阻抗用以模拟光声池材料的阻抗, 将切向速度设置为无滑移。 在参数设置时, 分别设置不同的声阻抗用以模拟不同的材料, 从而得到不同材料时的声压部分。 由式(8)计算可知, 石英的声阻抗约为1.5× 107 Pa· s· m-1, 常见的光声池材料黄铜的声阻抗约为2.0× 107 Pa· s· m-1。 以气体域材料为空气为例, 在293.15 K室温及1 atm气压的理想情况下, 黄铜材料光声池与石英材料光声池的声压分布分别如下。

由图3可以看出, 对于不同的光声池壁的声阻抗, 声压的分布是类似的, 但是大小会有差别。 这是因为在理想模型中, 光声池壁的声阻抗可以视为无穷大, 因此由气体吸收特定波长的光而产生的光声信号在光声池壁上产生完全弹性碰撞。 在实际情况下, 声阻抗并不是无穷大, 因此光声信号在光声池壁上会产生吸收, 声阻抗越小, 光声池壁上反射的光声信号越弱, 最终得到的声压越小。 因此对于不同材料的光声池而言, 材料的声阻抗越大, 理论上能获得的声压越大, 检测系统的检测灵敏度越高。 由域点探针处的数据可知, 黄铜光声池域点探针处的声压为4.588 2 mPa, 石英光声池域点探针处的声压为4.586 2 mPa, 仿真结果符合理论分析。 从仿真结果可以看出, 尽管石英光声池激发出的光声信号小于黄铜光声池, 但是相比之下差距很小。 因此可以得到结论, 从不同材料具有不同的声阻抗方面来看, 与传统的黄铜光声池相比, 石英光声池同样具备对微量气体检测的能力。

图3 光声池声压分布
(a): 黄铜光声池声压分布; (b): 石英光声池声压分布Fig.3 Acoustic pressure distribution
(a): Acoustic pressure distribution of brass photoacoustic cell; (b): Acoustic pressure distribution of quartz photoacoustic cell

2.3 温度对光声信号的影响

然后, 就光声池温升对光声信号的影响进行仿真计算与分析。 光声池温升的主要热源为光声池材料对激光的吸收导致光声池与激光接触的局部发热, 热量进而扩散至整个光声池, 因此需要对光声池进行传热分析。 考虑到实际运行时检测系统拟设定的检测周期为30 min, 每次激光器运行15 min, 经放大后的激光功率为1 W, 检测系统的激励如图4所示。

图4 检测系统激励函数Fig.4 Excitation function of detection system

采用吸收介质中的辐射束模块及固体和流体传热模块对光声池壁的局部发热情况进行仿真计算。 在吸收介质中的辐射束模块中, 以上述激励函数作为输入设置入射强度。 对仿真模型进行瞬态计算, 输出时间设置为1 440 min。 根据瞬态计算结果, 可得域点探针处的温度如图5所示。

图5 石英光声池域点探针处温度变化Fig.5 Temperature of domain point probe

由图5可知, 在周期性的激光作用下, 光声池整体的温度变化较小。 长期工作情况下, 光声池的温度分布趋于稳定, 对温度进行稳态计算, 结果如图6所示。

图6 稳态时石英光声池温度分布Fig.6 Steady temperature distribution of quartz photoacoustic cell

在此温度分布下, 对石英光声池的声压分布进行仿真计算, 结果如图7所示。

图7 稳态时石英光声池声压分布Fig.7 Steady acoustic pressure distribution of quartz photoacoustic cell

此时, 域点探针处的声压值为4.550 2 mPa。 相较于理想情况下域点探针处的声压值4.586 2 mPa, 在温度稳定后, 石英光声池的光声信号由于温升有一定程度的衰减, 但是衰减的幅度很小。 因此可以得到结论, 石英材料对激光的吸收引起的温度变化不足以对光声信号产生较大的影响。

综合上述两个方面可知, 采用石英作为共振式光声池的材料, 效果会在一定程度上弱于黄铜光声池, 但差距很小。 因此, 从理论上来看石英有作为共振式光声池材料的潜力, 进而能够应用于高压套管原位检测之中。

3 实验验证结果

按照仿真计算中的光声池模型设计加工了石英光声池, 并基于光声光谱原理建立如下实验平台用于验证石英光声池检测微量乙炔气体的可行性。

由图8, 本文建立的光声光谱检测系统采用分布式反馈激光器(distributed feedback laser, DFB)作为激励, 同时采用掺铒光纤放大器(erbium doped fiber amplifier, EDFA)增大激励的输出。 本文采用的DFB中心波长为1 532 nm, 功率为10 mW。 设计的DFB驱动电路能够驱使激光器输出调制频率为1 334.05 Hz调制光, EDFA输出功率为1 W。 由DFB出射的调制激光, 经由EDFA放大后入射光声池内, 光声池内的气体吸收周期性变化的调制光后激发光声效应, 光声效应产生的声压经由微音器采集, 并通过锁相放大器对得到的信号进行提取、 去噪。 最后, 处理后的信号经由数据采集卡收集并传回至个人电脑。

图8 微量乙炔气体光声光谱检测系统实验平台Fig.8 Experimental platform of photoacoustic detection system

在本文中, 分别配置浓度为1.00、 4.43、 9.41、 17.16、 27.34和44.30 μ L· L-1的乙炔标气对石英光声池进行标定。

分别测定每个浓度下连续5个周期内的光声信号, 并取其平均值作为该浓度对应的光声信号值。 可得如图9。

图9 浓度与光声信号的关系Fig.9 Relationship between concentration and photoacoustic signal

以4.43 μ L· L-1处的数据为例, 计算基于石英光声池的检测系统的相关参数, 如表1所示。

表1 检测系统相关参数 Table 1 Relevant parameters of detection system

由表1, 石英光声池的系统噪声较小, 信号稳定。 可以得到检测系统的检测极限(1σ )为~0.16 μ L· L-1。 根据相关标准[13], 本文中建立的基于石英光声池的检测系统能够达到检测极限小于0.5 μ L· L-1的要求。 因此, 从理论分析及实验验证两个方面, 本文论证了全绝缘结构光声池具有应用于高压套管原位检测的可行性。

4 结论

为实现高压套管的原位检测, 本文对全绝缘结构的光声池进行了理论计算与实验验证。 相较于传统金属材质的黄铜光声池, 采用石英材料制作光声池主要存在两个方面的问题: (1) 共振式光声池中谐振腔及缓冲腔的壁面声阻抗较小。 (2) 导热系数较小, 光声池对激光产生吸收导致温度升高。 这两个问题均会使得光声池中激发出的光声信号数值减小。 为了探究石英光声池的可行性, 本文采用COMSOL Multiphysics仿真计算及建立实验平台的方法对石英光声池的性能进行了分析与验证。 结果表明, 采用石英材料制作的光声池, 光声光谱检测系统对乙炔气体的检测极限能够达到0.16 μ L· L-1, 满足相关标准中油浸式电气设备对乙炔检测的需求。 因此, 以石英为材质的共振式光声池能够有效检测微量乙炔气体, 以其为核心部件的全绝缘结构光声传感器具备可行性, 有应用于高压套管原位检测的潜力。

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