引用本文
赵恩波, 史泽林, 刘云鹏, 李晨曦. 温度和光照对动车组用矿物型变压器油荧光特性的影响[J]. 光谱学与光谱分析, 2024,44(8): 2233-2239.
ZHAO En-bo, SHI Ze-lin, LIU Yun-peng, LI Chen-xi. Effect of Temperature and Light on Fluorescence Characteristics of Mineral Transformer Oil for EMU[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2024,44(8): 2233-2239.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2024)08-2233-07  
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温度和光照对动车组用矿物型变压器油荧光特性的影响
赵恩波1,2,3, 史泽林1,2,*, 刘云鹏1,2, 李晨曦1,2
1.中国科学院光电信息处理重点实验室, 辽宁 沈阳 110016
2.中国科学院沈阳自动化研究所, 辽宁 沈阳 110016
3.中国科学院大学, 北京 100049
*通讯作者 e-mail: zlshi@sia.cn

作者简介: 赵恩波, 1993年生, 中国科学院沈阳自动化研究所博士研究生 e-mail: zhaoenbo@sia.cn

收稿日期: 2023-03-20 修回日期: 2023-10-09
基金: 国家自然科学基金项目(U1713216)资助
摘要

牵引变压器渗漏油检测是动车组运行故障检测的重要部分。 动车组运行故障图像检测系统采集的近红外底板图像中渗漏变压器油痕迹与水迹的特征相似, 致使列检员与图像识别算法均无法有效识别渗漏油痕迹, 进而导致渗漏油故障的误报率高, 影响列车的正常运行和检修效率。 由于水不具有荧光特性, 而矿物型变压器油具有紫外荧光特性, 故可通过荧光成像将两者区分。 另外, 由于动车组运行季节、 地域、 时间段不同, 致使渗漏的变压器油处于不同的环境条件中, 进而影响渗漏油的荧光特性。 而渗漏油的荧光特性决定荧光成像系统激发光源波长和成像波段的选取。 因此, 为了明确动车组用矿物型变压器油的荧光特性, 以及两个主要环境因素温度、 光照对荧光特性的影响, 首先制备了不同温度、 不同光照条件下的变压器油样本; 而后, 利用荧光光谱仪采集样本的三维荧光光谱, 进而分析样本的荧光特性、 温度和光照对荧光特征峰位置和强度的影响。 结果表明, 动车组用矿物型变压器油具有两个较强的荧光激发/发射峰, 分别位于350/382 nm和350/402 nm; 温度的升高引起荧光强度下降, 但未改变荧光波峰位置; 光照强度的增加与光照时间的延长都引起荧光强度下降, 但未显著改变荧光波峰的位置; 在动车组运行监测时间间隔内, 温度和光照未显著改变油品的荧光特性。 实验结果为荧光成像检测动车组用矿物型变压器油的渗漏故障提供了实验依据和数据支持。

关键词: 变压器油; 渗漏油检测; 温度; 光照; 荧光特性; 动车组
中图分类号:O657.32 文献标志码:A
Effect of Temperature and Light on Fluorescence Characteristics of Mineral Transformer Oil for EMU
ZHAO En-bo1,2,3, SHI Ze-lin1,2,*, LIU Yun-peng1,2, LI Chen-xi1,2
1. Key Laboratory of Opto-Electronic Information Processing, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China
2. Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
*Corresponding author
Abstract

The oil leakage fault detection of traction transformers isa crucial component of Electrical Multiple Unit (EMU) operation fault detection. In the near-infrared image of the bottom plate collected by the trouble of moving the EMU detection system, the characteristics of leakage transformer oil traces are similar to those of water traces, which cannot be distinguished by the trouble inspectors and image recognition algorithms, resulting in a high false alarm rate of the oil leakage fault and affecting the operation and maintenance efficiency of the train.Water lacks fluorescence properties, whereas mineral transformer oil exhibits ultraviolet fluorescence, so fluorescence imaging can differentiate the two traces. Moreover, varying operating seasons, regions, and periodsof EMU expose the leaked transformer oil to diverse environmental conditions, affecting its fluorescence properties. The fluorescence properties of the leaked oil decide the choice of excitation light source wavelength and imaging band for the fluorescence imaging system.Hence, samples under different temperatures and light conditions are first prepared to explore the fluorescence properties of mineral transformer oil used by EMU and the impact of two major environmental factors, temperature, and light, on its fluorescence properties. Then, the three-dimensional fluorescence spectra of the samples were collected by the fluorescence spectrometer and subsequently analyzed, the fluorescence characteristics of the samples and the effect of temperature and illumination on the location and intensity of fluorescence characteristic peaks. The results show that the mineral transformer oil for EMU has two strong fluorescence excitation/emission peaks located at 350/382 and 350/402 nm, respectively. The increase in temperature causes a decrease in fluorescence intensity but does not change the position of the fluorescence peaks. The increase of light intensity and the extension of light duration cause a decrease in fluorescence intensity but do not significantly change the position of fluorescence peaks. The experimental results provide experimental evidence and data support for fluorescence imaging to detect the leakage fault of mineral transformer oil for EMU.

Keyword: Transformer oil; Oil leakage detection; Temperature; Light; Fluorescence characteristics; Electric Multiple Unit
引言

牵引变压器是动车组的核心部件之一, 为动车组的运行提供能量。 牵引变压器的渗漏油故障会削弱变压器油的绝缘、 冷却和灭弧作用, 影响牵引变压器的正常工作和使用寿命, 甚至影响列车的安全运行[1, 2]。

运行中动车组牵引变压器渗漏油故障, 由车载变压器液位传感器和安装于铁路线路上的动车组运行故障图像检测系统检测[3]。 前者只有当液位降低到一定程度时才发出警报, 而后者实时处理采集的动车组图像, 一旦识别出变压器底板疑似渗漏油痕迹立即发出警报, 利于故障的早发现、 早处理。 目前, 国内动车组运行故障图像检测系统采用线阵相机与近红外激光光源组合的成像方式, 系统采集的图像中列车底板处渗漏的变压器油痕迹与水迹的特征十分相似, 造成列检员和图像识别算法误识别、 误报警, 影响列车的正常运行和检修效率。

基于矿物油荧光特性的检测方法是渗漏油检测的一种有效有段, 在工业渗漏油检测[4]、 海面溢油检测[5]、 变电站变压器渗漏油检测[6, 7]等领域被关注。 我国部分动车组牵引变压器采用矿物型变压器油[8, 9, 10], 这类油品含有不饱和结构有机化合物, 如芳香族化合物, 在特定波长光线的照射下, 受激发射出荧光, 原理上可利用荧光成像检测动车组用矿物型变压器油渗漏故障, 但未见到相关报道。

由于动车组运行季节、 地域、 时间段不同, 致使渗漏的变压器油处于不同的环境条件中, 如温度、 湿度、 光照强度, 而温度和光照是影响渗漏的变压器油荧光特性的两个主要因素[11, 12, 13]。 因此, 本文首先分析动车组用矿物型变压器油的荧光特性, 而后分析温度和光照对其荧光特性的影响。

1 实验部分
1.1 样本与仪器

实验样本为某动车段提供的昆仑牌Kl45X变压器油, 并且在样本注入牵引变压器至样本采集期间, 动车组列车已行驶38万km。 按照SH/T 0725— 2002《石油基绝缘油碳型组成计算法》测定样本的碳型组成, 结果显示样本仍含有芳香烃化合物(表1)。

表1 样本的碳型组成 Table 1 Carbon-type of sample

英国爱丁堡公司的FLS1000荧光光谱仪, 用于采集变温条件下样本的三维荧光光谱, 仪器控温范围为77~500 K。 激发波长范围设为300~450 nm, 发射波长范围设为330~500 nm, 扫描间隔设为2 nm, 扫描狭缝设为1 nm, 积分时间设为0.1 s。

受实验条件的限制, 室温、 不同光照条件下样本的三维荧光光谱, 使用日本日立公司的F7000荧光光谱仪采集。 光谱仪激发波长范围设为230~450 nm, 发射波长范围设为250~600 nm, 扫描间隔设为2 nm, 扫描狭缝设为1 nm, PMT Voltage设为400 V, 扫描速度为12 000 nm· min-1。 虽然这两台光谱仪的品牌、 激发和发射波长范围不同, 但两者采集的同一样本的三维荧光光谱的变化趋势、 波峰个数和位置相同。 这说明使用两台荧光光谱仪不影响实验结论的获得。

中国虹谱光色公司的HP350UVS, 用于日光辐照度的测量。

1.2 方法

1.2.1 不同温度条件实验设置

结合变压器的工作温度和列车运行环境的温度, 将样本的温度依次设为-30、 -25、 -20、 -15、 -10、 -5、 0、 5、 10、 15、 20、 25、 30、 35、 40、 45和50 ℃。 改变样本温度时, 在温度传感器示数达到设定温度之后, 再等待5 min, 以确保样本温度稳定在设定温度, 而后使用FLS1000荧光光谱仪采集样本的三维荧光光谱。 实验过程中, 样本始终在光谱仪内。

1.2.2 不同光照条件实验设置

为了保障动车组安全运行, 在动车组行驶线路上, 间隔300~500 km设置监测站[14], 安装动车组运行故障图像检测系统, 监测动车组运行状态。 结合动车组较高的运行速度、 较大的运行时间跨度, 以及监测站点的分布间隔, 本文主要研究单日内不同强度光照对渗漏油荧光特性的影响。 实验日期选在处于年日光地表辐照度平均水平的秋分(2022年9月23日), 实验地点位于辽宁省沈阳市。

渗漏油处于列车底部, 受到地表反射的日光照射, 本文按渗漏油所受光照最强的情况考虑, 即日光直射。 因此, 在光照强度设置方面, 设置三个具有代表性的等级, 即光照最弱的夜间、 最强的正午, 以及两者的中间状态, 分别采用遮光、 正午日光直接照射、 正午日光透过玻璃衰减后照射的方式模拟。 实验中使用HP350UVS光谱照度计测量样本受到的日光辐照度, 正午日光和正午日光衰减后的辐照度随波长的分布如图1(a)所示, 从图中可以看出二者随波长的变化趋势基本相同, 但正午日光的辐照度约为正午日光衰减后的2.56倍; 二者在紫外波段200~400 nm区间的累计值随实验时间的分布如图1(b)所示, 平均值分别为3.97× 104和1.55× 104 mW· m-2。 在光照时长设置方面, 每30 min增加一个样本, 总时长4 h, 共8个样本。

图1 正午日光、 正午日光透过玻璃衰减后辐照度随波长的分布(a)和累计辐照度随时间的分布(b)Fig.1 Irradiance distribution with wavelength (a) and cumulative irradiance distribution with time (b) of sunlight and sunlight through the glass at noon

考虑到渗漏油在列车底板的附着厚度, 取4 mL变压器油注入底面积为100 cm2的培养皿中, 使得样本的油膜厚度约为0.04 cm。 实验期间, 样本所处环境的平均温度为23 ℃。

2 结果与讨论
2.1 动车组用矿物型变压器油荧光特性

图2为25 ℃样本的三维荧光光谱。 其中, 图2(a)为三维荧光光谱立体图, 从图中可清晰看到两个尖锐的荧光峰, 激发/发射波长分别为350/382和350/402 nm, 且前者波峰强度约为后者波峰强度的1.47倍; 图2(b)为三维荧光光谱等高线图, 该图表明样本仅有这两个较强的荧光激发/发射波峰。

图2 25 ℃样本的三维荧光光谱
(a): 立体图; (b): 等高线图Fig.2 Three-dimensional fluorescence spectra of the sample at 25 ℃
(a): Stereogram; (b): Contour map

荧光光谱数据表明, 动车组用矿物型变压器油具有两个明显的荧光波峰, 并且两个波峰的荧光强度比值可用于排除其他荧光物质的干扰, 这说明使用荧光成像检测此类油的渗漏故障具有可行性。

2.2 温度对动车组用矿物型变压器油荧光特性的影响

由于不同温度下样本的三维荧光光谱的波峰分布和变化趋势基本相同, 仅在数值上存在差异, 此处仅列举样本在设置的最低温度-30 ℃与最高温度50 ℃下的三维荧光光谱立体图, 如图3(a)和(b)所示。

图3 不同温度下样本的三维荧光光谱立体图
(a): -30 ℃; (b): 50 ℃Fig.3 Three-dimensional fluorescence spectrum stereograms of sample at different temperatures
(a): -30 ℃; (b): 50 ℃

为了更加精确地分析样本荧光特性随温度的变化规律, 逐一分析不同温度下样本的三维荧光光谱, 统计各个温度下第一、 二波峰的激发波长、 发射波长和荧光强度。 统计结果如表2所示, 随着温度的升高, 第一波峰的激发/发射波长基本稳定在350/382 nm, 第二波峰的激发/发射波长稳定在350/402 nm; 第一、 二波峰的荧光强度均逐渐下降, 但-25 ℃时的荧光强度大于-30 ℃时的荧光强度; 第一波峰与第二波峰荧光强度的比值基本不变, 保持在1.45左右。

表2 不同温度下第一、 二波峰的位置和荧光强度 Table 2 Position and fluorescence intensity of the first and second peaks at different temperatures

温度是微观粒子运动快慢的宏观体现, 温度越高, 分子运动的越快, 处于激发态的分子通过与其他粒子碰撞失去能量回到基态的概率增大, 致使以辐射荧光的方式回到基态的概率减小, 导致荧光量子效率降低, 宏观上表现为荧光强度减弱[11], 实验结果基本符合温度升高荧光强度下降的规律, 但样本在-30 ℃时荧光强度下降的现象有待进一步研究。物质的荧光特性由物质的分子结构确定, 如果温度的变化不能引起物质分子结构的改变, 那么物质的荧光特性也不会改变, 即荧光光谱的变化趋势不变, 荧光波峰的位置不变。

2.3 光照对动车组用矿物型变压器油荧光特性的影响

为了对比样本三维荧光光谱之间的差异, 将样本荧光强度较高的波段范围(激发波长选择300~450 nm, 发射波长选择320~500 nm)绘制成等高线图(图4)。 当无日光照射时, 样本荧光光谱等高线图随实验时间增长的变化情况如图4(a)所示, 等高线聚集的中心位置(荧光波峰的位置)、 等高线的疏密程度基本不变, 这说明在无光照、 室温、 有氧条件下, 至少4 h内, 样本的荧光特性不变。 当正午日光透过玻璃衰减后照射时, 样本光谱等高线图随照射时间的增加逐渐稀疏[图4(b)], 这说明样本的荧光强度有所下降, 但两个荧光波峰的位置未发生明显变化。 当正午日光直接照射时, 随照射时间的增加, 样本光谱等高线图快速变得稀疏[图4(c)], 说明样本的荧光强度快速减弱; 图4(c-5)— (c-8)中散射光的强度(图中狭长的等高线)逐渐增加, 并超过样本的荧光强度, 说明样本的荧光特性逐渐消失; 图4(c-1)— (c-4)中样本的荧光强度相对较大, 且两个荧光波峰的位置基本没有变化, 说明在该光照强度的照射下, 2 h内油品的荧光特性依然存在。

表3 不同光照强度和光照时间下样本的第一、 二波峰的位置和荧光强度值 Table 3 Position and fluorescence intensity of the first and second peaks under different light intensities and duration

图4 不同光照强度和光照时间下样本的三维荧光光谱等高线图
(a): 无日光照射; (b): 正午日光透过玻璃衰减后照射; (c): 正午日光直接照射Fig.4 Three-dimensional fluorescence spectrum contours of samples under different light intensities and duration
(a): No sunlight; (b): Sunlight at noon through the glass; (c): Direct sunlight at noon

变压器油中所含有的荧光物质浓度较低, 依据朗伯— 比尔定律, 其荧光强度可表示为

F=KϕI0(1-e-εlc)(1)

式(1)中, K为仪器常数, ϕ 为荧光量子产率, I0为激发光强度, ε 为摩尔吸收系数, l为油膜厚度, c为荧光物质浓度。

当指数部分ε lc≤ 0.05时, 荧光强度与油膜厚度l成线性关系, 即

F=KϕI0(1-e-εlc)=KϕI0[1-(1-εlc)]=KϕI0εlc(2)

由式(2)可知, 渗漏油的油膜厚度越大, 其荧光强度越强, 则荧光图像中漏油区域的图像像素值越高。 因此可通过荧光图像的像素值估计油膜厚度, 并结合由荧光图像估算的漏油区域面积, 得到渗漏油体积的预估值, 进而对渗漏油故障严重程度做出定量评价。

但是由第2部分的实验结果可知, 环境温度、 光照强度、 光照时间也会影响渗漏油的荧光强度, 导致通过荧光图像像素值估计油膜厚度的准确性受到影响。 图5显示样本最大荧光波峰350/382 nm的强度随温度的增长而不断下降。 该变化趋势可通过一次线性函数拟合, 拟合准确度为95.53%, 说明可以由该函数校正温度对油膜厚度估算造成的误差。

图5 最大荧光波峰350/382 nm的强度随温度变化Fig.5 Variation of intensity of max fluorescent peak at 350/382 nm with temperature

最大荧光波峰350/382 nm的强度随光照时长的变化情况如图6所示。 从图中可以看出, 当无光照时, 样本的荧光强度基本不变。 当正午日光衰减之后照射时, 荧光强度逐步下降, 而正午日光直接照射时, 荧光强度快速下降。 这说明通过荧光图像像素值估计油膜厚度时, 需考虑油膜受到的光照强度和光照持续时间。 因此对两种光照条件下的线性下降趋势建模, 函数的拟合准确度分别为97.95%和95.73%。

图6 不同光照强度下最大荧光波峰350/382 nm的强度随光照时间的变化Fig.6 Variation of the intensity of the maximum fluorescence peak 350/382 nm with duration under different light intensities

值得注意的是, 在实验时间内, 正午日光与其衰减后的辐照度在紫外波段200~400 nm区间累加值的平均值分别为3.97× 104和1.55× 104 mW· m-2, 前者是后者的2.56倍; 而两者拟合的一次线性函数的斜率分别为-1 049和-385, 前者是后者的2.72倍。 这两个倍数关系在数值上较为接近, 说明光照强度与荧光强度下降速率之间存在一定的线性关系, 也可用此线性关系预估其他光照条件下荧光强度随光照时间的下降速率。

3 结论

对动车组用矿物型变压器油的荧光特性进行了研究, 结果表明该类油具有两个较强的荧光激发/发射峰, 分别位于350/382和350/402 nm; 随着温度的升高, 油品的荧光强度逐渐降低, 荧光波峰位置不变; 光照强度的增加和光照时间的延长都可导致荧光强度下降, 但荧光波峰的位置未发生明显的改变。 列车运行环境中影响油品荧光特性的两个主要因素, 即温度和光照, 在动车组运行监测时间间隔内, 未显著改变油品的荧光特性。 实验结果为荧光成像检测动车组用矿物型变压器油的渗漏故障提供了实验依据和数据支持。

在利用渗漏油的荧光图像估算渗漏油体积时, 需校正温度、 光照强度、 光照时间对荧光强度的干扰。 另外, 动车组所用的矿物型变压器油也被广泛应用于电力变压器, 因此本文的实验结果也有助于荧光成像检测变电站变压器油的渗漏故障。

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