为应对气候的变化,中国积极推动可再生能源的建设和利用,如风能、太阳能、水能等,建设了多条特高压能源通道,以满足清洁能源的输送。变压器作为电网系统的重要组成部分,其运行状态关乎输电系统的稳定[1]。变压器油是变压器中不可或缺的重要组成,起着冷却、绝缘和保护的关键作用,以确保变压器正常可靠的运行[2]。
太赫兹技术作为一种非接触式、无损检测手段,被广泛应用于材料科学、生命科学和安全检测等领域[3-8]。在电力系统中,变压器绝缘材料在运行过程中会产生醛、醇、酸等极性老化产物,影响变压器的安全运行。通过对变压器油太赫兹光谱进行分析,研究人员可以获取油中化学成分、含水量、老化程度等关键信息[9-12],进而评估变压器油的质量和老化状态。相比传统的检测方法,太赫兹技术更加迅速、便捷,能够实现现场的快速检测,进而有效的预防和判断变压器设备的故障。受地理因素的影响,不同地区环境温度差异巨大。而温度对变压器油的电气强度、黏度、介电损耗和吸收系数等物理特性有着直接影响[13-14]。因此,探究不同温度条件下变压器油的太赫兹光谱响应,对于优化太赫兹技术在电力设备现场检测中的准确性与稳定性具有重要意义。
近些年来,许多学者从不同方向研究了温度对太赫兹光谱的影响。王国阳等[15]利用微流控芯片探究了-3~8 ℃下水的太赫兹透过率,实验结果表明,随着温度的降低,太赫兹的透过率逐渐增大。原因是温度降低导致水分子作用减弱,对太赫兹的吸收减小。采用高透材料加双面胶的方式制作样品池。但该方法在更换样品时较为繁琐,且样品厚度也难以保证。Sanders等[16]在12~300 K的温度范围内揭示了单晶丙氨酸在20~250 cm-1的18个吸收频率,随着温度的升高所有的吸收频率都出现红移,并使用密度泛函理论对此进行模拟,模拟结果和实验结果有很好的一致性。尽管该研究覆盖了宽温度范围,但温度梯度较大,可能存在未充分探索的温度区间。不同材料的太赫兹温度影响特性不同,现阶段探究温度对变压器油太赫兹检测结果的影响较少。
鉴于此,针对温度影响实验,设计一套检测装置,该装置由可变样品池和温控系统组成。样品池可根据检测需求变换容器厚度。利用该装置在-30~40 ℃范围内每隔10 ℃对不同变压器油样品进行太赫兹检测,得到不同样品的太赫兹时域光谱数据。为进一步分析温度与太赫兹光谱之间的关系,采用多项式拟合方法,以太赫兹光谱数据和温度作为输入,建立温度与吸收系数、折射率之间的关系变化曲线。实现对不同温度下太赫兹检测结果的温度补偿,提高太赫兹光谱检测结果的可靠性和准确性。
1 实验材料与方法
1.1 实验材料与设备
绝缘油采用塔里木石化生产的25#变压器油;甲醇为天津市风船化学试剂科技有限公司生产,含量≥99.5%;糠醛、甲酸为阿拉丁试剂化学试剂网采购,含量≥99%;分析天平为梅特勒-托利多生产,精确至0.1 mg。使用实验材料分别配制0.01 mol/L的甲醇、糠醛、甲酸变压器油溶液以供检测。
太赫兹仪器采用华太极光光电技术有限公司生产的TA-CT/CR200全光纤太赫兹时域光谱仪,频谱宽度0~2 THz; 最大动态范围70 dB;分辨率15.6 GHz; 平均功率30 mW;光斑直径≤2 mm。
1.2 可变样品池
为降低样品池带来的实验误差。设计一种可变样品池,如图1所示,其上下面采用聚乙烯材料制成,设有进、出样品口,中间由弹性波纹管连接。样品池上下部分通过孔位连接,步进电机固定在样品池底部,通过丝杆和样品池上部相连。在步进电机的驱动下,可实现样品池厚度的精确调整,调整精度可达0.1 mm。实际检测过程中可根据检测样品的不同,动态调整容器厚度以适应不同的检测需求。该样品池厚度可变且可重复利用,极大降低了检测成本。同时,在检测过程中样品池相对位置不发生变动,降低了检测误差。根据测试,本实验采用10 mm厚度进行检测结果最稳定。
1.3 温控系统
为了满足不同温度下的检测需求,设计一套适用于可变样品池的温度控制装置。如图2所示,该装置包括可变样品池、高低温恒温箱、蠕动泵、温度传感器和环形冷排。冷排由金属制成,安装在样品池上下表面,接触面之间涂有硅脂以加速换热。恒温箱与冷排之间通过软管连接。温度传感器固定在样品池上,并与恒温箱相连。蠕动泵通过管道与样品池出样口连接。实验过程中,将样品池调整至设定厚度,启动蠕动泵将样品抽入样品池。恒温箱中液体在管路中循环通过冷排对样品池进行降温。当样品温度达到设定温度时,保持该温度,从而实现对样品温度的控制,该套温控系统可实现-35~50 ℃的温度控制,控制精度为±0.2 ℃。通过该温度控制装置,可在不同温度下对样品进行精确检测,提高了实验的准确性和可靠性。
1.4 太赫兹检测
可变样品池调整为10 mm厚度,利用蠕动泵将实验样品抽入样品池中。变压器油现场取样后温度会迅速降低到环境温度,因此样品测试温度范围设为-30~40 ℃。实验过程中利用恒温箱对样品池进行温度调控,每隔10 ℃进行太赫兹检测。为减小实验误差,每个温度下进行多次检测并取平均值。实验过程中持续向检测装置内通入干燥氮气,并使用湿度计实时监控,确保检测空间内空气湿度在5%以下。太赫兹仪器在启动后需等待15 min, 待仪器完成预热后进行检测。
将不同温度下得到的太赫兹时域光谱进行平均。不同变压器油样品的太赫兹时域光谱整体变化趋势相似,从中选取空白变压器油的时域光谱进行展示,如图3所示。可以看出,绝缘油太赫兹时域光谱峰值随着温度的升高在逐渐降低,且峰值变化呈先慢后快再慢的趋势。时域光谱的时间延迟随温度升高逐渐减小,且时间延迟呈线性变化趋势。其中时间延迟是指样品光谱与参考光谱峰值点的时间差。
2 实验结果与讨论
在进行时域信号分析时,由于界面反射的存在,信号中不可避免地会出现反射脉冲。这些脉冲会影响吸收系数和折射率的准确计算。在第一个反射脉冲前对信号进行截断,可消除反射脉冲的干扰。
2.1 吸收系数随温度的变化
图4为绝缘油和0.01 mol/L糠醛、甲醇、甲酸变压器油溶液在不同温度下的吸收系数谱,4种不同样品的吸收系数谱的变化趋势较为相似。从温度变化来看,样品的吸收系数变化呈现慢-快-慢的趋势。低温时绝缘油黏度增大、分子振动较弱,对太赫兹波的吸收较小。随着温度的升高绝缘油黏度逐渐减小、分子振动加强,对太赫兹波的吸收显著增强。当温度升高到一定时,吸收系数差异变化较小。推断为分子振动能级被激发到趋于饱和,进一步升高温度对吸收的影响较小。从频率上来看,随着频率的升高,绝缘油对太赫兹波的吸收逐渐增强,不同温度下的吸收变化越来越明显。推断为频率升高,分子中更多的振动和转动模式会逐渐进入共振区域,导致吸收逐渐增大。
2.2 折射率随温度的变化
图5为绝缘油和0.01 mol/L糠醛、甲醇、甲酸的油溶液的折射率谱。可以看出,不同样品的折射率变化具有相同的趋势。温度与折射率呈反比关系,随着温度的升高样品的折射率逐渐降低。温度升高绝缘油分子动能增大,分子间的相互作用力减弱距离增大,由于折射率与物质的密度有关,分子间距离的增大会导致变压器油的密度降低,进而使折射率降低。向变压器油中添加糠醛、甲醇和甲酸等物质,也会对油的折射率产生影响。这些添加物极性较大,太赫兹通过极性介质时,其电场分量会与极性分子的偶极矩相互作用,导致光波的传播速度和相位发生变化,这种相互作用增加了光在介质中的传播路径,从而提高了折射率。
2.3 公式拟合与验证
为对比温度对样品吸收系数和折射率的影响,取对应温度下1.2 THz处的吸收系数谱,并对数据进行拟合。如图6(a)所示。取0.2~1.6 THz范围内的折射率谱,计算平均值后对其进行拟合,如图6(b)所示。从图6(a)可以观察到温度对不同变压器油溶液的吸收系数影响趋势相似。相同摩尔浓度下样品对太赫兹的吸收顺序为,甲醇>糠醛>甲酸>变压器油。图6(b)中随着温度升高变压器油溶液折射率逐渐减小,两者呈线性变化。同时溶质的增加会不同程度的影响折射率的大小。
利用拟合公式[式(4)、式(5)]对120 ℃条件下油纸比20∶1的老化样品进行温度补偿验证,验证结果如表1所示。考虑到老化程度不同的样品,温度影响曲线的截距需要重新确定。将20 ℃下的检测结果代入拟合曲线对截距进行确定。吸收系数曲线截距为:老化10 d为0.954 24,老化20 d为0.980 45。折射率截距为:老化10 d为1.484 92,老化20 d为1.485 41。结果表明,温度影响曲线可以将不同温度下的检测结果换算到相同温度下,有利于对不同温度下变压器油太赫兹数据的收集与对比。
3 结论
利用自制温度控制系统,在-30~40 ℃范围内对不同变压器油溶液进行透射式太赫兹时域光谱检测,得到以下结论。
(1)随着温度的升高,变压器油样品对太赫兹波的吸收能力逐渐增强。
温度升高导致绝缘油分子的振动频率增加,从而增强了对太赫兹波的吸收。然而,吸收系数与温度之间的关系并非线性,这表明在不同温度下,分子间相互作用和分子振动的复杂性对太赫兹波的吸收有显著影响。
(2)样品的折射率随温度的升高而线性降低。
这一趋势主要与温度升高导致绝缘油密度下降有关。密度的降低意味着分子间距离的增加,从而减少了光在油中的传播阻力,导致折射率下降。
(3)利用老化样品对拟合曲线进行验证。
结果表明,采用自制的温度控制检测平台得到的温度-吸收系数和温度-折射率曲线可以对不同温度下的太赫兹检测结果进行很好的预测,可对太赫兹的现场检测进行温度补偿。研究结果对太赫兹检测的现场化应用提供了参考,为温度对太赫兹检测结果的影响研究提供了借鉴。