在现代电力系统的庞大身躯中，大型油浸式变压器如同沉默而强健的心脏，其内部绝缘油的状态直接关系到整个电网的生命线。当变压器内部因过热、放电等问题出现潜伏故障时，绝缘油会分解产生多种特征气体，而乙炔（C₂H₂）正是诊断高能量电弧放电这一严重故障的 “黄金指标”。传统的周期性离线油色谱分析，如同给电力系统做 “年度体检”，存在滞后、繁琐且可能漏诊的风险。光声光谱技术和 TDLAS 光谱技术是目前较为先进的监测手段，其中光声光谱虽能实现高灵敏度检测，却存在抗干扰能力弱、对现场环境敏感的短板；TDLAS 则依托激光光谱技术，凭借对乙炔的强选择性与超高灵敏度，可实现微量乙炔的实时监测，相当于为变压器装上了 “实时心电监测仪”。此外，光谱范围的选择至关重要，乙炔分子对中红外波段光的吸收强度远超近红外波段，在中红外波段应用 TDLAS 光谱技术，正引领着变压器状态监测领域的深刻变革。
技术之争：TDLAS何以超越光声光谱？
在追求高精度在线监测的道路上，光学气体传感技术一直是前沿方向。其中，TDLAS与光声光谱（PAS）是两大主流技术。但深入的对比研究表明，在变压器油中溶解气体监测这一特定战场上，TDLAS展现出了更全面的优势。
两种技术有根本原理的差异：光声光谱技术依赖于检测气体吸收光能后产生的声波信号，因此对机械振动和环境噪声异常敏感，这在充满电磁干扰和轻微震动的变电站环境中是一个不容忽视的弱点。而TDLAS技术直接测量激光穿过气体后的光强衰减，其系统结构更稳固，抗干扰能力更强。
更关键的是，TDLAS技术具有卓越的灵敏度和选择性，检测精度可达ppb级别，响应速度快，非常适合在线连续监测。一项发表在量子电子学报的研究显示：研究人员基于可调谐半导体中红外激光吸收光谱技术与长光程多次反射技术的有机结合,利用乙炔(C2H2)气体位于中红外波段3025.7nm附近的吸收谱线,实现了nmol/mol级（ppb级）微量C2H2气体的快速实时检测。相比之下，光声光谱技术在追求更高灵敏度时，常需引入复杂的共振腔或敏感材料（如石墨烯），增加了系统的不稳定性和校准难度。综合来看，TDLAS技术在精度、稳定性和环境适应性上为变压器监测提供了更可靠的解决方案。
特性维度 |
TDLAS技术 |
光声光谱技术 |
说明与影响 |
检测原理 |
测量激光透射光强衰减 |
测量气体吸热产生的声压波 |
TDLAS为光学直接测量，PAS为声学间接测量 |
灵敏度/检测限 |
高，可达ppb级。 |
高，稳定工况下可达ppb级别。 |
TDLAS技术在探测痕量气体时有着不弱于光声光谱技术的性能 |
抗干扰性 |
强，光学测量受机械振动影响小 |
弱，对振动、噪声较为敏感 |
变电站环境充满振动，TDLAS适应性明显更优 |
光谱之选：为何中红外是探测乙炔的“黄金波段”？
选择TDLAS技术后，下一个核心决策是探测波段的选择。乙炔分子在近红外波段（如1.53 μm）和中红外波段（如3 μm以上）均有特征吸收线，但这其中的优劣之别，决定了监测系统的根本性能。（可参考以下乙炔气体的吸收特性曲线，中红外3μm左右处乙炔的吸收强度要远高于1.5μm处。）
乙炔气体的吸收特性曲线（1.4-3.2μm）
所有气体分子的吸收强度并非均等。分子光谱理论指出，位于中红外波段的气体吸收谱线通常对应分子更强的基频振动跃迁，其吸收线强度可比近红外的泛频或组合频跃迁高出1到3个数量级。这意味着，对于同一浓度的乙炔气体，使用中红外波段进行探测将获得强得多的吸收信号，这是实现超高灵敏度（低至ppb级）和极低检测下限的物理基础。
尽管中红外激光器（如带间级联激光器）在过去存在成本较高、技术成熟度相对较低的问题，但随着半导体激光技术的飞速发展，这一局面正在迅速改变。选择中红外波段，意味着直接瞄准了乙炔分子最强的“指纹”特征，为构建下一代超高灵敏度、能够预警早期微量故障气体的监测系统铺平了道路。
核心波段选择 |
近红外 (~1.5μm) |
中红外 (~3μm+) |
近红外 vs. 中红外 |
吸收线强度 |
较弱（泛频/组合频跃迁 |
极强（基频振动跃迁） |
中红外吸收强数十至上千倍，是超高灵敏度的关键 |
激光器成本与技术 |
DFB激光器成熟、成本低 |
ICL/QCL激光器成本稍高，但技术快速发展 |
近红外方案当前经济方案，中红外是当前追求高性能的最佳方向 |
典型应用目标 |
ppm级在线监测，经济型方案 |
ppb级或更低的痕量、早期故障预警 |
根据监测需求（常规监控 vs. 前瞻预警）选择 |
结构复杂性 |
较复杂，需要较长光程的气体吸收池来保证检测精度和检测限 |
较简单，中红外吸收线强度很高，只需结构简单，光程小的气体吸收池 |
使用中红外光源可降低整体系统后端的复杂度，更加稳定高效 |
实践之路：从原理到可靠的在线监测系统
将中红外TDLAS技术应用于变压器监测，是一项系统性的工程。其核心是基于比尔-朗伯定律：特定波长的激光穿过乙炔气体时，光强的衰减与气体浓度成指数关系。通过精准调谐中红外激光器的波长，扫描乙炔的强吸收线，并采用波长调制与二次谐波检测技术，可以极大地抑制光学噪声，提取出微弱的浓度信号。
展望未来，随着中红外激光器成本的逐步降低和产业链的成熟，基于中红外TDLAS技术的乙炔监测系统将成为智能电网状态监测的标配。它不仅能够实现从“定期体检”到“7×24小时实时监护”的跨越，更能通过对ppb级超微量乙炔的敏锐捕捉，实现故障的提前数月甚至更早的预警，真正将电网安全从“事后应对”提升至“事前预防”的新高度。这场由中红外TDLAS技术引领的监测革命，正在让变压器的“每一次心跳”都清晰可辨，为守护能源大动脉的安稳运行注入前所未有的智慧与信心。
在国家电网“十五五”四万亿元投资构建新型电力系统的战略背景下，特高压建设的提速对变压器保护提出了更高要求。下一代光谱技术以其独特的技术优势，正成为解密变压器健康“脉搏”的关键手段，为特高压电网安全稳定运行筑牢防线。随着技术的不断成熟与应用拓展，这场光谱技术革命将深刻改变电力设备运维模式，为我国新型能源体系建设与“双碳”目标实现注入强劲动力。