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2激光散射测量平台及方法
2.1激光散射观测的试验平台搭建
根据散射强度表达式式(2),需要选择散射强度测量位置。图3描述了不同散射角度0的散射光强分布特点，向量的长度表示散射光强度的相对大小。 对于。<1系统，散射光强度在与入射光垂直的方向上(。=90。)最小。随着a增大，散射光前向性特征逐渐明显，前向散射强度明显大于后向散射强度。
本文根据散射的特征选择数字图像法来反映散射光强。CMOS相机采集到的信号除了散射光外，还包括激光穿过变压器油的透射光、试验仪器反射光、杂散光源等光信号，试验中需考虑非散射光对试验 结果的影响。为降低并控制其它光噪声的影响，试验过程采取了以下措施：试验过程中储油单元和激光源位置始终保持不变，减小容器壁材质、厚度 对试验结果的干扰；在储油容器底部与两侧贴上黑色遮光材料，避免反射光仪器；试验全程都在暗室环境中进行，确保激光器为暗室内唯一光源，避免其它可见光源的干扰；选择光柱长度比例为38%~91%的这一段光路作为测量基准，屏蔽透明油槽壁折射带来的杂光影响。
结合上述问题，本文最终选择利用650nm，功 率50mW的半导体激光器在透明亚克力树脂制成的储油容器中激发形成散射光柱。图像采集模块主要由 CMOS工业相机及其配套定焦镜头组成，其中，相机分辨率为1900x1200，最大帧速率为41fps，光圈大小为1/16,曝光时间为23690网。图像采集模块垂直于光线入射方向，设置在储油容器的正上方。储油容器内壁尺寸为8cmx4cmx6cm，具体布置见图4。
2.2图像特征值统计方法
利用数字图像中光柱像素灰度对散射强度进行量化。因此，该过程主要分为2个步骤：一是根据图 片坐标对光柱存在位置进行切割，二是利用光柱的 敏感度摒弃多重折射导致低亮度像素。
进行切割的首要条件是选取光柱中间灰度最稳定的区域。原照片像素尺寸为1920x1200，将其切割 到X轴：700〜1500，7轴：500〜700。当去掉了两端和背景的反射亮度后，光柱集中见图5(a)。此时已完 成油中散射光柱的初步灰度数据处理，例如，通过区域切割，灰度为0对应的像素总量由7817个下降到5338个，32%的白点噪声被滤除。
在图像切割基础上，再将激光光柱照片进行二值化处理，以确定轮廓坐标，只保留灰度值在255X敏感度(数值)以上的像素点，切割后轮廓见图5(b)。为了过滤多重折射衰减的低灰度像素，采用二值化敏感度直接提取激光光柱轮廓，同时将低亮度区域 的像素也从像素总量中去除(见图5(d))。然后，将切割后剩余的所有像素点相加，得到光柱的绝对灰度值。
利用敏感度切割后的二值化数据分为3档进行统计。当二值化敏感度为0.1时，中心灰度分别为63.3、140.0和216.7，其对应的像素统计分别是3253个、3126个和2438个。当二值化敏感度为0.4时，对应的 像素统计灰度中心点为102、153和204。为了测量颗粒引起的光线路径衰减，根据照片所取的光路占光柱长度的6.4%~78.1%，即按照X=700~1500进行计算。
3散射光强与变压器油不同因素影响情况
对不同微水的变压器油样进行了颗粒度、温度和微水等影响因素进行测试，并利用这些参数进行基准标定。其中，半岛开户变压器油的微水含量采用库仑法进行测量，测试方法依照GB/T 7600—2014《运行中 变压器油和汽轮机油水分含量测定法（库仑法）》。试验采用的油样来自于15台送检的电力变压器和互感 器。此外，增加了承受反复击穿的陪试品绝缘油用 作极端情况进行参考（其表面张力为28.5mN/m，GB/T 7595—2017《运行中变压器油质量》要求运行 变压器油225mN/m,颗粒度22.5X106个/100mL, 标准要求（5000〜150 000）个/100 mL）。
3.1激光光柱灰度与油中颗粒关系
颗粒物主要分为外来杂质和内部分解物。其中, 外来杂质包含絮状（纤维）、机械杂质、树脂末等，其特点是尺寸大（多为210网），在激光的照射下会呈现 较强的散射，但其散射效果与微水有明显的区别。 微水因为界面张力的作用，在油中呈现各向同性的 球形，因此图像上观测到的是持续发光的光点。固体颗粒多为不规则的多面体，大尺寸固体颗粒除了颗粒散射外，还存在界面的反射，因此油中表现为时明时暗的大型光点；油中的纤维素则为长条丝状，图像上表现出长条的絮状结构。
测量时油的温度为16~21℃之间。根据图6也证实，不同的颗粒物类别和尺寸对散射现象的影响不同，大尺寸颗粒物在激光照射下会出现明显的明暗交替状态（见图6（a）和图6（b）圆圈处）。在试验中可以通过连续拍摄的方法去除颗粒物干扰。
而内部的小尺寸杂质主要是油中不饱和烃类分解产生的氧化物、可溶性树脂、油泥以及放电引起的碳粒，在油中很稳定，该种碳粒数量高会提高油的微水含量叫。
7油中颗粒度会导致散射光柱亮度会沿光路衰减（见图6（d））。在激光引起的光柱中，几种不同颗粒度 绝缘油样品的像素总量均在横坐标X=1000~1300位置出现衰减，微水和颗粒度越高，衰减越明显（见图 7）。
以横坐标1100为界限，将前后两段Xft长度400的灰度总量（敏感度0.4）进行相减，再除以前半段的灰度像素总量，可得到前后段的灰度衰减比值P，如表1所示。
根据图8得出，其颗粒度对散射光柱的衰减呈现
明显的指数关系，见式（5）,其拟合相关系数尺2为0.984。利用绝缘油敞开静置将微水升高再进行测量时，其衰减比值变化不明显，波动在±5%，因此光柱衰减只与颗粒度有关。
P=0.0817Xcounts01486
式中正砂为绝缘油的颗粒度，单位为个/100mL。在正常运行中，极少能碰到颗粒度22.5X106个/100 mL的变压器油。因此去除极端情况，在正常颗粒度下, 散射光柱衰减比值均在0.2〜0.4随颗粒度增加而出现的衰减，见图12（b），其拟合式见式（6），其拟合相关 系数R 2为0.990。
p = 0.0553Xc°unts°.1871
结合以上2个公式，可以得出其衰减比例与颗粒 度呈指数关系。当颗粒度较小时，微水通常也非常 低，光柱自身衰减比例为0.272~0.514，其对散射的 影响有限。
3.2激光光柱灰度与温度的关系
温度是影响散射的重要指标之一，主要影响在两个方面，一个是动态胶体运动碰撞引起的水胶体尺寸变化，二是折射率变化（常数级）。本实验对不同微水含量的绝缘油进行加热，观察光柱灰度的变化。
试验发现，随着油温的升高，微水颗粒的悬浮和漂移速度明显增快，但由于微水量不同，呈现的散射光强变化也有区别。从试验数据上看，10X10-6以下的光柱会随着温度的上升有明显的增亮过程，但是10X10-6以上开始逐渐放缓；不过当颗粒度比较高时，由于颗粒度的影响，会出现较为明显的亮度波动，其数据区间特征开始出现明显差异。其变化的幅度可以通过斜率观测出来，见表2。
由于油水界面的相斥作用，当微水颗粒在油中处于平衡状态时，颗粒尺寸分布在10〜200nm内呈连 续正态分布规律。当温度升高时，虽然折射率会降低，但微水颗粒会在悬浮漂移状态下出现重新的 融合或者破裂。根据热力学定律，当部分胶体的尺寸发生变化时，相平衡就会被打破，必然有新的水颗粒填充该处油中的微水状态.因此不同尺寸微水 颗粒为连续出现，有序弥漫。当微水含量比较低时, 由于油温的持续加热，微水颗粒会出现碰撞，从而导致较大的微水颗粒数量居多，因此散射亮度会上升。当微水增加10X10-6以上时，大直径微水颗粒的 密度达到平衡边界，撞击次数增加后会分解成小的 微水颗粒，因此微水颗粒的总直径不会发生变化，因此散射亮度进入波动状态。在颗粒度高条件下，由于油温加热，油中的碳粒运动加剧，干扰了胶体的散射和胶体组合与分裂，导致进一步的波动，其 拟合误差达到5.96,远高于其他微水的拟合误差。
由此可知，在微水含量较低时，温度升高时，微水颗粒直径变化占主导地位，其散射亮度增长趋 势比较明显。随着微水含量的增加，当微水大于10 X10-6,油中微水颗粒总尺寸趋于稳定，散射亮度开 始处于波动状态。
3.3激光光柱绝对灰度与变压器油微水的关系
采用卡尔费休法对试验油样微水进行测量，将微水的测量结果与光柱像素总量（敏感度0.4）相比较，则可得图9(a)。
由图9可看出，变压器油微水与散射光柱的灰度 像素量呈现明显的指数关系，与式(3)相同。结合所 测量的15个油样可得出，其递增的关系式为
Tw=1.241Gr0.384
其中，拟合相关系数尺2为0.986, G1为照片中光柱的灰度，Tw为绝缘油的微水。但变压器油一般不会超过30X10-6,因此用于配试品的绝缘油一般不会 碰到，故去掉该数据得到图13(b),其关系式为
Tw = 1.2706「381 (8)
其中，拟合相关系数尺2为0.949。从图13(b)发现， 当微水W20X10-6时，光敏感度为0.4的微水数据过于集中，拟合系数降低。将光敏感度降低到0.2,其灰度中心改为51、119、181。可得出图13(c),其关系式为
Tw = O.47OGJ.406
其中，拟合相关系数尺2为0.957,与式(8)相比，波动明显降低，其拟合相关系数也出现明显升高。
综上所述，散射与微水呈现明显的指数关系，但由于不同的微水量与散射的关联程度不同，可以根据光敏感度调节，进行不同微水区间数据测量。此方法可明显降低数值波动，并找到最佳拟合指数曲线。后期可以利用大量数据库建立拟合相关度最佳的指数曲线，以提高微水测量精度。
4变压器油中散射光柱灰度的不同因素影响特征分析，
度的像素有明显增加，说明在运动下，大尺寸的微 水颗粒被重新分裂，形成小胶体。
根据图10，可对测量结果进行温度和颗粒度校准。其中测量结果微水W10X10-6进行温度校准，当微水＞10X10-6时，可以利用颗粒度衰减比例进行校准，其校准举例见式（10）。
变压器油的散射光柱灰度受到颗粒度、温度和微水的影响，影响关系见图10,其中散射光柱灰度 主要受到水胶体的尺寸影响最为明显。其特征可以通过温度变化证明，当微水含量W10X10-6时，温度 增加促使微水颗粒游动变快，碰撞后胶体直径增加为主导，散射光强亮度增加得比较明显，但低亮度 的像素增加慢。当微水含量＞10X10-6时，温度升高后，由于微水颗粒尺寸的限制，胶体颗粒融合和分解的速度逐渐趋于一致，变化趋于不明显，但低亮式中GJ为校准后的散射光柱亮度灰度，温度校正曲线选用了微水W10 X 10-6的中位数斜率为0.94的校准曲线，G11为测量灰度（敏感度0.4）；当微水210X10-6时，采用颗粒度曲线校准，恢复到统一衰减比例基本为0.217（取颗粒度为5000个/100 mL）, Gr2为光柱长 度比例为37.8%到91.0%的前一半，即长度比例为37.8% 到64.4%。以上2个校准均是线性校准，不影响微水 与像素统计的指数关系。此外，绝缘油的颗粒度可以直接通过式（6）计算。以上方法给出了运行在电场情况下的变压器油微水状态的测量途径。
5结论
1）变压器油在激光照射下会出现明显的散射光柱，根据米氏散射理论和瑞利散射理论分析了波长、温度、散射角对散射光强的影响。最终选择波长为650nm的半导体激光器作为光源，并从光线垂直方 向进行观察。
2）散射光强度主要与微水颗粒的尺寸相关，温度可以通过影响微水颗粒尺寸来间接影响散射光强。在微水含量W10X10-6的变压器油中，温度升高会导致微水颗粒组合大于分解，散射亮度显著增加，但当微水含量＞10 X10-6时，微水颗粒的分解与组合逐渐相等，散射亮度呈现波动，颗粒度与光柱的衰减成指数关系。
3）变压器油微水与散射灰度总量成明显的指数关系。但需要根据不同的区间调整灰度敏感度，来提高微水测量精度。在微水含量＞10X10-6的变压器油中，光敏感度在0.4时呈现指数关系，拟合相关系数R2为0.986；当微水含量W10X10-6时，可通过降低光敏感度0.4降低到0.2,拟合相关系数R为0.949上升到0.957。
4）本文梳理了油中散射光柱与温度、颗粒度和微水耦合关系，给出了油温和颗粒度两种因素影响下像素统计的线性校准关系。相较于传统离线检测方法，该方法具备检测速度快，操作简便的特点，可用于变压器油微水含量的初筛。后续可进行电场作用下变压器油微水含量的测量，为油浸式电力变压器状态的在线监测奠定基础。