铁路系统主要由列车、线路、车站、控制系统、通信系统和供电系统等组成，其中动车组牵引变压器作为电力机车的“心脏”，是供电系统的重要组成部分， 为铁路的安全运营源源不断的提供着电能。变压器油作为变压器内部流动的“血液”，其品质优劣直接影响到变压器的安全使用寿命，进而影响整个机车系统的正常运营。

变压器油作为一种液体绝缘材料，用于变压器及其他充油电气设备中，起到绝缘、冷却和灭弧等作用。 根据变压器油的基础油来源，可分为矿物油型、合成油型和植物油型三种类型，现阶段工业上用量最多的是矿物油型变压器油。 随着社会的发展，研究人员合成了 MIDEL7131 酯油型变压器油用于代替矿物油型变压器油，其具有良好的绝缘和冷却性能，同时还具有高燃点、易降解、环保、无毒无害等优点。 我国某型号动车组列车牵引变压器中使用的冷却油即为酯油型变压器油。

在机车长期运行过程中， 变压器油受到电、热等因素的影响会发生老化，而变压器油的老化过程是不可逆的，其品质好坏直接影响变压器的使用寿命。 新变压器油无气味、透明，一般呈淡黄色，并有蓝紫色荧光。 随着变压器油的老化，会发生颜色变深、粘度增加、酸值升高、闪点降低、电气性能下降、 界面张力变小，甚至产生棕黑色沉淀的现象。 对运用、检修中电力机车变压器油的化验指标一般包括外观、水含量、酸值、击穿电压、介质损耗因数和溶解性气体分析，如图 1 和表 1 所示，当各指标值超过限值时则需要滤油或换新油。 变压器油随老化程度加深，油中溶解气含量变化以及油中添加剂的变化可作为油老化的判断依据。 现今铁路行业对变压器油老化的监测方式一般为高级检修时取样送第三方检测机构进行试验室化验，对于油中溶解气体检测采用 GB/T17623 气相色谱法、GC-MS 等方法。虽然该手段可信度较高，但存在送检时间长、时间成本高、设备复杂、仪器昂贵的不足， 同时操作复杂，对人员要求高，无法实现现场快速检测。

光谱法是一种基于光的吸收、发射和拉曼散射等效应的分析方法，通过分析检测光谱的波长和强度实现定性和定量分析，可以分为三种类型：吸收光谱、发射光谱和散射光谱。 由于变压器油中水含量、溶解气体等物质的成分及含量变化是变压器油老化的特征体现， 是变压器发生故障的第一信号， 所以通过光谱方法检测油中物质的成分特征和含

量，可以实现对变压器油的老化监测。光谱检测手段因其为非接触式测量，不消耗油中老化特征产物，可以实现光纤检测、抗电磁干扰能力强，无需使用色谱柱进行组分分离， 通过光谱分析可直接判断变压器油老化产物的组成和含量，检测速度快，可以实现连续测量。因此，光谱检测是突破传统变压器油老化监测技术瓶颈的重要方向。

本文通过对不同的机车变压器油样品进行紫外、荧光、拉曼和红外光谱的扫描及光谱特征分析， 比较不同品质变压器油的光谱特征差异及变化，研究其作为变压器油品质评估及老化判断依据的可行性。 证明了光谱技术是一种快速高效的变压器油老化监测手段， 为光谱技术在变压器油品质评估中的应用提供了一定理论和试验参考。

2试验材料和方法

2.1变压器油样品

试验所用变压器油样品， 取自某型号动车组牵引变压器，为酯油型变压器油，编号分别为 1 号油、2 号油和 3 号油。 油样的详细信息见表 2。

2.2使用仪器

研究相关试验所使用的光谱仪信息如表 3 所示。

2.3检测方法

在室温（25±5℃）下，分别取 2mL 油样置于石英比色皿中，进行紫外光谱和荧光光谱的检测；吸取油样滴加一滴于石英载玻片上，进行拉曼光谱的检测； 使用注射器抽取 0.4mL 的油样填充进红外液体样品池中进行红外光谱的检测。 每次取样检测快速完成，保证空气中水分及杂质不进入油中，确保检测结果准确性。

1）采用紫外可见分光光度计进行全光谱长度扫描，检测变压器油组分及溶解产物光谱信号，积分时间 15ms，启用暗噪声校正，不启用非线性校正，滑动平均宽度 2，波长范围 190nm~600nm。

2）由荧光分光光度计对油样进行三维荧光扫描，参数设置：EX Start WL：200.0nm；EX End WL： 600.0nm；EM Start WL：200.0nm；EM End WL： 700.0nm；Scan speed：2400nm/min；Delay：0.0s；EX Slit：2.5nm；EM Slit：2.5nm；PMT Voltage：700V； Response：0.5s， 根据变压器油老化产物成分中不同物质受光照射时所发生的荧光特性及光谱的强度对 变压器油老化进行分析。

3）在试验室搭建的拉曼光谱检测平台上进行变压器油的拉曼光谱扫描，采用 50×物镜（N.A.=0.60）， 为了减小强激光信号对油样产生的影响，检测积分时间设定为 3s、 积分次数 100 次 ， 光 栅 选 择1200BLZ=500nm，速度设为 100nm/min，检测变压器油老化产生的特征物质分子信息。

4）利用傅立叶变换红外光谱仪对变压器油进行

红外光谱测量。用连续改变波长的红外光照射样品， 光谱范围 4000cm-1~500cm-1，扫描次数 32 次，分辨率 4cm-1，根据油中各成分定性分析结果查知其基团结构， 各种基团对应特定的红外特征吸收峰， 由峰位置、吸收强度对油样中各成分进行定量分析。

试验结果与讨论

3.1机车变压器油的紫外光谱特征检测

紫外光谱的横坐标为吸收光的波长， 纵坐标为吸收光的强度，纵坐标可以用吸光度（A）或透过率（T）表示，二者关系为 A=log(1/T)。 有机物的种类可以通过对比光谱的峰位判断，在物质大类相同时，有机物的含量可以通过吸光度大小判断。

变压器油老化过程中会产生 C=C 和 C=O 特征基团， 且共轭的 C=C 基团和 C=O 生色基团均会产生紫外吸收。 三份变压器油样品的紫外光谱图如图2 所示。 从图中可以看出，在 400nm~600nm 可见光部分， 三份样品吸光度几乎为 0； 三条曲线在200nm~250nm 和 400nm~600nm 波段重合在一起，表明在这些波段变压器油的吸光度不受油老化的影响。 在 200nm~400nm 的近紫外区，三份样品的吸光度很大， 在 300nm~350nm 波段吸光度发生很大变化，2 号油和 3 号油样在此处的吸收峰明显变宽，强度也有增强， 随着油的使用程度加深其吸光度相应升高， 这表明此范围段的光吸收受变压器油老化的影响很大， 将来可作为变压器油老化状态监测的着眼点。 在 250nm~300nm 波段，吸收也有一些增加，但远不如 300nm~350nm 段。

3.2机车变压器油的荧光光谱特征检测

荧光分析方法是根据物质的荧光谱线位置及其强度鉴定物质种类并测定物质含量。 从图 3 可以明显看到，1 号油 λex310nm/λem370nm 处有一个明显的

荧光峰 a， 荧光强度达 800；λex340nm/λem400nm 处有一个峰 b， 强度达 500。 2 号油中荧光峰 a 偏移到λex300nm/λem350nm 处，强度增强到 1000；同时，荧光峰 b 没有变化。 3 号油荧光峰 a 几乎消失，荧光峰 b 强度由 500 减弱至 450。 从图 4 可以明显看到，与 1 号新油相比，2 号油荧光峰由 370nm 蓝移至 350nm， 强度由 800 增加到 1000；3 号油荧光峰红移至430nm，强度减弱到 400。

变压器油经过出场试验后，荧光物质含量增加， 随着机车运行 126 万公里后， 变压器油中荧光物质含量减少，种类发生变化，荧光光谱出现红移。 根据变压器油的荧光光谱特征， 可以通过变压器油λem300nm~600nm 位置处的荧光峰位置、强度和峰面积变化来判断油品老化状态， 实现变压器油的品质监测，该方法灵敏度高，判别方便。

3.3机车变压器油的拉曼光谱特征检测

拉曼光谱作为一种散射光谱， 包含两种频率相差 V 的斯托克斯光与反斯托克斯光，V 包含样品物质的特征信息，被称为拉曼频移。拉曼谱线的数目和长度，以及频率变化，与分子的振动或转动能级直接相关。因此，通过拉曼光谱可以获得变压器油中老化产生的特征物质分子信息，且该方法不接触样品，具有良好的重复性。

变压器油样品拉曼光谱检测图如图 5 所示，可以看出， 与 1 号新油相比，2 号油和 3 号油在 300cm-1 附近处的峰存在增强， 为 C-H 键伸缩振动和C-H 键反对称伸缩振动，对照变压器油中故障特征气体的特征频谱表（表 4），得知此处为 CH4 和 C2H6 的峰， 可知运行 126 万公里的 3 号油样生成了 CH4 气体和 C2H6 气体； 在 1938cm-1 处的峰存在增强，为C-H 键和 C-C 键伸缩振动，分析原因，可能是随机车运行变压器油中产生了 C2H2 气体。 由于油品未经处理直接测量，拉曼散射效应本身相对较弱，通常约106 个~108 个入射光光子只发生一次拉曼散射，将其直接用于油中溶解气体检测时， 由于气体的拉曼散射截面较小，加之故障特征产物含量较低，因而检测灵敏度较低， 后续通过增强拉曼的手段可增加检测灵敏度。

3.4机车变压器油的红外光谱特征检测

变压器油红外光谱中吸收峰对应的老化产物主要官能团见表 5，官能团的数目对应吸收峰的强度。通过红外光谱可以定性定量地分析变压器油老化产物的官能团随老化程度的变化。

三种变压器油的红外光谱如图 6 和图 7 所示。随着变压器油使用程度的加深， 其红外吸收峰的位置不变，吸收峰的数目不变，但在老化过程中特征吸收峰强度发生变化。

图 6 中约 2859cm-1 处为甲基 C-H 伸缩振动吸收峰， 约 2912cm-1 处为亚甲基 C-H 伸缩振动吸收峰，约 1736cm-1 处为酯中 C=O 伸缩振动吸收峰。 图

7 为 900cm -1 ~1400cm -1 范围的红外光谱图 ， 约1389cm-1处吸收峰为亚甲基的 C-H 弯曲振动， 约

1158cm-1、1010cm-1 处吸收峰为 C-O-C不对称伸缩振动。 从 3470cm-1 处特征峰可观察到，1 号新油及 2 号油在 3470cm-1 处均有酚类 O-H 伸缩振动吸收峰，3 号油 O-H 的吸收峰减弱， 说明随着电力机车运行，变压器油中酚类抗氧化剂在不断消耗。同时，可观察到 3 号油在 1726cm-1~1766cm-1 处有 C=O 伸缩振动，这是油中醛和酸类物质吸收峰，说明油已发生氧化降解。红外光谱检测结果表明，变压器油随着机车运行， 油中酸类物质不断增多，C=O 伸缩振动吸收峰增强，O-H 伸缩振动吸收峰减弱。

3.5各光谱定性监测方法的对比

分析机车不同运行工况下变压器油的紫外、荧光、拉曼和红外光谱图特征可以看出，其紫外谱图和荧光谱图随着变压器油的老化程度加剧， 相应位置的峰出现明显变化， 同时由红外谱图和拉曼光谱可以识别出变压器油的老化特征产物变化。 四种光谱技术都可以作为变压器油品质变化的监测手段，如表 6 所示，与传统色谱/质谱手段相比，具有灵敏度高、效率高等优点，光谱设备无机械结构耗材，稳定性高。同时，结合便携化中小型光谱分析设备可实现机车变压器油的现场快速评估。

4结论

机车变压器油随着老化程度加剧，其紫外光谱在300nm~350nm 波段吸光度增大，荧光光谱在λem 300nm~600nm 范围变化明显，拉曼光谱在 3000cm-1和 2000cm-1 附件明显增强，可判断溶解气体的产生， 红外光谱能清晰的判断油中酚类抗氧化剂和酸类物质的变化。 变压器油光谱图变化与变压器油老化特征之间存在对应关系，可以作为变压器油品质评估的依据，从而克服传统方法检测时间长、操作复杂等缺点。 变压器中绝缘纸也会随机车运行发生老化，可能会产生与变压器油老化产物含有相同特征官能团的物质，存在相互影响，这使得利用光谱技术研究变压器油老化规律变得复杂起来。后期有待于通过科学的方法来分离这一影响因素。

光谱检测手段用在变压器油老化的监测上具有快速、 操作简便、 设备简单及成本低等优点，同时，利用现在市场上已有的便携式光谱仪，通过与计算机和相关模型的搭配，可以实现变压器油现场便携式快速检测，与传统试验室大型检测设备相比能够降低成本，可以第一时间掌握变压器油老化状态，降低安全事故的发生几率。