一种用于油中微水检测的传感器

技术领域

本发明涉及一种基于光纤S锥结构探头的油中微水传感研究，属于在线监测以及绝缘故障检测技术领域。

背景技术

大型油浸式变压器作为电力系统运行中的重要设备之一，其运行状态直接关系到电力系统的安全与稳定。变压器油是电力变压器内部重要的绝缘介质，变压器油主要有绝缘、散热和消弧这三大作用。研究表明大型电力变压器的运行可靠性在很大程度上取决于其绝缘状态，因此维持电力变压器的正常绝缘水平对变压器安全运行是十分关键的。正常的变压器油几乎不含水分，但在长期运行过程中，由于各种绝缘材料的分解以及空气中的水分混入等因素的共同作用下，变压器油中出现一定的微量水分，且在变压器运行期间若没进行干燥和脱水处理，变压器内部的水分会有逐渐增加的趋势。

作为液态绝缘材料的变压器油，当其微水含量逐渐上升时，水分不仅能降低绝缘系统的击穿电压和增加介质损耗，而且它还将直接参与油纸纤维等高分子材料的化学降解反应，促使这些材料降解老化，从而加速绝缘系统各项性能的劣化；当油中微水含量超过一定阈值时，设备的绝缘性能将大大降低，严重时可导致绝缘击穿、烧毁设备等重大事故。并且微水和油中的有机酸类相结合，不仅会降低变压器油的绝缘能力还会导致灭弧能力的丧失。根据我国有关标准(GB/T7595-2000)规定：35kV及以下电压等级的变压器，运行中的油的击穿电压要求不应低于30kV，而对于500kV电压等级的变压器，运行中的油要求其击穿电压应50kV。通过监测变压器油中的含水量，不仅可以防止变压器油绝缘强度降低至危险水平，而且根据油中水分含量的大小还可以对变压器整体绝缘状况进行评估和对设备的密封性做出判断。因此实现对变压器处于运行状态的微水含量的在线检测，能够及时发现变压器潜在故障的变压器在线检测系统具有实际的需求和意义。

国内外对油中微水含量检测的技术方案有卡尔·费休化学滴定、介电响应、色谱法测定等离线检测手段，但离线检测检测需抽取油样、运输至指定实验室测量等操作，易导致油样污染，且无法及时反映微水含量的变化；在线电学包括电容传感、低通滤波、超声波等检测手段，但均面临电磁干扰、使用环境受限的挑战；以光谱检测、光纤光栅、聚合物光纤为典型的在线光学传感技术仍存在交叉敏感、灵敏度不足等问题。

对此，本发明借助光纤S锥结构探头的光学传感手段，针对油中微水含量进行测量，为实现微水的实时监测奠定理论和技术基础。进一步地，本发明所提出的光纤微水传感器可拓展至不同油品中的微水检测需求，比如润滑油、冷却油、导热油等工业应用和场景中，甚至可以实现在线分布式实时检测和分析。

发明内容

发明目的：

本发明的目的就在于解决上述问题，提供一种用于油浸式变压器运行系统中微水含量的在线检测方法，依据光学光纤的传感方式测量油中微水含量，诊断变压器油的绝缘状况。基于油中微水含量直接影响折射率数值，本发明提供一种对环境折射率变化反应灵敏的光纤S锥结构探头，达到对油中微水含量进行实时跟踪和高灵敏度检测，为是否更换变压器油提供数据支撑，滤除微水因素导致的绝缘故障问题，一定程度上保障了油浸式变压器的正常运行。

技术方案：

为实现上述目的，本发明提供一种应用于油浸式变压器的由微水含量导致运行系统绝缘故障测试与诊断系统，包括：光源、光纤S锥结构探头、光电转换单元、电信号数据采集单元和微水含量折算单元。

所述光源、光纤S锥结构探头、光电转换单元依次以光纤方式连接，光电转换单元和电信号数据采集单元采取电气方式连接，数据采集输出后进入微水含量折算单元。

所述光源若为窄带光源，则光纤S锥结构探头传输微水含量的光强信号经光电转换单元转换为光功率衰减幅值；光源若为宽带光源，光电转换单元通过波长偏移信号测量油中微水的含量。

所述光纤S锥结构探头由输入单模光纤模块、光纤S锥段和输出单模光纤模块组成。

所述光纤S锥结构探头具备锥腰直径、轴向偏移量和结构长度三个结构参数；光纤S锥结构探头具备检测灵敏特性的要求是锥腰直径和轴向偏移量取值在一定取值范围内，在此区间锥腰直径越细、轴向偏移量越大，其检测灵敏度逐渐增高，对应检测下限取值更低，基于此构建不同检测灵敏度的光纤S锥结构探头的测量分类模型。

所述光纤S锥结构探头的锥腰直径与单模光纤的直径比值不低于20％、不高于40％；同理，轴向偏移量比值不低于20％、不高于50％，可使光纤S锥结构探头同时具备检测灵敏性能和良好的机械特性。

所述光纤S锥段需完全浸没于待测区域油样中，并确定光纤S锥结构探头处于不受应力状态。

所述光纤S锥结构探头基于环境折射率变化反应敏感这一原理测量油中微水的含量，油中的温度、老化等影响因素会导致油中的折射率发生变化，在实际在线检测过程中需根据实际工况开展校准测试以补偿温度、油样劣化对传感器检测精度的影响，增强S锥结构探头在多种工况下的测试能力。

所述考虑到光纤S锥结构探头的机械强度，为增强其实用性和可靠性，光纤S锥结构探头设置有中空非金属材质封装结构，封装结构的光纤出孔轴向差值与S锥段轴向偏移量保持一致，减少或避免S锥段的机械受力和油流的冲击，确保S锥结构探头的机械性能；同时，中空封装结构设置了贯穿通孔，增强S锥段与待测油样的充分接触。

根据本发明的一个方面，所述的光纤S锥结构探头检测是光学传感方法，具有检测精度高、制备工艺简单、制备重复率好、抗电磁干扰和对温度影响不敏感等突出优势。

所述的应用于油浸式变压器的微水绝缘故障测试与诊断系统，其特征在于，还包括微水含量折算单元对采集的数据进行特征处理，完成对变压器油中微水的含量进行折算分析；

根据本发明的一个方面，所述的光纤S锥结构探头通过光学传感和光电信号转换获取油中微水的含量特征，根据油中微水含量的阈值诊断条件诊断油浸式变压器系统处于正常工作或发生受潮故障两类诊断结果，决定是否及时进行更换变压器油。根据光纤S锥结构探头的检测灵敏度和检测下限，无需对变压器微水故障特征实施预处理步骤，可迅速构建光纤S锥结构探头的分类传感模型进行变压器油中微水含量检测。

根据本发明的一个方面，所述的单个光纤S锥结构探头用于油中微水含量检测时可包含1个或若干个S锥段，从而有助于实现多个位置的准分布式测量和分析。

根据本发明的用于油浸式变压器微水含量检测的具体方案，实际能够取得以下技术效果：

(1)根据油浸式变压器本身的微水含量传感信息来进行绝缘状态测量，保障了绝缘诊断的准确性；

(2)光纤S锥结构探头采取光学在线检测传感手段，具备检测精度高、抗电磁干扰、使用寿命长等独特优势，保障了油中微水含量实时检测结果的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图1为本实施例的油中微水含量检测的流程；

附图2为本实施例的光纤S锥结构探头制备单元；

附图3为本实施例的典型光纤S锥结构探头示意图；

附图4为本实施例的典型光纤S锥结构探头外加封装示意图；

附图5为本实施例的实验平台测量不同微水含量时得到的典型光功率衰减幅值图形。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优势能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。

本发明涉及的一种实施例的油中微水含量检测的流程如图1所示，利用单模光纤制备光纤S锥结构探头的过程示于图2，得到如图3所示的典型光纤S锥结构探头，图4为光纤S锥结构探头设置有中空非金属材质封装结构，图5为光纤S锥结构探头测量微水含量变化时的典型光功率衰减幅值图形。依据光纤S锥结构探头的检测灵敏特性、检测下限和输出光功率衰减幅值在线测量油中微水的含量，基于油中微水含量阈值标准进一步诊断油中的受潮情况和故障程度。在本发明中油中微水含量检测的流程包括光源1、光纤S锥结构探头2、光电转换单元3、电信号数据采集单元4和微水含量折算单元5。其中制备光纤S锥结构探头需要单模光纤201、光纤夹具202和S锥段制备区203，光纤S锥结构探头设置有中空非金属材质封装结构401和贯穿通孔402。由光纤S锥结构探头制备单元2获取不同结构参数即不同检测精度的光纤S锥段，基于光纤S锥结构探头检测灵敏度建立分类模型。光纤S锥结构探头测量油中微水含量时根据检测流程1进行光传输、光电转换和电信号数据采集，采取微水含量折算单元处理数据，得到如图5所示典型的光纤S锥结构探头输出光功率衰减随微水含量变化的电压值图形，利用光纤S锥结构探头实时跟踪测量的特性对变压器油微水含量情况进行诊断并判定其绝缘状态。

以下以一种具体实施方式说明本发明。

单模单芯光纤跳线(纤芯直径9μm，包层直径125μm)作为基础元件，将裸纤置于光纤夹具进行固定，制备多种锥腰直径、轴向偏移量的光纤S锥结构探头，用于实际检测时光纤S锥结构探头采取外加封装的方式以增强机械强度，将光纤S锥段放置中空非金属材质圆柱体封装结构中并进行固定，保证封装结构的光纤出孔轴向差值与S锥段轴向偏移量保持一致，同时，中空封装结构设置类似蜂窝形状的贯穿通孔，其通孔直径大概为光纤S锥结构探头锥腰直径数值的20倍。

根据光纤S锥结构探头的检测灵敏度和检测下限建立分类模型，考虑光纤S锥结构探头的锥腰直径越细、轴向偏移量越大，其检测灵敏度逐渐增高，对应检测下限取值更低，但同时需考虑机械强度和和制备难度。实际测试时制备锥腰直径30～50μm、轴向偏移量30～60μm的光纤S锥结构探头，并对其建立分类模型，根据检测灵敏度需求采取对应模型检测微水含量。

实际检测时将光纤S锥段的圆柱体封装结构完全浸没在油中待测区域中，放置时确定封装结构处于不受应力状态。光纤S锥段的输入端单模单芯光纤连接至光源，输出端单模单芯光纤连接到光电转换单元。光电转换单元和电信号数据采集单元采取电气方式连接。

若对油中多个位置的微水含量进行分布式测量和分析时，用于检测的单个光纤S锥结构探头包含了若干个S锥段。

光源提供光强，经由光纤S锥结构探头传输至光电转换单元，电信号数据采集单元负责采集光信号转换成的电信号，数据特征处理对电信号进行微水含量折算分析。光纤S锥结构探头检测的光功率衰减幅值随油中微水含量变化的走势示于图4，基于光纤S锥结构探头的检测灵敏度和检测下限反演油中微水含量，将光纤S锥结构探头每次对油中微水含量的光功率幅值衰减的测试响应看作一个定量系统，当多组数据信息进行处理后呈现出一定的规律时，使用作图方式将光纤S锥结构探头的传感灵敏度、检测下限、光功率衰减幅值与油中微水含量联系在一起。

经过多组试验反复测试，典型数据处理图形如图5所示。通过光纤S锥结构探头的检测灵敏度和输出光强度衰减幅值可以达到实时精确测量油中微水的含量，通过与正常工作状态下油中微水含量阈值对比诊断目前油中的工作状态和运行趋势，确认是否受潮及发生故障的可能性，以便及时更换变压器油。光纤S锥结构探头实现了在线跟踪油中微水含量变化的趋势，满足了油浸式电力变压器的微水检测需求。

考虑到油中处于运行状态时的环境温度、老化等影响因素会导致油中的折射率发生变化，从而影响到微水含量测量的准确度。本发明中基于温度变化因素采取在实际在线检测过程中需提前进行校准工作以补偿对传感器检测精度带来的影响；相较于微水含量变化对折射率产生影响的速率和效果，油老化问题需要很长的时间周期才会对其造成一定的影响，为进一步保证检测结果的高精确性，实际操作时需采取对变压器油定期标定校准的措施以降低油老化问题对检测精度带来的影响。

根据本发明的上述设置，实际能够取得以下技术效果：

(1)根据光纤S锥结构探头检测的变压器油中微水含量信息进行受潮程度在线诊断，基于检测信息决定是否及时更换变压器油，保障了变压器油绝缘检测的准确性；

(2)光纤S锥结构探头作为传感器具备制备工艺简单、成本低廉、重复性高、抗电磁干扰等突出优势，且检测灵敏度和检测下限均满足油浸式电力变压器的微水在线检测需求，保障了油中微水测量结果的可靠性，为油中微水含量测量提供新的技术方案；

(3)基于光纤S锥结构探头的油中微水传感器可以实现单点或多点空间分布式检测和分析，提升检测的能力和效果。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员应当知道，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。