一种无需油气分离的变压器油中溶解烃类气体检测系统

技术领域

本发明属于光学传感系统技术领域，具体而言，涉及一种无需油气分离的变压器油中溶解烃类气体检测系统。

背景技术

当油浸式电力变压器内存在故障或在故障形成过程中，变压器内部绝缘材料会分解产生小分子烃类气体并不断溶解在油中。通过对变压器油中溶解气体种类及含量进行监测可以对变压器运行状态进行判断，有助于及时发现变压器内部早期故障。因此，变压器油中溶解烃类气体检测系统的实时性、灵敏度和准确性至关重要。

近年来，随着学科间的交叉融合，基于光学传感原理的变压器油中溶解烃类气体检测技术愈发受到研究人员的关注。相比于传统气相色谱法、半导体传感器等物理化学传感器，光学气体传感器具有绝缘性能好、抗电磁干扰性能强、灵敏度高等优势，逐渐成为变压器油中溶解烃类气体检测研究热点所在。

而现有变压器油中溶解烃类气体光学检测技术大多在气相环境中开展，难以直接在油相环境下直接检测。因此，在开展气体检测前均首先需要从变压器取油口取油样后进行油气分离，再对故障气体的成分与含量进行测试。然而，特征气体从故障点扩散到变压器取油口需要数小时到数十小时，甚至分解产生于“死油区”的故障气体难以到达取油口。现有变压器油中溶解烃类气体光学检测技术无法及时反映变压器运行状态。同时，当前油气分离方法主要有真空脱气法、顶空脱气法和分子筛膜法。真空脱气法、顶空脱气法虽然可以较快地实现油气分离，但是装置结构复杂，无法内置于变压器油箱中。分子筛膜法具有结构简单的特点，但油气分离耗时长达数十小时，实时性差。此外，现有油气分离技术脱气分散性大，导致检测结果分散性大，难以准确评价变压器运行状态。

为实现无需油气分离的变压器油中溶解烃类气体的直接光学检测，国内外研究人员曾直接将激光器发出激光入射变压器油样进行光谱吸收检测，但由于激光光强在变压器油中衰减严重，因此普遍认为无法在变压器油环境中直接对小浓度溶解烃类气体开展光谱吸收型光学检测。

通过研究发现，激光在变压器油中传播时，变压器油样空间尺寸远大于光束半径，光束将向四周发散，进而导致激光光强衰减严重。针对上述不足，有必要提出一种传感元件可内置于变压器内且无需油气分离的变压器油中溶解烃类气体原位检测系统，以提高检测速度；并且激光光束半径在传感元件内传播时可以被有效束缚，以提高检测灵敏度。

发明内容

本发明的目的是提出一种无需油气分离的变压器油中溶解烃类气体检测系统，其特征在于，由泵浦模块、传感元件、探测模块以及数据采集模块组成。其中，泵浦模块由泵浦光源、控制器和掺铒光纤放大器等组成；传感元件由油芯光子晶体光纤构成，内置于变压器油中。探测模块由探测光源、马赫增德尔干涉仪、声光调制器等构成。数据采集模块主要包括平衡光电探测器、数据采集卡和计算机。

所述泵浦模块中，控制器用于控制泵浦光源的驱动电流与温度。泵浦光源输出强度周期性调制的泵浦光依次经过光隔离器1以及掺铒光纤放大器，并通过光环形器入射进入马赫增德尔干涉仪中的油芯光子晶体光纤内。

优选地，所述泵浦光源的中心波长位于气体吸收谱线最强处，输出功率典型值大于5mW，线宽不大于3MHz，并且可通过改变控制器输出驱动电流实现输出泵浦光强度调制，且最大调制频率不小于25kHz。

优选地，所述掺铒光纤放大器输入光功率范围满足-40~3dBm，饱和输出光功率不小于20dBm，最大增益不小于25dB，并且可工作于自动增益控制模式。放大后泵浦光功率不小于40dBm。

所述油芯光子晶体光纤由空心光子晶体光纤制备而成，中央芯区内充有待测变压器油，中央芯区内变压器油折射率高于包层折射率，不低于95%的激光可以被有效束缚在所述油芯光子晶体光纤微米量级的中央芯区内传播。油芯光子晶体光纤不仅作为泵浦光与探测光的传输路径，还用作实现泵浦光被变压器油中溶解烃类气体吸收以及激发光热效应的场所，将溶解烃类气体含量信息转换为光相位信息。

优选地，所述油芯光子晶体光纤工作波段范围不小于1490~1680nm，中央芯区半径不超过5μm，油芯光子晶体光纤长度不小于1.0m，以保证检测系统近红外传感需求。

优选地，所述油芯光子晶体光纤两端均与单模光纤利用光纤熔接机实现熔融连接，整体熔接损耗不大于3.5dB。

优选地，所述油芯光子晶体光纤表面加工有深至中央芯区的微通道，微通道尺寸大于变压器油分子直径且不超过3μm，相邻两微通道间距不大于20cm，以保证油芯光子晶体光纤光传输性能以及中央芯区内外变压器油交换需求。

优选地，所述油芯光子晶体光纤可布置于变压器内距变压器油箱顶部15cm~20cm处及高压绕组上部。通过上述布置方式可减小故障气体对流扩散至油芯光子晶体光纤的时间，提高检测实时性。

所述探测模块中，探测光源输出探测光经过1×2光纤耦合器分别进入马赫增德尔干涉仪的传感臂与参考臂中。声光调制器用于对光信号进行频移，以降低系统粉噪声影响。油芯光子晶体光纤位于马赫增德尔干涉仪的传感臂内，声光调制器位于马赫增德尔干涉仪的参考臂内。两束光在2×2光纤耦合器处发生干涉，干涉光最终被光电探测器接收。

优选地，所述探测模块中探测光源输出波长应位于溶解烃类气体吸收谱线最弱处，线宽不大于5kHz。

优选地，所述声光调制器选用Gooch &Housego公司生产的声光调制器，频移量为200 MHz，插入损耗不大于5dB。

所述1×2光纤耦合器以及2×2耦合器的耦合比为50:50或者10:90或者5:95。

相比现有技术，本发明的有益效果如下。

（1）无需油气分离。本发明中使用表面加工有微通道的油芯光子晶体作为传感元件，变压器油可以进出油芯光子晶体光纤中央芯区，激光始终被限制在油芯内传播，可以充分与溶解烃类气体直接接触，可以在液相下直接进行光学检测。

（2）检测周期短。本发明中传感元件具有体积小、绝缘性能优异、耐压、抗电磁干扰等优点，能够直接内置于变压器油箱中，极大缩短了故障气体从故障点扩散到测量点所需时间，提高了检测实时性。

（3）测试方法精度高。本发明将光热光谱技术与外差干涉结构相结合，将气体含量信息转换为光相位信息，显著提高检测精度，达到不低于5ppm量级的变压器油中溶解烃类气体的直接检测。

附图说明

图1为变压器油中溶解烃类气体全光纤光热光谱原位检测系统示意图。

图2为油芯光子晶体光纤示意图。

图3为油芯光子晶体光纤内光热光谱技术原理图。

图4为传感元件布置位置示意图。

具体实施方式

本发明提供一种无需油气分离的变压器油中溶解烃类气体检测系统，下面结合附图予以说明。

参见图1，本发明实施例提供了一种无需油气分离的变压器油中溶解烃类气体检测系统，包括泵浦光源、控制器、光隔离器1、掺铒光纤放大器、光环形器、探测光源、光隔离器2、1×2光纤耦合器、油芯光子晶体光纤、声光调制器、2×2光纤耦合器、平衡光电探测器、采集卡以及计算机。

参见图1，控制器通过控制泵浦光源的驱动电流与温度使泵浦光源输出特定波长的窄线宽泵浦光，并且通过周期性改变驱动电流输出实现泵浦光的强度周期性调制。调制泵浦光通过光隔离器1后进入掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器对调制泵浦光进行恒定增益倍数放大，随后放大后的调制泵浦光由光环形器的1端口入射，2端口出射进入油芯光子晶体光纤。该调制泵浦光被油芯光子晶体光纤内的溶解烃类气体吸收，诱发光热效应，导致中央芯区内温度周期性变化。探测光源输出的探测光依次经过光隔离器2以及1×2光纤耦合器后分别进入马赫增德尔干涉仪的传感臂与参考臂中。其中，油芯光子晶体光纤位于马赫增德尔干涉仪的传感臂内，声光调制器位于马赫增德尔干涉仪的参考臂内。在传感臂内传播的探测光通过油芯光子晶体光纤时，由于中央芯区内温度周期性变化，探测光相位同样被周期性调制；在参考臂内传播的探测光被声光调制器移频，以降低系统粉噪声的影响。传感臂与参考臂内的探测光在2×2光纤耦合器处发生干涉，干涉光最终被光电探测器接收并转化为电信号被数据采集卡采集，经计算机编程处理后解调得到相位调制信息。

参见图2，本发明所述油芯光子晶体光纤由空心光子晶体光纤制备而成，中央芯区填充有变压器油。光纤表面沿轴向方向利用聚焦离子束技术加工有深至中央芯区的微通道；并且油芯光子晶体光纤两端与单模光纤通过熔接方式对接。变压器油箱内的变压器油可以通过微通道进出中央芯区，变压器油仅填充油芯光子晶体光纤中央芯区内以及被微通道贯穿的包层空气孔。由于油芯光子晶体光纤的中央芯区内变压器油折射率高于包层折射率，激光被束缚在中央芯区内低损耗传播。并且变压器油中溶解烃类气体随中央芯区内外变压器油交换而进出中央芯区，从而实现无需油气分离的变压器油中溶解烃类气体检测。

参见图3，本发明所述光热光谱技术是一种基于光热效应的高灵敏度光谱检测技术。溶解烃类气体吸收特定波长的泵浦光后溶解烃类气体分子能级将发生变化，并伴随有热量的产生，进而引起温度变化。温度变化将导致探测光在变压器油中折射率改变，可以表现为探测光相位的变化。当泵浦光强度周期性变化时，由光热效应诱发的温度变化将以相同的周期改变，进而探测光相位也按照相同的周期变化。通过对探测光相位周期变化强度进行检测可以有效反映变压器油中溶解烃类气体浓度，从而对变压器运行状态进行判断。

参见图3，溶解烃类气体吸收特定波长的泵浦光后激发光热效应，不同溶解烃类气体在近红外波段吸收特性各不相同，因此必须明确各溶解烃类气体的近红外吸收谱线。应着重考虑溶解烃类气体吸收谱线强度以及不同溶解烃类气体间的交叉干扰。为实现变压器油中溶解烃类气体的高灵敏度检测，乙炔检测的泵浦光波长选择为1530.37nm，甲烷检测的泵浦光波长选择为1653.72nm，乙烯检测的泵浦光波长选择为1620.04nm，乙烷检测的泵浦光波长选择为1679.06nm。此外，由光热光谱技术原理可知，探测光波长应位于溶解烃类气体吸收谱线最弱处，因此探测光源输出波长选择为1550nm。

参见图4，本发明所述油芯光子晶体光纤内置于变压器油箱中。将用于气体检测的油芯光子晶体光纤放置于温度高、场强大、产生故障气体概率较大处或“死油区”，极大缩短故障气体对流扩散至测点所需时间。