基于红外光谱吸收的变压器油中溶解气体检测装置

摘要

本发明属于电力设备检测技术领域，尤其涉及一种基于红外光谱吸收的变压器油中溶解气体检测装置。包括：光源系统单元，由大功率超连续谱宽带光源、光源控制器和光开关组成，实现光源的输出复用控制；传感布置单元，由光纤布拉格光栅氢气传感器串联波分复用和空心光子晶体光纤内光谱吸收传感两种传感路径在油浸式电力变压器腔体内布置而成；检测采集分析单元，由波长解调装置、光强探测器和数据采集与分析装置组成，对光纤光栅氢气传感器的波长偏移量和光谱吸收的强度进行检测，数据采集与分析装置将数据进行记录并计算得到对应的故障气体的种类与含量，在此基础上，对变压器油的绝缘情况进行评估、定位、分析和预测。

说明书

技术领域

本发明属于电力设备检测技术领域，尤其涉及一种基于红外光谱吸收的变压器油中溶解气体检测装置。

背景技术

变压器是电力系统中的重要电气设备之一，一旦变压器发生故障，将会带来严重后果。油中溶解气体分析是诊断油浸式大型电力变压器潜伏性故障最有效的方法之一。变压器油中溶解气体分析技术基于油中溶解气体类型与内部故障的对应关系，采用气相色谱仪分析溶解于油中的气体，根据气体的组成和各种气体的含量判断变压器内部有无异常情况，诊断其故障类型、大概部位、严重程度和发展趋势，通过油中气体分析，对早期诊断变压器内部故障和故障性质提出针对性防范措施、实现变压器不停电检测和早期故障诊断等安全生产要求的满足都具有极为重要的指导意义。采用故障特征气体在线监测手段可以克服传统离线试验周期长，从取样、运送到测量环节多，操作繁琐的缺点，能在线持续监测气体组分，贮存长期的检测结果，提供完整的趋势信息，对及时发现潜在故障，确定变压器的维护周期，进行寿命预测，实现状态检修具有决定性的作用。

红外光谱吸收是进行气体成分检测的一种重要方法，其理论基础是Lambert-Beer定律(朗伯比尔定律)，即光被透明介质吸收的比例(入射光与透射光之比的对数)与入射光的强度无关，其吸光度与吸光物质的浓度及吸收层厚度成正比。因此，根据光通过气体时的光强衰减情况就可以计算出气体浓度。红外光谱吸收方法存在一些优点：纯光学测量，不需要将光信号转化为声信号，避免了振动噪音信号干扰；可以内置于变压器中，降低了响应时间；测量影响因素少，抗干扰能力强。

气体光声光谱法是通过检测气体分子对激光光子能量的吸收来定量分析气体的浓度，它属于测量吸收的气体分析方法，相对于直接测量光辐射能量的检测方法增加了把热能变成声音信号的过程，也属于热测定的方法。如果把光源用某种声频进行调制，在一个特制的光声池中就可以通过微型拾音器探测到与频率相同的声音信号，这就是待测的物质光声信号。如将光声光谱法应用于变压器油中气体含量在线监测，具有检测灵敏度高，需要的样气极少，从而大大地减少油气分离时间，缩短了测量周期；对比傅立叶红外光谱法，除了常规的烃类气体外，还能检测氢气，且测量精度更高；无需任何载气，方便设备的维护；无需定期标定；无需预热、检测时间快；稳定性好，使用寿命长等。

现有红外光谱吸收方法也存在一些缺点：

①红外光谱吸收方法的气池体积超微气池的体积达到100mL。

②在特征吸收谱线的选择上，傅立叶红外光谱受气池长度的限制，只有在较强的特征吸收处进行测量，才能获得足够的灵敏度，因而，有时不得不在气体特征吸收的重叠处测量，存在交叉敏感问题。

③红外探测器依靠对光子的检测和分析实现气体传感，测量灵敏度低。

气体光声光谱法尽管有诸多优点，但现场应用发现光声光谱也存在以下若干缺点：

①需要使用渗透膜或抽真空取气的方式将气体从油中分离出来，需要将油引到变压器外，响应时间长，存在有污染的风险。

②需要使用微音器这种电子设备，因此测量传感器无法内植于变压器中，延长了响应时间，不能进行气体定位。

③光声光谱技术通过微小声音检测实现气体浓度传感，变电站现场噪音较高，光声光谱法最低检出限制受到影响。

④温度、背景气体类型以及光声池的品质因数都会影响光声光谱法测量结果，限制测量精度。

发明内容

为了克服现有光学监测手段存在的缺陷，以满足电力变压器内部油中溶解气体监测的特殊要求，本发明提出了一种基于红外光谱吸收的变压器油中溶解气体检测装置。

该装置由光源系统单元、传感布置单元、检测采集分析单元组成；其中，光源系统单元由大功率超连续谱宽带光源、光源控制器和光开关组成，传感布置单元由氢气传感支路和多气体传感支路在油浸式电力变压器腔体内布置而成，检测采集分析单元由波长解调装置、光强探测器或光谱仪和数据采集与分析装置组成；

光源控制器分别与大功率超连续谱宽带光源和光开关相连，大功率超连续谱宽带光源通过单模光纤与光开关相连，光开关分别与氢气传感支路和多气体传感支路相连，氢气传感支路通过波长解调装置与数据采集与分析装置相连，多气体传感支路通过光强探测器或光谱仪与数据采集与分析装置相连。

所述氢气传感支路由多个分布在油浸式电力变压器腔体内的氢气传感器通过单模光纤串联而成；氢气传感器为在表面上涂覆有氢敏材料的光纤布喇格光栅，氢敏材料包括金属钯或钯的合金。

所述多气体传感支路包括：单模光纤和环形衰荡腔，环形衰荡腔通过单模光纤与光开关和光强探测器连接。

所述环形衰荡腔包括：光纤耦合器和空心光子晶体光纤，其中两根空心光子晶体光纤的两端分别连接一个光纤耦合器，形成环形光学折反射腔；两个光纤耦合器分别与单模光纤连接。

所述空心光子晶体光纤的表面上有钻孔，孔径大于气体分子直径而小于变压器油的分子直径，以阻止变压器油的大分子进入到光纤内部，实现油气的分离。

所述空心光子晶体光纤的型号为HC-1550-02或者HC19-1550-01。

所述光纤耦合器的耦合比为10:90或者1:99或者0.5:99.5。

所述大功率超连续谱宽带光源，光谱输出波段不低于500～2000nm，总输出功率不低于100mW，平均功率密度不低于50μW/nm。

该装置的工作方法包括：

步骤1、光源控制器控制大功率超连续谱宽带光源依次发出不同波长的激光，激光经过光开关的复用控制实现依次向多根氢气传感支路和多根多气体传感支路发射激光；

步骤2、氢气传感器上的氢敏材料吸收氢气后体积膨胀导致光纤布喇格光栅波长偏移，波长解调装置将检测到的波长偏移量数据传送到数据采集分析装置；

步骤3、空心光子晶体光纤与光纤耦合器组成高反射率的环形光学折反射腔，油中气体分子通过空心光子晶体光纤的钻孔进入光纤空心区域，光强探测器通过探测不同波长激光被气体吸收后的光强衰减频率来检测气体吸收强度；

步骤4、数据采集分析装置将波长解调装置检测到的波长偏移量折算出氢气的浓度值和增长率；

步骤5、数据采集分析装置将大功率超连续谱宽带光源发出不同波长的激光数据与光强探测器探测到的气体吸收强度数据一一对应，并根据不同油中溶解气体的主要吸收谱带、最强吸收谱线及其峰值吸收系数来推断故障气体的种类和折算出特征故障气体浓度值；

步骤6、数据采集与分析装置根据得到的故障气体的种类与浓度值，对变压器油的绝缘情况进行评估、定位、分析和预测。

所述故障气体包括：一氧化碳、二氧化碳、乙炔、甲烷、乙烷、乙烯。

本发明具有以下的优点：

1)光学气体监测，可连续多次对气体进行测量，不需要载气和标气，不消耗油中溶解气体。

2)空心光子晶体光纤本身做为气室，大幅缩小了气室体积，可直接置于变压器中，与变压器油接触，降低气体响应时间，经发展有可能实现故障定位。

3)不需要油气分离。常规的油中气体测试方法和设备均需要进行油气分离， 而本发明中设计的传感装置不需要进行油气分离，能够直接放置在油中进行测试，测试布置非常简洁。不需要额外提供油气分离装置或者薄膜，避免了变压器内部可能存在的电气绝缘问题和安全隐患。并且避免了色谱柱老化问题，长期使用免标定。

4)测量方法精度高，达到不低于10ppm级的痕量气体测量。

5)环形光路衰减振荡腔将光信号测量转化为容易实现高精度的时间变化量测量，进一步降低光强在光纤环路中的无效损耗，显著提高系统检测精度。

6)抗电磁干扰能力强。该传感器主要是通过光的解调实现对氢气传感，经实际测试表明其抗电磁干扰能力强，能够在复杂的电磁环境中正常工作。

7)体积小。本发明主要采用光纤进行传感单元的布置，传感头的直径小于1mm，体积非常小，十分方便安装。

8)经济性好。本发明采用光开关进行波分复用和时分复用技术，节省了光源系统，能够充分利用单一光源，节省了光源的开支。另外，便于规模化生产和制造，不需要载气，也不需要反复标定，运行维护简洁，可以为电力单位减少大量的物力、财力和人力，提高经济效益，保障电力设备的运行安全。

附图说明

图1为变压器油中溶解气体检测装置整体示意图。

图2a-2b为光子晶体光纤示意图。

图3为腔内衰减光谱原理图。

图4为环形光路的衰荡腔的示意图。

其中，FBG-H₂为光纤布喇格光栅氢气传感器。

具体实施方式

本发明旨在提出基于红外光谱吸收的变压器油中溶解气体检测装置：利用空心光子晶体光纤作为传感气室，内置于电力变压器主腔室内部，同时利用环形衰 减振荡腔(环形衰荡腔)来提高检测的灵敏度。下面结合附图，从整体设计和关键环节对优选实施例作详细说明：

(1)装置的整体设计

本发明所提出的基于红外光谱吸收的变压器油中溶解气体检测装置，整体结构示意图如图1所示，主要由三个单元组成：(1)光源系统单元，由大功率超连续谱宽带光源、光源控制器和光开关组成，实现光源的输出控制和利用光开关达到光源的复用控制；(2)传感布置单元，由光纤布喇格光栅(FBG)氢气传感器串联波分复用和空心光子晶体光纤内光谱吸收传感两种传感路径在油浸式电力变压器腔体内布置而成，达到在变压器腔体内多种故障气体多点传感监测的效果；(3)检测采集分析单元，由波长解调装置、光强探测器(光电探测器或者光谱仪)和数据采集与分析装置组成，其中波长解调装置对光纤光栅氢气传感器的波长偏移量进行检测，光强探测器对光谱吸收的强度进行检测，数据采集与分析装置将波长偏移量和光强变化的数据进行记录并计算得到对应的故障气体的种类与含量，在此基础上，对变压器油的绝缘情况进行评估、定位、分析和预测。

本发明所提出的光纤光栅氢气传感器，是利用在FBG表面涂覆氢敏材料(如金属钯或者钯的合金)吸氢体积膨胀并导致中心波长的偏移量发生变化，从而建立起波长偏移量与油中溶解氢气含量的对应关系。根据此关系，从解调得到的波长变化量能够折算出氢气的浓度值和增长率。在布置的过程中，可以将单根光纤上串联多个FBG氢气传感头，利用波分复用的原理，可以实现多个点附近故障氢气的监测，有利于实现故障定位和实时监测。另外，可以在不同的路径布置串联的光纤光栅氢气传感器，图1所示为光开关后连接2根FBG氢气传感器的示意图。

光纤光栅氢气传感器只用作油中溶解微量氢气的传感(氢气不能吸收红外辐射)，其它故障气体均有吸收光谱，因此采用光谱吸收法进行检测。由于不同气体成份的吸收峰波长不同，因此通过改变可调谐激光器的输出波长就可以有效的进行氢气以外多种油中溶解气体(包括一氧化碳、二氧化碳、乙炔、甲烷、乙烷、 乙烯)的监测。同样，利用光开关进行时分复用控制，可实现对变压器内部不同位置的多根光纤进行检测，以便获得故障气体的定位信息和降低检测故障气体的响应时间。

该装置采用光子晶体光纤本身作为气室，大幅缩小气室体积，使传感器可以内植于变压器中；利用光纤光栅衰减振荡技术将光信号测量转化为容易实现高精度的时间信号测量，进而提高系统检测精度。

(2)空心光子晶体光纤作为传感气室

在空心光子晶体光纤(Hollow Core Photonic Crystal Fibers，HC-PCF)中，大部分的光场能量集中在光纤的空心芯区。HC-PCF的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，如图2a-2b所示，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在低折射率的光纤芯区传播。通过合理设计，HC-PCF可以实现超过99％的光在空气中而不是在包层中传播，当气体样品充入空心芯区后，气体可以充分与光场接触，从而对光场产生较强的吸收作用。因此，空心光子晶体光纤具有低损耗、低色散的优点，HC-PCF非常适合作为气体传感系统中高效紧凑的气体样品室，只需要极小体积的气体样品就可以实现气体测量。

红外光学方法分析气体的理论依据是不同气体分子发生能级跃迁所需的能量与特定波长的光辐射能量相对应，表现为不同气体对红外辐射有各自的吸收特性。因此，用红外光学方法对气体进行定性定量分析，必须首先明确气体各组分的红外吸收特性，为光源工作波段的选择及气体各组分的分析提供依据。

表1 油中溶解气体的主要吸收谱带、最强吸收谱线及其峰值吸收系数

表1所示为主要的油中溶解气体的主要吸收谱带、最强吸收谱线及其吸收系数。为了提高检测效果，按照主要吸收谱线的规律调节光源系统的输出，在不同的波段上对某种故障气体进行检测，尽量避免交叉影响。

(3)环形光路衰减振荡腔(环形衰荡腔)

腔内衰荡光谱技术的原理如图所示，一束脉冲激光被引入一个由两面高反射率(反射率为R)平凹透镜组成的光学腔，光在腔内被来回反射，每个来回都有很少一部分光逸出腔体，每一次光的逸出会导致腔内光强的衰减。一个光探测器放在腔的后面，探测到一系列表示腔内光强衰减的脉冲，频率是光在腔内来回一次的时间。由于探测器时间分辨率的限制，探测器可能分辨不出每一个脉冲，但可以测出衰减的轮廓。这个指数形式的衰减被称为一个衰荡事件(ring-down event)。样品吸收越强，衰荡时间越短。从此可以看出，在腔内衰荡光谱技术中，吸收系数由信号的时间性质所决定，跟激光光源强度的波动无关。更进一步，有效的吸收光程依赖于腔镜的反射率，可以达到很长的距离(达到几公里以至几十公里)，与此同时，光学腔的体积可以保持很小。跟其他光谱技术相比，特别是采用调制技术的光谱，腔内衰荡光谱技术测得的吸收是绝对吸收强度，能够准确地折算出吸收光强和特征故障气体的浓度值。

本发明中采用环形衰荡腔技术，结构示意图如图4所示，空心光子晶体光纤的两端分别用高耦合比的光纤耦合器(如10:90，1:99，0.5:99.5)组成高反射率的环形光学折反射腔，进一步降低光强在光纤环路中的无效损耗。该方案的优势在于反射率较高，可以达到高衰荡时间和检测精度，更重要的是，使用光纤代替高反射率镜片组成的光学谐振腔使得该技术可以在变电站这种复杂环境中使用。

环形衰荡腔的两端分别连接至光源和光电探测器，光源和光电探测器均通过单模光纤连接至光纤耦合器。需要说明的是，为了能够实现变压器腔体内的油气分离，可在空心光子晶体光纤上进行表面钻孔处理，实现油气的分离，选择合适的孔径，以阻止变压器油的大分子进入到光纤内部。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。