一种基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置制造方法及图纸

一种基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置，包括激光器，激光扩束器，二向分色镜，空间滤波器，耦合器，纳米级孔洞修饰的kagome带隙型光子晶体光纤，光谱仪；激光由所述激光器发出，经所述激光扩束器放大，经过所述二向分色镜后，由所述耦合器将激光耦合到所述纳米级孔洞修饰的kagome带隙型光子晶体光纤中，所述纳米级孔洞修饰的kagome带隙型光子晶体光纤放置于变压器油中，所述kagome带隙型光子晶体光纤传导的拉曼散射光和激光信号返回到所述二向分色镜，再通过所述空间滤波器，最终被所述光谱仪的CCD采集。本发明专利技术的基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置，无需进行人工油气分离，准确度高，操作简单，可直接原位检测变压器油中故障气体。

An On-line Fault Gas Monitoring Device in Transformer Oil Based on Optical Fiber Enhancement

An on-line monitoring device for faulty gas in transformer oil based on optical fiber enhancement includes a laser, a laser beam expander, a dichroic mirror, a spatial filter, a coupler, a kagome bandgap photonic crystal fiber modified with nano-holes, a spectrometer; the laser is emitted by the laser, amplified by the laser beam expander, and then amplified by the dichroic mirror, and then by the coupler. The laser is coupled to the nano-hole-modified kagome bandgap photonic crystal fibers. The nano-hole-modified kagome bandgap photonic crystal fibers are placed in the transformer oil. The Raman scattering light and laser signals transmitted by the kagome bandgap photonic crystal fibers are returned to the dichroic mirror, and then through the spatial filter, the C-bandgap photonic crystal fibers are finally placed in the spectrometer. CD collection. The on-line monitoring device for fault gas in transformer oil based on optical fiber enhancement does not need artificial oil-gas separation, has high accuracy and simple operation, and can directly detect fault gas in transformer oil in situ.

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置
本专利技术属于电力设备绝缘在线监测与故障诊断领域，具体涉及一种基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置。
技术介绍
电力系统的安全、稳定、可靠与经济运行是经济快速发展及社会稳定的基础之一。电力变压器是电力系统中承担不同等级电压转换、电能分配的枢纽设备，它在电力系统输电、变电、配电过程中起着极其重要的作用，其安全运行是保障电力系统安全与稳定的核心。越来越多的大容量、高等级大型电力变压器在超特高压电网中投入使用，一旦发生故障，不仅损坏昂贵的电气设备，还会导致电网瘫痪，对人民日常生活及国家经济造成难以估计的损失。目前国内外大型电力变压器主要采用油浸式变压器，其内绝缘系统为绝缘油及绝缘纸(板)构成的复合绝缘结构。为了实现对变压器运行状态的在线监测，最常用的方法就是对变压器油中溶解气体的监测诊断。当电力变压器出现包括放电、过热或老化在内的故障时，绝缘材料会分解产生相应的特征气体，通常包括H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO、CO2这七种特征气体。现阶段油中溶解气体的监测主要是气相色谱法，它的主要流程包括取样、脱气、色谱仪分析和数据处理四个部分。它的局限性在于色谱分析只能在实验室进行，且不能实现连续的在线监测，同时灵敏度较为有限；而红外吸收光谱法和光声光谱法虽无需色谱柱，能实现混合气体的直接分析，但检测准确度有待提高，且每种待测气体都需一个特定波长激光来实现气体的有效检测。拉曼光谱法是基于拉曼效应进行物质分析的一种成熟的光谱分析方法，具有利用单一波长激光同时实现多种物质测量的优势。应用拉曼光谱的一个主要优点是能够检测同核双原子气体及其他分子气体物质，包括稳定同位素气体如13CO2，14N15N或(TF304)N2。拉曼气体分析速度快，无消耗，不需要标记或取样，并且可以同时检测除稀有气体以外的所有气体。但由于油中溶解气体含量低，同时拉曼效应具有较低的绝对散射截面，因此需要加强拉曼强度以达到所需的合理检测限度。光纤增强技术通过提高待测气体与激光有效作用长度及拉曼散射光子的收集效率，提高了气体拉曼检测灵敏度，为基于拉曼光谱技术的变压器老化监测及故障诊断打下了良好的基础。空芯光子晶体光纤已成为痕量气体传感领域的领先技术，显示出进一步提高灵敏度的潜力。这种具有低波导损耗特性的新型光纤可以实现激光与拉曼活性气体分子的长期光学相互作用。近些年，超短脉冲激光精密加工领域备受关注，由于超短脉冲激光脉宽短于绝大多数物理化学过程的特征时间，使制造过程中调控电子状态以及实现“非热加工”成为了可能，与传统激光相比，飞秒激光作用时间短，几乎不产生热影响区，加工精度高，能耗低使其在微孔加工中具有高精度，极小化重铸，高可控性和可重复性的特点。
技术实现思路
本专利技术基于飞秒激光加工技术，在kagome带隙型光子晶体光纤侧面进行周期性纳米级钻孔，通过利用毛细效应，实现在变压器油中油气分离，此方法操作简单，准确度高，是一种不受外围环境，取样水平影响的新方法。通过利用光纤增强的拉曼效应，进而实现变压器油中的原位检测。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置，包括激光器，激光扩束器，二向分色镜，空间滤波器，耦合器，纳米级孔洞修饰的kagome带隙型光子晶体光纤，光谱仪；激光由所述激光器发出，经所述激光扩束器放大，经过所述二向分色镜后，由所述耦合器将激光耦合到所述纳米级孔洞修饰的kagome带隙型光子晶体光纤中，所述纳米级孔洞修饰的kagome带隙型光子晶体光纤放置于变压器油中，所述kagome带隙型光子晶体光纤传导的拉曼散射光和激光信号返回到所述二向分色镜，再通过所述空间滤波器，最终被所述光谱仪的CCD采集。优选地，所述纳米级孔洞修饰的kagome带隙型光子晶体光纤的中心波长在500-600nm之间，在纤芯周围增加一层硅环，其厚度为0.2μm-0.4μm之间。优选地，钻孔方式为在光纤径向上从八个等分点角度钻入，孔洞从光纤表面延伸至纤芯，在轴向上保持钻孔点保持在一个直线上，尽量避免错位。优选地，钻孔区域的长度不得少于光纤长度的五分之一，不超过光纤长度的二分之一，钻孔间距为0.1-1.5mm。优选地，所述激光器为产生波长532nm的单一频率单模横模激光的固体激光器。优选地，所述激光器连续输出功率400mW，频率3MHz，噪音低小于0.25％rms，光束直径在1-3mm范围内。优选地，所述激光扩束器将小口径激光光束扩大为大口径准直光束，激光扩束器扩束倍率为1-3倍，最大扩束直径为6.0mm。优选地，所述耦合器采用长工作距离的物镜，物镜的倍率在10-30，工作距离10-50mm，焦距5-25mm。优选地，所述耦合器由显微物镜组成。优选地，还包括高通滤镜，其设置于二向分色镜和空间滤波器之间，波长大于532nm。优选地，所述空间滤波器包括两片消色透镜和一个针孔装置，所述两片消色透镜分别为准直透镜和聚焦透镜。优选地，所述针孔装置直径范围为10-50μm，所述两片消色透镜的焦距范围在10-25mm。本专利技术相对于现有技术具有以下有益的技术效果：本专利技术的基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置，无需进行人工油气分离，准确度高，操作简单，可直接原位检测变压器油中故障气体。附图说明下面结合附图对本技术方案作进一步说明。图1是本专利技术的一种基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置的结构示意图；图2是kagome带隙型光子晶体光纤的结构示意图；图3是对H2进行拉曼光谱检测对比图；图4是对CO2进行拉曼光谱检测对比图；图5是对C2H6进行拉曼光谱检测对比图。具体实施方式下面结合说明书附图以及具体实施例对本专利技术的技术方案做进一步详细介绍。如图1所示，本专利技术的一种基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置包括激光器，激光扩束器，二向分色镜，空间滤波器，耦合器，位移装置，kagome带隙型光子晶体光纤，光谱仪。所述激光器发出的激光通过激光扩束器，所述的耦合器将激光耦合到kagome带隙型光子晶体光纤中，所述的空间滤波器两端分别连接透镜A和高通滤镜，所述的空间滤波器由准直透镜，针孔和聚焦透镜组成，所述的光谱仪的CCD与透镜A连接，透镜A起到聚焦作用，便于光谱仪采集。位移装置代表着光学平台，主要用于部件距离的调节还有透镜高度的调节，起到固定作用。激光由所述激光器发出，经所述激光扩束器放大，经过所述二向分色镜后，由所述耦合器将激光耦合到kagome带隙型光子晶体光纤中，利用飞秒激光侧面钻孔形成纳米级孔洞修饰的空芯光子晶体光纤，实现原位油气分离，拉曼散射光和激光信号返回到所述二向分色镜，再通过所述空间滤波器，最终被光谱仪的CCD采集。所述激光器为产生波长532nm的单一频率单模横模激光的固体激光器，该激光器连续输出功率高达400mW，频率3MHz，噪音低小于0.25％rms，其光束直径在1-3mm范围内。所述激光扩束器采用西格玛光机生产的BE-2-V扩束器，可将小口径激光光束扩大为大口径准直光束，激光扩束器扩束倍率为1-3倍，最大扩束直径为6.0mm。光束通过所述二向分色镜进入所述耦合器，所述二向分色镜主要有两个作用：一是将经过所述激光扩束器的激光反射到耦合器，二是将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置，其特征在于：包括激光器，激光扩束器，二向分色镜，空间滤波器，耦合器，纳米级孔洞修饰的kagome带隙型光子晶体光纤，光谱仪；激光由所述激光器发出，经所述激光扩束器放大，经过所述二向分色镜后，由所述耦合器将激光耦合到所述纳米级孔洞修饰的kagome带隙型光子晶体光纤中，所述纳米级孔洞修饰的kagome带隙型光子晶体光纤放置于变压器油中，所述kagome带隙型光子晶体光纤传导的拉曼散射光和激光信号返回到所述二向分色镜，再通过所述空间滤波器，最终被所述光谱仪的CCD采集。

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置，其特征在于：包括激光器，激光扩束器，二向分色镜，空间滤波器，耦合器，纳米级孔洞修饰的kagome带隙型光子晶体光纤，光谱仪；激光由所述激光器发出，经所述激光扩束器放大，经过所述二向分色镜后，由所述耦合器将激光耦合到所述纳米级孔洞修饰的kagome带隙型光子晶体光纤中，所述纳米级孔洞修饰的kagome带隙型光子晶体光纤放置于变压器油中，所述kagome带隙型光子晶体光纤传导的拉曼散射光和激光信号返回到所述二向分色镜，再通过所述空间滤波器，最终被所述光谱仪的CCD采集。2.根据权利要求1所述的一种基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置，其特征在于，所述纳米级孔洞修饰的kagome带隙型光子晶体光纤的中心波长在500-600nm之间。3.根据权利要求1所述的一种基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置，其特征在于，所述纳米级孔洞修饰的kagome带隙型光子晶体光纤的在纤芯周围增加一层硅环，其厚度为0.2μm-0.4μm之间。4.根据权利要求1所述的一种基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置，其特征在于，所述纳米级孔洞修饰的kagome带隙型光子晶体光纤的钻孔方式为在光纤径向上从八个等分点角度钻入，孔洞从光纤表面延伸至纤芯，在轴向上保持钻孔点保持在一个直线上，尽量避免错位。5.根据权利要求4所述的一种基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置，其特征在于，钻孔区域的长度不得少于光纤长度的五分之一，不超过光纤长度的二分之一，钻孔间距为0.1-1.5mm。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：万福，陈伟根，周峰，陈卓正，丁佳昀，王子桐，王建新，王品一，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50