一种变压器套管油中溶解气体光纤传感系统技术方案

本发明专利技术提出一种变压器套管油中溶解气体光纤传感系统，包括光源、环形器、2

【技术实现步骤摘要】
一种变压器套管油中溶解气体光纤传感系统


[0001]本专利技术属于光学传感系统
，具体而言，涉及一种变压器套管油中溶解气体光纤传感系统。

技术介绍

[0002]变压器套管油中溶解气体分析是判断变压器套管运行状态的重要手段。通过监测变压器套管油中溶解气体类型及含量可以对变压器套管故障类型及严重程度进诊断，预测油浸式变压器套管内部早期潜伏性故障。这对变压器套管油中溶解气体在线监测装置的实时性、准确性和检测下限提出了较高的要求。变压器套管油中溶解气体在线监测技术主要包括油气分离技术和多组分气体检测技术。
[0003]制约变压器套管油中溶解气体在线监测实时性的两个主要问题分别为故障气体由产生点溶解对流扩散至变压器套管取油口处所需时间长和油气分离效率低。目前，国内外都尚无直接原位变压器套管油中溶解气体含量检测的传感装置。无论是离线检测装置还是在线监测装置，都必须从变压器套管取油口获取油样后进行油气分离再对故障气体成分与溶度测试。大型变压器套管体积大，结构复杂，故障气体多产生于温度高、场强集中处，与位于油浸式套管底部的取油口距离远。故障气体溶解于变压器套管油后经流扩散至取油口处需消耗数天、乃至数月的时间，甚至产生于“死油区”的故障气体难以到达取油口。故障气体对流扩散至取油口处的浓度较故障气体产生处减小浓度降低较大。这些不仅降低了在线监测装置的实时性，也极大提高了对在线监测装置检测下限的要求。若油气分离装置能够直接放置在变压器套管储油柜内，将极大缩短故障气体对流扩散阶段的时间，提高在线监测的实时性。
[0004]当前主要的油气分离方法有真空脱气法、顶空脱气法和高分子膜脱气法。真空脱气法、顶空脱气法虽然有较快地实现油气分离平衡，但是这些装置结构复杂，操作繁琐，目前不具备内置于变压器套管储油柜中的可能性。高分子膜具有结构简单、耐油、耐高温的特点，油气分离达到动态平衡后可持续地与变压器套管油进行气体交换，具有内置于变压器套管储油柜中实现对油中溶解气体的连续监测的潜力。目前，多组分气体检测技术主要有气相色谱法、半导体传感器法以及光学传感法。气相色谱法需要色谱柱分离气体，消耗载气，无法做到连续测量。半导体传感器虽然成本低，但是在长期使用过程中性能会逐渐发生变化，需定期校准更换，且各气体组分之间容易发生交叉敏感，导致检测准确性下降。光学传感法灵敏度高，检测下限低，不易受电磁干扰且光纤本身具有良好的绝缘性，被越来越多地应用在变压器套管在线监测中。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出一种变压器套管油中溶解气体光纤传感系统，包括光源、环形器、2
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2耦合器、掺铒光纤放大器、第一1
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2耦合器、延迟光纤、气体传感模块、第二1
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2耦合器、声光调制器、声光调制器驱动、平衡光电探测器、数据采集和上位机。
[0006]所述气体传感模块是由陶瓷膜、空心光子晶体光纤和陶瓷圆环侧壁组成。
[0007]所述气体传感模块呈圆盘状，利用硅胶将两个圆形形状的陶瓷膜与陶瓷圆环侧壁粘合在一起，陶瓷圆环侧壁夹在两个陶瓷膜之间，两个陶瓷膜之间留有1mm的间隙，空心光子晶体光纤盘绕放置于间隙内；陶瓷圆环侧壁上有两个通孔，将空心光子晶体光纤两端从两个通孔引出后将通孔密封。
[0008]陶瓷膜直径为6.5cm，厚度为0.5mm，陶瓷膜上分布着孔径为50nm的孔隙，孔隙率大于35%，在陶瓷膜表面涂覆高分子材料形成一层厚度为6μm的油气分离层，用于实现高效油气分离；陶瓷圆环侧壁内径为6cm，外径为6.5cm。
[0009]空心光子晶体光纤的光纤长度为0.8m，在空心光子晶体光纤上剥去10μm的涂覆层并采用聚焦离子束技术在包层上形成孔径为3μm的微孔，共加工4个沿轴向分布的微孔，每个微孔从光纤表面沿径向加工至中空纤芯即停止，相邻微孔间距为15cm，空心光子晶体光纤两侧引出端与单模光纤进行熔接，熔接损耗小于0.1dB。
[0010]油中溶解气体透过陶瓷膜后进入到气体传感模块间隙中，最终经微孔扩散到空心光子晶体光纤的中空纤芯。
[0011]所述气体传感模块各部分材料都具有良好的绝缘、耐油、耐压、耐高温性能，各材料耐受高温不低于150℃，陶瓷膜在0.1MPa~1MPa压强范围内不发生漏油、漏气及破裂现象。
[0012]所述第一1
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2耦合器和第二1
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2耦合器分光比均为99:1，与延迟光纤、掺铒光纤放大器和气体传感模块相连形成衰荡腔；衰荡腔长度为51m，延迟光纤长度为47.1m。
[0013]所述掺铒光纤放大器可双向放大，对顺时针光和逆时针光同步放大，可补偿衰荡腔中固有损耗，增加衰荡信号峰值个数，提高装置气体浓度检测准确性。
[0014]所述2
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2耦合器分光比为50:50；与声光调制器和衰荡腔构成Sagnac干涉环。
[0015]所述光源为Santec TSL
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710激光器，工作在“相干控制”模式，输出光线宽为40MHz，相干长度为5m。
[0016]所述气体传感模块布置于变压器套管储油柜内，利用穿插两根单模光纤的密封螺钉将变压器套管储油柜密封的同时将气体传感模块与变压器套管油中溶解气体光纤传感系统中变压器套管以外部分相连接。通过上述布置方式可减小故障气体对流扩散至气体传感模块的时间，提高装置检测实时性。
[0017]所述光纤传感系统采用频移腔衰荡技术进行传感信号解调。首先对平衡光电探测器检测的传感信号数据进行快速傅里叶变换，得到幅值随距离逐渐减小的衰荡信号，对衰荡信号寻峰，获得峰值点后进行指数拟合，获得信号衰荡距离，由此推出气室中目标气体浓度。
[0018]利用光纤频移腔衰荡技术与基于空心光子晶体光纤的气体传感模块的结合，将对时域信号的处理转化为对空间域信号的处理，降低了对光源和探测性的性能要求，增加了光与气体相互作用的效率和距离，进一步提高了该装置的灵敏度和检测下限。
[0019]相比现有技术，本专利技术有以下优点和有益效果：（1）本专利技术的气体传感模块既可用于油气分离，又可作为光与气体相互作用的气室。气体传感模块在具备良好油气分离性能的同时，具有良好的绝缘、耐油、耐压、耐高温性能，可直接放置于变压器套管储油柜中，极大缩短了故障气体从产生到对流扩散至传感模块的时间，提高了装置的实时性，有利于更快速地发现变压器套管的早期潜伏性故障。
[0020]（2）本专利技术采用空心光子晶体光纤作为光纤气体传感的气室，并接入光纤衰荡腔中。空心光子晶体光纤具有较小的弯曲损耗，可以以较小的直径盘绕，气室结构更加紧凑，有利于获得体积更小的气体传感模块从而方便内置于变压器套管中。同时空心光子晶体光纤的使用增大了光与气体作用效率和距离，将其接入衰荡腔中作为气室有利于提高装置的灵敏度和检测下限。
[0021]（3）本专利技术将频移干涉与光纤腔衰荡技术相结合，将对时域信号检测转换为对空间域信号检测，在保证灵敏度和检测下限的同时，极大降低了对光源和探测器的性能要求，减少了装置成本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变压器套管油中溶解气体光纤传感系统，其特征在于，包括光源（1）、环形器（2）、2
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2耦合器（3）、掺铒光纤放大器（4）、第一1
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2耦合器（5）、延迟光纤（6）、气体传感模块（7）、第二1
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2耦合器（8）、声光调制器（9）、声光调制器驱动（10）、平衡光电探测器（11）、数据采集器（12）和上位机（13），其中，所述气体传感模块（7）是由陶瓷膜、空心光子晶体光纤和陶瓷圆环侧壁组成；所述气体传感模块（7）呈圆盘状，利用硅胶将两个圆形形状的陶瓷膜与陶瓷圆环侧壁粘合在一起，陶瓷圆环侧壁夹在两个陶瓷膜之间，两个陶瓷膜间有1mm的间隙并将空心光子晶体光纤盘绕放置于间隙内；陶瓷圆环侧壁上有两个通孔，空心光子晶体光纤两端分别从两个通孔引出；陶瓷膜直径为6.5cm，厚度为0.5mm，陶瓷膜上分布着孔径为50nm的孔隙，陶瓷膜的孔隙率大于35%；在陶瓷膜表面涂覆高分子材料Teflon AF2400形成一层厚度为6μm的油气分离层；陶瓷圆环侧壁内径为6cm，外径为6.5cm；空心光子晶体光纤的光纤长度为0.8m，空心光子晶体光纤侧面共有4个沿轴向分布的微孔，相邻微孔间距为15cm，每个微孔直径为3μm；每个微孔在空心光子晶体光纤上剥去10μm长的涂覆层后，采用聚焦离子束技术加工形成；空心光子晶体光纤两侧引出端与单模光纤熔接，熔接损耗小于0.1dB；所述气体传感模块（7）布...

【专利技术属性】
技术研发人员：马国明，陈章霖，史荣斌，谢洋洋，王渊，郑迪雅，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：