CN102735625A - 检测变压器sf6中微水含量的激光检测仪及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测变压器SF6中微水含量的激光检测仪，检测仪包括依次连接的单片机、激光器、将激光分成两路的耦合器和接收耦合器的一路激光的探头，耦合器还连接用于接收该耦合器的另一路激光的第一光电探测器，第一光电探测器的电信号输出端与单片机连接，探头包括用于将激光从光纤内耦合到气体中再使激光返回光纤的光纤准直器，耦合器的回路激光信号输出端还连接有第二光电探测器，第二光电探测器的电信号输出端与单片机连接，单片机还连接有温度压力传感器。本发明还涉及一种检测变压器SF6中微水含量的方法。本发明的检测仪及检测方法不易受温度等红外辐射影响，不受电磁干扰，绝缘性能和安全性更好，检测更加准确。

Description

检测变压器SF6中微水含量的激光检测仪及检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测设备，具体涉及一种用于检测高压电力设备的SF6气体中微水含量的检测仪，同时本发明还涉及检测变压器SF6中微水含量的方法。

背景技术

SF6气体因其优异的绝缘和灭弧性能得到了人们的认可，被广泛应用于气体绝缘开关(GIS)和超高压输变电设备中作为绝缘、灭弧介质。然而，SF6电器设备在长期运行时，不可避免地会发生电器设备内SF6气体向外泄漏而导致电器设备内SF6气体密度下降，微水含量增加。当SF6气体中的水含量达到一定程度时，在电弧或电晕作用下，SF6气体分解物会经水解反应产生毒性气体，对设备产生化学腐蚀，继而严重影响设备的正常运行。气体中的水分一般以气态的水蒸气形式存在，当温度降低时，将凝结成液态的露水附着在零件表面，可能造成沿面绝缘闪络而引起事故。

因此，对SF6气体中的微水含量实行实时监测，以实现水分的合理控制，对保证设备的安全稳定运行具有重要的作用。

虽然近几年检测技术的发展，变压器的SF6气体微水含量的检测仪器也越来越多，但是其中大部分是基于露点的电子类传感器，国外也有通过光学来实现微水含量检测的报道，主要还是通过红外波段的检测技术来实现。电子类产品在电力设备检测，特别是在SF6绝缘气休微水检测方面容易受到电磁干扰，也容易破坏原有设备电磁场状态，降低设备的绝缘性能和安全性，光学红外传感器易受温度场影响，产生丰检测误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种检测变压器SF6中微水含量的激光检测仪，本装置不易受温度等红外辐射影响，不受电磁干扰，绝缘性能和安全性更好，检测更加准确。

本发明的目的是通过以下方案来实现的：一种检测变压器SF6中微水含量的激光检测仪，包括依次连接的单片机、接受所述单片机的控制发出激光的激光器、将激光分成两路的耦合器和接收所述耦合器的一路激光的探头，所述耦合器还连接用于将该耦合器的另一路激光转换为电信号的第一光电探测器，所述第一光电探测器的电信号输出端与所述单片机连接，探头包括用于将激光从光纤内耦合到气体中再使激光返回光纤的光纤准直器，所述耦合器的回路激光信号输出端还连接有用于将耦合器的回路激光信号转换为电信号的第二光电探测器，所述第二光电探测器的电信号输出端与所述单片机连接，所述单片机还连接有温度压力传感器。

所述单片机还联接有用于显示微水含量值的显示面板。

所述单片机还联接有用于输出微水含量值的信号输出端口。

所述探头还包括准直器固定底座和与用于与SF6气箱连接的紧固块，所述光纤准直器固定设置于所述准直器固定底座，所述紧固块固定连接于所述准直器固定底座的旁侧，所述紧固块的中部具有光纤出纤孔，所述光纤准直器具有准直器尾纤，所述准直器尾纤从所述光纤出纤孔伸出。

所述准直器尾纤与所述光纤出纤孔之间通过密封粘结胶密封配合。

所述紧固块对应于所述准直器尾纤的伸出部设置有光纤保护管，所述准直器尾纤的伸出部位于所述光纤保护管内。

所述紧固块为圆柱体，所述紧固块的外圆周表面设置有外螺纹，所述紧固块的外圆周表面对应于所述外螺纹还设置有紧固螺母。

本发明的另一目的在于克服现有技术中的不足，提供一种检测变压器SF6中微水含量的方法。

本发明的另一目的是通过以下方案来实现的：

一种检测变压器SF6中微水含量的方法，单片机控制激光器发出的激光通过耦合器分成两路，一路激光进入探头，另一路激光通过第一光电探测器进入到单片机作为参考信号，将探头固定设置于SF6绝缘气密封箱，激光在探头内被SF6气体充分吸收后通过耦合器、第二光电探测器进入到所述单片机作为测试信号，设置于SF6绝缘气密封箱的温度压力传感器将补偿信号传到所述单片机，单片机对参考信号、测试信号进行计算分析，再根据补偿信号补偿后得出微水含量值。

本发明的优点在于：本发明采用近红外光谱吸收技术，利用激光器对微水吸收线进行扫描检测，利用光纤进行光能量和信号传输实现远程在线检测，通过气体压力和温度的补偿来校正检测误差，这种传感器灵巧轻便，无需供电，不受电磁干扰，不影响绝缘气体电场分布和绝缘特性，更加可靠耐久。

附图说明

图1为本发明的检测变压器SF6中微水含量的激光检测仪的整体结构示意图；

图2为激光器在一个扫描周期内输出的中心波长变化曲线图；

图3为不同微水含量下输出的扫描信号图；

图4为不同温度下水分吸收光谱对比图；

图5为探头除去光纤准直器的结构示意图；

图6为图5的侧面视图；

图7为光纤准直器与准直器固定底座配合方式的结构示意图；

图8为图7的侧面视图。

在图中：1-探头；2-温度压力传感器；3-耦合器；4-激光器；5-第二光电探测器1；6-第-光电探测器；7-单片机；8-显示面板；9-SF6绝缘气密封箱；10-信号输出端口；11-紧固块；12-紧固螺母；13-光纤出纤孔；14-光纤保护管；15-准直器固定底座；16-光纤准直器；17-准直器尾纤。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种检测变压器SF6中微水含量的激光检测仪，包括依次连接的单片机7、接受所述单片机7的控制发出激光的激光器4、将激光分成两路的耦合器3和接收所述耦合器3的一路激光的探头1，所述耦合器3还连接用于将该耦合器3的另一路激光转换为电信号的第一光电探测器6，所述第一光电探测器6的电信号输出端与所述单片机7连接，探头1包括用于将激光从光纤内耦合到气体中再使激光返回光纤的光纤准直器16，所述耦合器3的回路激光信号输出端还连接有用于将耦合器3的回路激光信号转换为电信号的第二光电探测器5，所述第二光电探测器5的电信号输出端与所述单片机7连接，所述单片机7还连接有温度压力传感器2。

工作时，将探头1与温度压力传感器2设置于SF6绝缘气密封箱9，探头1、温度压力传感器2均于SF6绝缘气密封箱9密封配合。单片机7控制激光器4产生激光，激光通过耦合器3分成两路，一路激光进入探头1，另一路激光由第一光电探测器6转换为电信号后进入单片机7成为参考信号，探头1为一对光纤准直器16组成，光纤准直器16将激光从光纤内耦合到气体中，在气体中经过一段路程后再返回光纤，返回的激光便包含了水分对激光的吸收信息，气体充分吸收后的激光通过耦合器3返回进入第二探测器，而后进入单片机7作为测试信号，温度压力传感器2检测的补偿信号进入单片机7，单片机7对参考信号、测试信号进行计算分析，再根据补偿信号补偿后得出微水含量值。

在本发明中，激光器4采用带有光纤尾纤封装的DFB半导体激光器4。单片机7还连接有显示面板8以及输出信号输出端口10。

单片机7控制激光器4产生窄线宽激光，窄线宽激光的中心波长围绕水分吸收中心来扫描，扫描波长如图2所示，图2中为一个扫描周期内激光的中心波长与气体吸收线的关系图，图中L2表示水分在不同波长下的吸收强度，可以明显看出在1364.7nm附近吸收较强，图中L1是系统输出激光的中心波长，横半标为时间，即在一个扫描周期下激光的中心波长变化情况，图中可以看出，激光的中心波长刚好可以扫描过水分的吸收峰，图3给出了在不同微水浓度下的一个对比图，图中可以明显看出，不同的微水含量下，其信号吸收强度是不同的，据此便可以完成微水含量的检测。

根据对气体分子光谱分析可知水分子气体在中红外和近红外波段有特征振动-转动光谱带以及泛频振动-转动光谱带，而且一个振动谱又分裂成多个转动结构谱线，即振动谱带内含有多条精细谱线。由于光谱的自然展宽、碰撞展宽和多普勒展宽等影响，对于每一条精细谱线并不只有一个确定的频率，而是以某一频率为中心，按一定方式在一定的频率范围内连续分布。因此实际的分子光谱线都是有一定宽度的光谱轮廓，而不是一条没有宽度和形状的线。

当光经过气体并且与待测气体中水分子的吸收谱线有重合时，部分光能量将被待测气体吸收，输出光强将减弱，满足比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律。

根据比尔-朗伯定律，输出光强与待测气体浓度的关系为：

I(t)＝I₀(t)cxp[-α(λ)LC]

其中，I(T)是输出光光强，I₀是输入光光强，a是吸收系数(与波长有关)，L是光与气体作用的长度(即光在气体中传输的距离)，C是气体浓度。当气体的吸收系数、光程确定后，光强的衰减就只与气体浓度相关。可以得到气体的浓度表达式为：

根据这个公式便可以推算出微水的含量大小，即微水浓度。

但是在使用该原理开发产品时发现，水分的吸收特征谱线是受到温度和气压的影响的。如图4所示，当温度不同时，其吸收系数也不同，113摄氏度下的吸收强度仅为13摄氏度下的75.9％，因此在不同的温度条什下测试结果将出现巨大偏差；气体压强也对检测产生非常大的影响，气压增高时，吸收谱线变为模糊，这是由丁气体原子间距离减小，彼此间相互作用增强，影响了固有频率的缘故，气体压强足够高时，变成有一定宽度的吸收带，液体和固体的吸收区域相当宽，也是由于这个原因。当1个大气压时吸收谱线宽半高宽度可以如同图4所示的几十pm范围，但是当气压增加到两个大气压甚至更高时，吸收谱线宽度反而会展宽到上百pm，这也直接对测量产生了巨大影响。目前大部分基于光谱吸收的气体传感器都是基于比尔定律的，该定律仅在物质分子的吸收本领域不受其四周邻近分子的影响时才正确，在浓度很大(压强大)时，分子间的相互影响不能忽略，此时比尔定律便不成立，因此，本发明引进了压力补偿和温度补偿，从而保证检测的准确性。

虽然在实际的变压器SF6气体检测时，绝缘气箱体是密封的，而且要保持一定的压强，但是微水检测本身是为检测箱休的泄露而使用，箱体漏气会产生压力变化，并且箱体温度是不恒定的。考虑到以上影响因素，本发明特别将温度和压力引进到系统中进行补偿，从而从根本上消除了气体吸收原理和光谱分析技术中忽略的问题，弥补工作环境对微水检测的影响。

如图5、图6、图7、图8所示，所述探头1还包括准直器固定底座15和与用于与SF6气箱连接的紧固块11，所述光纤准直器16固定设置于所述准直器固定底座15，所述紧固块11固定连接于所述准直器固定底座15的旁侧，所述紧固块11的中部具有光纤出纤孔13，所述光纤准直器16具有准直器尾纤17，所述准直器尾纤17从所述光纤出纤孔13伸出。

其中，准直器尾纤17与光纤出纤孔13之间通过密封粘结胶密封配合，使准直器尾纤17与光纤出纤孔13之间具有良好的气密性。为了使准直器尾纤17的伸出部不被折断，紧固块11对应于准直器尾纤17的伸出部设置有光纤保护管14，准直器尾纤17的伸出部位于光纤保护管14内。如图8所示，准直器固定底座15设置有半圆形凹槽，光纤准直器16设置于半圆形凹槽内，光纤准直器16与半圆形凹槽胶接。

紧固块11为圆柱体，紧固块11的外圆周表面设置有外螺纹，紧固块11的外圆周表面对应于外螺纹还设置有紧固螺母12，通过紧固块11、紧固螺母12与SF6绝缘气密封箱9的配合使探头1固定设置于SF6绝缘气密封箱9，且探头1与SF6绝缘气密封箱9之间密封配合。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种检测变压器SF6中微水含量的激光检测仪，其特征在于：所述变压器SF6微水含量光纤激光检测仪包括依次连接的单片机(7)、接受所述单片机(7)的控制发出激光的激光器(4)、将激光分成两路的耦合器(3)和接收所述耦合器(3)的一路激光的探头(1)，所述耦合器(3)还连接用于将该耦合器(3)的另一路激光转换为电信号的第一光电探测器(6)，所述第一光电探测器(6)的电信号输出端与所述单片机(7)连接，探头(1)包括用于将激光从光纤内耦合到气体中再使激光返回光纤的光纤准直器(16)，所述耦合器(3)的回路激光信号输出端还连接有用于将耦合器(3)的回路激光信号转换为电信号的第二光电探测器(5)，所述第二光电探测器(5)的电信号输出端与所述单片机(7)连接，所述单片机(7)还连接有温度压力传感器(2)。

2.按照权利要求1所述的检测变压器SF6中微水含量的激光检测仪，其特征在于：所述单片机(7)还联接有用于显示微水含量值的显示面板(8)。

3.按照权利要求1所述的检测变压器SF6中微水含量的激光检测仪，其特征在于：所述单片机(7)还联接有用于输出微水含量值的信号输出端口(10)。

4.按照权利要求1、2或3所述的检测变压器SF6中微水含量的激光检测仪，其特征在于：所述探头(1)还包括准直器固定底座(15)和与用于与SF6气箱连接的紧固块(11)，所述光纤准直器(16)固定设置于所述准直器固定底座(15)，所述紧固块(11)固定连接于所述准直器固定底座(15)的旁侧，所述紧固块(11)的中部具有光纤出纤孔(13)，所述光纤准直器(16)具有准直器尾纤(17)，所述准直器尾纤(17)从所述光纤出纤孔(13)伸出。

5.按照权利要求4所述的检测变压器SF6中微水含量的激光检测仪，其特征在于：所述准直器尾纤(17)与所述光纤出纤孔(13)之间通过密封粘结胶密封配合。

6.按照权利要求4所述的检测变压器SF6中微水含量的激光检测仪，其特征在于：所述紧固块(11)对应于所述准直器尾纤(17)的伸出部设置有光纤保护管(14)，所述准直器尾纤(17)的伸出部位于所述光纤保护管(14)内。

7.按照权利要求4所述的检测变压器SF6中微水含量的激光检测仪，其特征在于：所述紧固块(11)为圆柱体，所述紧固块(11)的外圆周表面设置有外螺纹，所述紧固块(11)的外圆周表面对应于所述外螺纹还设置有紧固螺母(12)。

8.一种检测变压器SF6中微水含量的方法，其特征在于：单片机(7)控制激光器(4)发出的激光通过耦合器(3)分成两路，一路激光进入探头(1)，另一路激光通过第一光电探测器(6)进入到单片机(7)作为参考信号，将探头(1)固定设置于SF6绝缘气密封箱(9)，激光经过探头(1)的作用被SF6气体充分吸收后通过耦合器(3)、第二光电探测器(5)进入到所述单片机(7)作为测试信号，设置于SF6绝缘气密封箱(9)的温度压力传感器(2)将补偿信号传到所述单片机(7)，单片机(7)对参考信号、测试信号进行计算分析，再根据补偿信号补偿后得出微水含量值。

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