CN104807765A - 高灵敏度光谱吸收衰减振荡腔的变压器油中气体检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于电力变压器的安全检测设备范围的一种高灵敏度光谱吸收衰减振荡腔的变压器油中气体检测装置，该气体检测装置由超连续谱宽带光源、光纤环形衰减振荡腔、增益钳制单元和光强检测单元组成；在电力变压器主腔室内部,在两列空心光子晶体光纤的两端各连接一个高反射率的光学器件或高反射率的光学结构形成光纤环形衰减振荡腔，通过光纤与光纤环形衰减振荡腔两端分别超连续谱宽带光源和增益钳制光路连接，增益钳制光路通过光纤与光强检测单元连接；利用光纤环形衰减振荡腔和增益钳制光路拓扑设计，实现的高精度时间变化量测量，提高系统检测精度和灵敏度；对变压器油中溶解气体的种类与含量进行分析和评估。
Description
技术领域
本发明属于电力变压器的安全检测设备范围，特别涉及一种高灵敏度光谱吸收衰减振荡腔的变压器油中气体检测装置。
背景技术
充油电力变压器中气体组分和浓度测量是一项复杂的工作，主要是因为选择一个合适的测量与监控仪器和系统是十分困难的。多年来各国的科学工作者在这一问题上做出了大量的理论和实验研究，取得了一些成果。已报道的用于现场气体组分和浓度测量的主要方法有催化烧结式、电化学气相色谱式、半导体吸收式、热导传感式、激光吸收式和光纤传感式等。这些方法不同程度上完成了易燃易爆和有毒有害气体的测量任务，获得重大的经济效益。但在一些特殊要求的场合完成高精度测量，就难以胜任了。
充油电力变压器在正常运行过程中受到热、电和机械方面力的作用下逐渐老化，产生某些可燃性气体，当变压器存在潜伏性故障时，其气体产生量和气体产生速率将逐渐明显，人们取变压器油样使用气相色谱方法获得油中溶解的特征气体浓度后，就可以对变压器的故障情况进行分析。由于大型充油电力变压器是一个非常复杂的电气设备，变压器内的油中溶解气体检测显得非常重要但很难操作。
随着科学技术的发展，出现了多种气体测量技术，其中主要是基于化学方法的气体传感技术。
这类气体传感器主要有两种。一种是半导体气体传感器，利用的是氧化物半导体材料的气敏特性。另一种就是催化燃烧式气体传感技术。
半导体气体传感器的核心是气敏材料。基于气敏材料的传感方法是进行有害气体检测的重要手段，其原理是材料表面吸附某些气体时，其导电率随气体浓度的不同而发生改变。目前气敏探测器用的材料大多是气敏陶瓷，其中又以金属氧化物半导体气敏陶瓷居多。半导体气体传感方法的缺点包括：
①工作温度一般远较室温为高，需要在加热的条件下才能有效工作，工作温度一般在200～400℃之间；
②受外界环境影响也比较大，特别是湿度和温度的变化直接影响到传感器的灵敏度；
③易受其他气体的影响；
④测量范围小，一般在5％以下。
催化燃烧式气体传感器的原理是利用气体在传感元件表面无焰燃烧所产生的热量，由测温元件进行测量，从而得到气体浓度。这种方法结构简单，成本低，在煤矿生产中得到广泛应用。对于催化燃烧式气体传感，由于气体在金属催化线圈燃烧时温度高达900℃以上，催化剂因表面蒸发而使直径变细，因而使阻值增加，会导致仪器产生严重的零点漂移，所以要经常对仪器进行校正；同时由于传感器工作在高温情况下，具有潜在的危险性。
发明内容
本发明的目的是提出一种高灵敏度光谱吸收衰减振荡腔的变压器油中气体检测装置，其特征在于，该气体检测装置由超连续谱宽带光源、光纤环形衰减振荡腔、增益钳制单元和光强检测单元组成；使用空心光子晶体光纤和基于光纤光栅的腔体衰减振荡检测技术相结合进行变压器油中气体检测；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，在电力变压器主腔室内部,在两列空心光子晶体光纤的两端各连接一个高反射率的光学器件或高反射率的光学结构形成光纤环形衰减振荡腔，超连续谱宽带光源通过光纤与光纤环形衰减振荡腔一端连接，光纤环形衰减振荡腔的另一端通过光纤与增益钳制光路连接，增益钳制光路通过光纤与光强检测单元连接；利用光纤环形衰减振荡腔和增益钳制光路拓扑设计来提高检测的灵敏度；其中，
所述超连续谱宽带光源为多组份气体的光谱吸收提供光源；
所述光纤环形衰减振荡腔由空心光子晶体光纤和两片高反射率的光学器件或者结构组成为一个光学稳定谐振腔；将光信号测量转化为容易实现的高精度时间变化量测量，提高系统检测精度；
所述增益钳制单元增益钳制单元由掺铒光纤放大支路、可调衰减支路并联后与波分复用器节点连接构成；用于放大从光纤环形衰减振荡腔透射出的光信号；
所述光强检测单元由光强检测设备(光电探测器或者光谱仪)及数据采集设备组成，用于检测和记录光强的随时间的衰减情况数据并可计算得到对应的故障气体的种类与含量，在此基础上，对变压器油中溶解气体的种类与含量进行分析和评估。
所述掺铒光纤放大支路由第一隔离器ISO、掺铒光纤放大器EDFA及第二隔离器ISO串联组成。
所述可调衰减支路由第一密集波分复用器DWDM、可调衰减器DOVA及第二密集波分复用器DWDM组成。
所述高反射率的光学器件是高耦合比的光纤耦合器；所述高反射率的光学结构是光纤布喇格光栅。
所述密集波分复用节点由第三密集波分复用器组成，把引入的光信号分配给特定频带内的指定频率，然后把信号复用到一根光纤中。
所述增益钳制单元的带宽范围不低于30nm。
所述光纤布喇格光栅反射率不低于80％，栅区长度不超过10mm。
所述光强检测设备包括光电探测器和光谱仪。
所述连接光纤为单模光纤或者多模光纤。
所述高耦合比光纤耦合器的耦合比为10:90或者1:99或者0.5:99.5。
本发明的有意效果是本发明为基于光纤环路光腔循环衰荡多组分气体浓度测量原理的高灵敏度变压器油中气体检测装置：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，利用光纤环形衰减振荡腔和增益钳制光路将光信号测量转化为容易实现的高精度时间变化量测量，提高系统检测精度和灵敏度；通过检测和记录光强的随时间的衰减情况数据，计算得到对应的故障气体的种类与含量，对变压器油中溶解气体的种类与含量进行分析和评估。本发明具有如下特点：
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)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)不需要进行气体分离，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。
附图说明
图1为变压器油中溶解气体的检测装置示意图。
图2为腔内衰减光谱原理图。
图3为空心光子晶体光纤示意图。
图4为基于EFDA的增益钳制光路拓扑示意图。
具体实施方式
本发明提出一种高灵敏度光谱吸收衰减振荡腔的变压器油中气体检测装置，该气体检测装置由超连续谱宽带光源、光纤环形衰减振荡腔、增益钳制单元和光强检测单元组成；使用空心光子晶体光纤和基于光纤光栅的腔体衰减振荡检测技术相结合进行变压器油中气体检测；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，利用光纤环形衰减振荡腔和增益钳制光路拓扑设计来提高检测的灵敏度。下面结合附图予以说明。
图1所示为变压器油中溶解气体的检测装置示意图。图中，在电力变压器主腔室内部,在两列空心光子晶体光纤的两端各连接一个高反射率的光学器件或高反射率的光学结构形成光纤环形衰减振荡腔，超连续谱宽带光源通过光纤与光纤环形衰减振荡腔一端连接，光纤环形衰减振荡腔的另一端通过光纤与增益钳制光路连接，增益钳制光路通过光纤与光强检测单元连接；具体详细说明：
(1)装置的整体设计
本发明所提出的基于红外光谱吸收和空心光子晶体光纤环形衰减振荡腔的变压器油中气体检测装置，整体结构示意图如图1所示，主要由四个单元组成：(1)超连续谱宽带光源，通过光纤与光纤环形衰荡腔连接，为多组份气体的光谱吸收提供光源；(2)光纤环形衰减振荡腔，由空心光子晶体光纤和两片高反射率的光学器件或者结构组成，用于形成一个光学稳定谐振腔，通过光纤与超宽谱光源和增益钳制光路连接；(3)掺铒光纤放大器EDFA及隔离器ISO：隔离器，DOVA：可调衰减器，DWDM：密集波分复用器)组成，通过光纤与光纤环形衰减振荡腔和光强度检测单元连接；(4)光强检测单元，由光强检测设备或者仪器(光电探测器或者光谱仪)及数据采集设备组成，通过光纤与增益钳制单元连接，用于检测和记录光强的随时间的衰减情况数据并可计算得到对应的故障气体的种类与含量，在此基础上，对变压器油中溶解气体的种类与含量进行分析和评估。其中：
(2)光纤环形光路衰减振荡腔，一个光纤环路光腔循环衰荡多组分气体浓度测量系统，通过测量衰减振荡腔内光信号的衰荡时间来推算气体浓度结果。并且结合增益钳制光路拓扑，充分利用掺铒光纤放大器的增益可调特点，使系统在平衡状态下根据腔内光功率总损耗自适应调节增益，使被测气体浓度为衰荡时间的单一函数。所提出的装置采用光子晶体光纤本身做为气室，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。
腔内衰荡光谱技术的原理如图2所示，由两片反射镜组成一个光学稳定谐振腔，当一束脉冲激光由一片反射镜耦合进入腔内后，在两片反射镜间来回反射，由于腔镜的透射作用，每次反射后都会有少许的光通过另一端的腔镜漏出。同时，腔内存在各种损耗机制，如腔镜的透射损耗、衍射损耗，样品的散射损耗、吸收损耗等，使得从腔内渗漏出来的光强随时间增大而衰减，在光的透出端，用高灵敏度的探测器接收由腔镜漏出的光信号，在激光脉冲输出周期远大于光子在腔内的振荡时间及探测器有足够快的响应时间的条件下，将会得到一个脉冲序列，序列的强度峰值分布随时间增大呈指数衰减。
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。
光腔衰荡光谱技术对于以往的吸收光谱方法，检测的灵敏度得到了大幅度提高，对激光的稳定性依赖降低，尤其适用于微弱信号的测量，其实验装置简单，对工作环境要求低，适应性强，所以本文选择光腔衰荡光谱法对恶劣工况下变压器油中溶解气体的浓度进行测量。
另外，选择空心光子晶体光纤(Hollow Core Photonic Crystal Fibers，HC-PCF，如图3所示)作为衰荡腔，因为空心光子晶体光纤的中间区域是空心区域，直径能够达到10μm甚至更大，并且大部分的光场能量集中在光纤的空心芯区。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，只需要将变压器油中溶解的少量气体分离至空心光子晶体光纤的空心区域即可实现痕量气体的高灵敏度传感。
典型地，本发明中可采用环形衰荡腔技术，如图1中电力变压器主腔室内部所示环路，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。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)或高反射率的光学结构组成高反射率的环形光学折反射腔，所述高反射率的光学结构是光纤布喇格光栅。光纤布喇格光栅反射率不低于80％，栅区长度不超过10mm。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。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。
(3)增益钳制光路拓扑，增益钳制单元的带宽范围不低于30nm。
在衰荡腔内通过调节其增益补偿非气体吸收引起的损耗，使腔内固有损耗降低，这样可以大大增加光脉冲在腔内的循环次数，经过气体吸收的总长度也会增加，从而提高测量的灵敏度。因此，本发明中结合掺铒光纤放大器(EDFA)的增益钳制技术，提出一种增益钳制的光路拓扑(如图4所示)，用于补偿衰荡腔内的损耗。增加衰荡时间，降低系统误差。
所提出的增益钳制光路拓扑主要包括三个部分：
(1)掺铒光纤放大支路由第一隔离器ISO、掺铒光纤放大器EDFA及第二隔离器ISO串联组成，实现直接对光信号进行放大；
(2)可调衰减支路由第一密集波分复用器DWDM、可调衰减器DOVA及第二密集波分复用器DWDM组成，用于钳制增益放大；
(3)密集波分复用节点，由第三密集波分复用器组成，把引入的光信号分配给特定频带内的指定频率，然后把信号复用到一根光纤中。
通过所提出的增益钳制光路拓扑能够实现在光信号不失真条件先的最佳放大增益，获得最优化的衰荡结果，从而实现高灵敏的测试结果。
Claims (10)
1.一种高灵敏度光谱吸收衰减振荡腔的变压器油中气体检测装置，其特征在于，该气体检测装置由超连续谱宽带光源、光纤环形衰减振荡腔、增益钳制单元和光强检测单元组成；使用空心光子晶体光纤和基于光纤光栅的腔体衰减振荡检测技术相结合进行变压器油中气体检测；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，在电力变压器主腔室内部,在两列空心光子晶体光纤的两端各连接一个高反射率的光学器件或高反射率的光学结构形成光纤环形衰减振荡腔，超连续谱宽带光源通过光纤与光纤环形衰减振荡腔一端连接，光纤环形衰减振荡腔的另一端通过光纤与增益钳制光路连接，增益钳制光路通过光纤与光强检测单元连接；利用光纤环形衰减振荡腔和增益钳制光路拓扑设计来提高检测的灵敏度；其中，
所述超连续谱宽带光源为多组份气体的光谱吸收提供光源；
所述光纤环形衰减振荡腔由空心光子晶体光纤和两片高反射率的光学器件或者结构组成为一个光学稳定谐振腔；将光信号测量转化为容易实现的高精度时间变化量测量，提高系统检测精度；
所述增益钳制单元增益钳制单元由掺铒光纤放大支路、可调衰减支路并联后与波分复用器节点连接构成；用于放大从光纤环形衰减振荡腔透射出的光信号；
所述光强检测单元由光强检测设备及数据采集设备组成，用于检测和记录光强的随时间的衰减情况数据并可计算得到对应的故障气体的种类与含量，在此基础上，对变压器油中溶解气体的种类与含量进行分析和评估。
2.根据权利要求1所述一种高灵敏度光谱吸收衰减振荡腔的变压器油中气体检测装置，其特征在于，所述掺铒光纤放大支路由第一隔离器ISO、掺铒光纤放大器EDFA及第二隔离器ISO串联组成。
3.根据权利要求1所述一种高灵敏度光谱吸收衰减振荡腔的变压器油中气体检测装置，其特征在于，所述可调衰减支路由第一密集波分复用器DWDM、可调衰减器DOVA及第二密集波分复用器DWDM组成。
4.根据权利要求1所述一种高灵敏度光谱吸收衰减振荡腔的变压器油中气体检测装置，其特征在于，所述高反射率的光学器件是高耦合比的光纤耦合器；所述高反射率的光学结构是光纤布喇格光栅。
5.根据权利要求1所述一种高灵敏度光谱吸收衰减振荡腔的变压器油中气体检测装置，其特征在于，所述密集波分复用节点由第三密集波分复用器组成，把引入的光信号分配给特定频带内的指定频率，然后把信号复用到一根光纤中。
6.根据权利要求1所述一种高灵敏度光谱吸收衰减振荡腔的变压器油中气体检测装置，其特征在于，所述增益钳制单元的带宽范围不低于30nm。
7.根据权利要求1所述一种高灵敏度光谱吸收衰减振荡腔的变压器油中气体检测装置，其特征在于，所述连接光纤为单模光纤或者多模光纤。
8.根据权利要求1所述一种高灵敏度光谱吸收衰减振荡腔的变压器油中气体检测装置，其特征在于，所述光强检测设备包括光电探测器和光谱仪。
9.根据权利要求4所述一种高灵敏度光谱吸收衰减振荡腔的变压器油中气体检测装置，其特征在于，所述光纤布喇格光栅反射率不低于80％，栅区长度不超过10mm。
10.根据权利要求4所述一种高灵敏度光谱吸收衰减振荡腔的变压器油中气体检测装置，其特征在于，所述高耦合比光纤耦合器的耦合比为10:90或者1:99或者0.5:99.5。
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