CN104807805A - 一种基于拉曼光谱的变压器油中溶解气体检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于电气设备的故障诊断技术领域的一种基于拉曼光谱的变压器油中溶解气体检测装置，是一种基于拉曼光谱和空心光子晶体光纤的变压器油中气体的检测装置，该装置为激光器光源与聚物镜、变压器主箱体、拉曼探头、光谱仪、计算机串联成回路；其中，空心光子晶体光纤固定在变压器主箱体内，单模光纤将激光器光源、聚物镜、空心光子晶体光纤、拉曼探头、光谱仪依次连接；本发明实现拉曼光谱和空心光子晶体光纤应用于变压器油中溶解气体的传感和在线检测，实现电气设备的在线绝缘状态的监测，具有简化油气分离、混合气体同时检测，灵敏度高、响应时间短、重复性和稳定性好、实现故障定位等优点。
Description
技术领域
本发明属于电气设备的故障诊断技术领域，特别涉及一种基于拉曼光谱的变压器油中溶解气体检测装置，具体而言，涉及一种基于拉曼光谱和空心光子晶体光纤的变压器油中气体的检测装置，实现电气设备的在线绝缘状态的监测。
背景技术
充油式电力变压器中的电、热故障，总是与油中溶解气体包括氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙炔、乙烯和乙烷的形成有关。通过溶解气体分析可以区分诸如过热，局部放电和电弧放电等不同类型的故障，溶解气体分析已经成为国际社会普遍认可的变压器早期故障检测的一种有效诊断技术。变压器油中溶解气体是变压器故障重要表征，油中溶解气体组分及浓度的准确测量是溶解气体分析的关键。
现有的在线色谱监测系统都涉及到要将故障气体从油中分离出来的问题，检测结果与油中实时结果会存在一定差异，有些检测方法中涉及到使用电子器件，现场复杂的电磁环境对测量结果也是会造成影响。不同检测方法的在线监测系统在实际应用中存在着不同的问题：
(1)采用微热导做为气体检测方法，需要在现场放置稀有气体作为载气，并且造价高。
(2)半导体传感器、催化燃料型传感器检测气体，存在寿命短、零漂严重等问题。
(3)燃料电池法检测气体，寿命有限，并且电解液易泄露。
(4)红外光谱检测技术虽然有较好的灵敏度，且不需要载气，但是由于其造价高限制了其的推广。
(5)光声光谱法灵敏度高，精度也令人满意，是一种近年来迅速发展的气体检测方法，但需要为每一种特征气体配置特定波长的激光，价格昂贵，并且需要将变压器油引至箱体外可能会带来油污染的风险。
发明内容
本发明的目的提供一种基于拉曼光谱的变压器油中溶解气体检测装置，其特征在于，所述变压器油中溶解气体的检测装置为激光光源与聚物镜、变压器主箱体、拉曼探头、光谱仪、计算机串联成回路；其中，空心光子晶体光纤固定在变压器主箱体内，单模光纤将激光光源、聚物镜、空心光子晶体光纤、拉曼探头、光谱仪依次连接；光谱仪的数据输出端与计算机的输入连接，计算机的输出连接激光光源；
所述激光光源，用于产生单一频率的光，以单模光纤作为激光光源产生的单一频率的光的传播载体；
所述聚物镜，用于聚焦激光光源产生的单一频率的光，聚焦到一定的光强，并经过单模光纤传输给空心光子晶体光纤；
所述空心光子晶体光纤的两端在变压器主箱体内与单模光纤进行溶接，使得在变压器主箱体内传输的光发生拉曼散射；
所述拉曼探头用于接收拉曼散射后的光信号；并将光信号传输给光谱仪；
所述光谱仪用于数据观察，得到光谱线；所述计算机作为数据分析与控制系统，对光谱仪输出的数据进行分析处理以及控制激光器光源。
所述激光光源通过控制系统进行光源参数设置与调整，或以手动设置与调整。
所述单模光纤与空心光子晶体光纤的熔接是采用四维校准法将普通单模光纤与光子晶体光纤对直；控制两种光纤之间的距离，避免距离太近导致空气孔破坏，同时防止距离太远导致光损耗增大；调控熔接电流和熔接时间，避免熔接过程中的热效应严重破坏原有的包层空气孔结构，导致光子晶体光纤的导波结构破坏。
所述空心光子晶体光纤的横截面上有较复杂的折射率分布，含有不同排列形式的气孔，用于限制光波在低折射率的光纤芯区传播。
所述空心光子晶体光纤用作气体传感的气室，是采用飞秒激光源进行光子晶体光纤侧面钻孔的方法形成毛细管气体通道，气体通过毛细管气体通道进入气室的通道。
所述毛细管气隙通道是通过调控飞秒激光器和物镜参数及激光器工作时间而形成不同纳米尺寸的微孔，使得油中溶解气体的小分子可以进入，而油中烷烃、环烷烃、和芳香不饱和烃等大分子不能进入，从而实现油气分离和气体传感。
本发明的有意效果是与现有技术相比，本发明具备以下优点：
(1)灵敏度高。纯光学测量，避免电磁、震动、噪声等信号干扰，所以灵敏度会比较高；ppm级的测量结果已经在大量公开文献中得以证实。
(2)混合气体同时检测，拉曼光谱技术无需对混合气体进行分离，可同时检测包括氢气在内的七种气体。
(3)简化油气分离，利用飞秒钻孔技术可实现实时的油气分离，响应时间短，工艺可相对简化。
(4)气室体积小，利用空心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。
(5)响应时间短，一方面油气分离平衡时间短，另外一方面，传感气室内置于变压器中，所以响应时间会很快，预计可达到分钟数量级。
(6)本质安全，空心光子晶体光纤可内置在变压器油中，纯光学传感，完全不影响变压器的绝缘并且不受强电磁场、震动和噪声等干扰。
(7)重复性和稳定性好，该方法不接触、不消耗气体，重复性和稳定性有保证，
(8)实现故障定位，通过在变压器内部多点布置空心光子晶体光纤，能够实现基于检测油中溶解气体的故障定位功能。
(9)成本经济。相对于光声光谱和红外光谱吸收等技术方案，拉曼光谱只需要单一频率光源，所以成本相对低很多，整体而言经济性较好。
附图说明
图1为基于拉曼光谱和空心光子晶体光纤的变压器油中气体检测装置结构示意图。
图2为单模光纤和空心光子晶体光纤熔接的结构示意图。
图3为一种空心光子晶体光纤的横截面结构示意图。
图4为另一种空心光子晶体光纤的横截面结构示意图。
图5为利用飞秒激光器和聚物镜在空心光子晶体光纤上打孔的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种基于拉曼光谱的变压器油中溶解气体检测装置，下面结合附图予以说明。
图1为基于拉曼光谱和空心光子晶体光纤的变压器油中气体检测装置结构示意图；所述变压器油中溶解气体的检测装置为激光光源与聚物镜、变压器主箱体、拉曼探头、光谱仪、计算机串联成回路；其中，空心光子晶体光纤固定在变压器主箱体内，单模光纤将激光光源、聚物镜、空心光子晶体光纤、拉曼探头、光谱仪依次连接；光谱仪的数据输出端与计算机的输入连接，计算机的输出连接激光光源，计算机作为数据分析与控制系统，对光谱仪输出的数据进行分析处理以及控制激光光源；激光光源通过计算机控制进行光源参数设置与调整，或以手动设置与调整。
所述激光光源，用于产生单一频率的光，以单模光纤作为激光光源产生的单一频率的光的传播载体；
所述聚物镜，用于聚焦激光光源产生的单一频率的光，聚焦到一定的光强，并经过单模光纤传输给空心光子晶体光纤；两种空心光子晶体光纤的横截面结构如图3、图4所示；在空心光子晶体光纤的横截面上有较复杂的折射率分布，含有不同排列形式的气孔，用于限制光波在低折射率的光纤芯区传播。
所述空心光子晶体光纤的两端在变压器主箱体内与单模光纤进行溶接，如图2所示，在变压器主箱体内的空心光子晶体光纤HC-PCF两端与单模光纤的溶接点，实际上两种光纤的接触面有一定的间歇(如实心单模光纤与空心光子晶体光纤的纤芯偏移量不超过0.1μm，两种光纤之间的间距不大于5mm)，使得空心光子晶体光纤在变压器主箱体内传输的光发生拉曼散射；拉曼探头接收拉曼散射后的光信号；并将光信号传输给光谱仪；从光谱仪上的数据观察，得到光谱线。
图5为利用飞秒激光器和聚物镜在空心光子晶体光纤上打孔的示意图。
所述空心光子晶体光纤是采用飞秒激光源进行光子晶体光纤侧面钻孔的方法形成毛细管气体通道，气体通过毛细管气体通道进入气室的通道，用作气体传感的气室，所述毛细管气隙通道是通过调控飞秒激光器和物镜参数及激光器工作时间而形成不同纳米尺寸的微孔，使得油中溶解气体的小分子可以进入，而油中烷烃、环烷烃、和芳香不饱和烃等大分子不能进入，从而实现油气分离和气体传感。
所述单模光纤与空心光子晶体光纤的熔接是采用四维校准法将普通单模光纤与光子晶体光纤对直；控制两种光纤之间的距离，避免距离太近导致空气孔破坏，同时防止距离太远导致光损耗增大；调控熔接电流和熔接时间，避免熔接过程中的热效应严重破坏原有的包层空气孔结构，导致光子晶体光纤的导波结构破坏。
Claims (6)
1.一种基于拉曼光谱的变压器油中溶解气体检测装置，其特征在于，所述变压器油中溶解气体的检测装置为激光器光源与聚物镜、变压器主箱体、拉曼探头、光谱仪、计算机串联成回路；其中，空心光子晶体光纤固定在变压器主箱体内，单模光纤将激光器光源、聚物镜、空心光子晶体光纤、拉曼探头、光谱仪依次连接；光谱仪的数据输出端与计算机的输入连接，计算机的输出连接激光光源；
所述激光光源，用于产生单一频率的光，以单模光纤作为激光器光源产生的单一频率的光的传播载体；
所述聚物镜，用于聚焦激光器光源产生的单一频率的光，聚焦到一定的光强，并经过单模光纤传输给空心光子晶体光纤；
所述空心光子晶体光纤的两端在变压器主箱体内与单模光纤进行熔接，使得在变压器主箱体内传输的光发生拉曼散射；
所述拉曼探头用于接收拉曼散射后的光信号；并将光信号传输给光谱仪；
所述光谱仪用于数据观察，得到拉曼频移；所述计算机作为数据分析与控制系统，对光谱仪输出的数据进行分析处理以及控制激光光源。
2.根据权利要求1所述一种基于拉曼光谱的变压器油中溶解气体检测装置，其特征在于，所述激光器光源通过控制系统进行光源参数设置与调整，或以手动设置与调整。
3.根据权利要求1所述一种基于拉曼光谱的变压器油中溶解气体检测装置，其特征在于，所述单模光纤与空心光子晶体光纤的熔接是采用四维校准法将普通单模光纤与光子晶体光纤对直；控制两种光纤之间的距离，避免距离太近导致空气孔破坏，同时防止距离太远导致光损耗增大；调控熔接电流和熔接时间，避免熔接过程中的热效应严重破坏原有的包层空气孔结构，导致光子晶体光纤的导波结构破坏。
4.根据权利要求1所述一种基于拉曼光谱的变压器油中溶解气体检测装置，其特征在于，所述空心光子晶体光纤的横截面上有较复杂的折射率分布，含有不同排列形式的气孔，用于限制光波在低折射率的光纤芯区传播。
5.根据权利要求1所述一种基于拉曼光谱的变压器油中溶解气体检测装置，其特征在于，所述空心光子晶体光纤用作气体传感的气室，是采用飞秒激光源进行光子晶体光纤侧面钻孔的方法形成毛细管气体通道，气体通过毛细管气体通道进入气室的通道。
6.根据权利要求6所述一种基于拉曼光谱的变压器油中溶解气体检测装置，其特征在于，所述毛细管气隙通道是通过调控飞秒激光器和物镜参数及激光器工作时间而形成不同纳米尺寸的微孔，使得油中溶解气体的小分子可以进入，而油中烷烃、环烷烃、和芳香不饱和烃等大分子不能进入，从而实现油气分离和气体传感。
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