CN109239008A - 一种基于微纳光纤倏逝场的油浸式变压器故障检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微纳光纤倏逝场的油浸式变压器故障检测装置，包含可调谐半导体激光光源、分段式微纳光纤、光电探测器、锁相放大器、数据采集卡和控制模块，分段式微纳光纤浸泡在待检测油浸式变压器主箱体内的油中。本发明通过对宽带激光经过分段式微纳光纤后各个溶解故障特征气体对应波长的激光的衰减率进行判断，得出待检测油浸式变压器主箱体内的油中是否产生各个溶解故障特征气体，进而待检测油浸式变压器是否故障以及故障的种类。本方法具有免油气分离、多种气体同时检测、灵敏度高、检测速度快、重复性好以及实时检测等优点。

Description

一种基于微纳光纤倏逝场的油浸式变压器故障检测装置

技术领域

本发明涉及电气设备故障检测技术领域，尤其涉及一种基于微纳光纤倏逝场的油浸式变压器故障检测装置。

背景技术

油浸式变压器在发生电故障或热故障时，会产生氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙炔、乙烯和乙烷等气体，这些气体会溶解在变压器油中，被称为故障特征气体。通过对变压器油中溶解气体进行组分分析，可以判断出诸如局部过热，局部放电以及电弧放电等不同的故障类型。目前，国际社会普遍认可使用变压器油中溶解气体组分分析技术来进行变压器早期故障的诊断。通过变压器油中溶解气体分析技术可以判断变压器的故障类型，而变压器油中溶解气体分析的核心任务就是油中溶解气体的组成成分及其浓度的准确测量。

现有的变压器油中溶解气体检测技术为在线色谱检测系统法，该方法涉及到将故障气体从变压器油中分离出来的问题，油气分离环节需要大量设备与较长时间，过程中可能混入少量其他气体成分，致使检测结果与变压器油中实时监测有差异。此外，部分监测方法含有电路以及电子器件，容易受到现场的各种电磁场干扰，对检测结果亦会造成影响。

目前已经应用的变压器油中溶解气体在线检测系统存在如下一些问题：

（1）油气分离检测法需要油气分离装置，使得传感系统非常复杂，导致在线监测装置的长期可靠性大大降低。

（2）光声光谱法需要为变压器油中溶解的每种故障特征气体配置特定波长的激光，导致成本高和装置复杂，并且将变压器油引至箱体外可能会导致油污染，影响变压器的稳定运行。

（3）燃料电池检测法，燃料电池寿命有限，电解液易泄露。

（4）催化燃料型传感器检测法，设备寿命较短、零漂严重。

（5）红外光谱检测技术较为准确，但是成本较高，难以大规模的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于微纳光纤倏逝场的油浸式变压器故障检测装置。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于微纳光纤倏逝场的油浸式变压器故障检测装置，包含可调谐半导体激光光源、分段式微纳光纤、光电探测器、锁相放大器、数据采集卡和控制模块；

所述分段式微纳光纤设置在带检测油浸式变压器主箱体中的油中，包含若干交替排列且相互连接的单模光纤段和微纳光纤段，其两端分别通过单模光纤和可调谐半导体激光光源的输出端、光电探测器的输入端相连；

所述可调谐半导体激光光源用于产生预设的频率阈值、预设的波长范围、预设的光强阈值的宽带激光，并将其通过单模光纤传递给所述分段式微纳光纤，所述预设的波长范围涵盖油浸式变压器油中各个溶解故障特征气体的吸收峰；

所述分段式微纳光纤用于使得其内传输的宽带激光的倏逝场和油浸式变压器主箱体内油中的溶解气体作用、进行衰减后传递给所述光电探测器；

所述光电探测器的输出端和所述锁相放大器电气相连，用于将接收到的衰减后的宽带激光信号转换为电信号、并将其传递给所述锁相放大器；

所述锁相放大器还和所述控制模块、数据采集卡电气相连，用于根据控制模块传递的参考信号从接收到的电信号中筛选出和预设的频率阈值同频率的宽带激光对应的电信号、滤除其他频率的干扰信号后进行放大，并将筛选出来进行放大后的电信号传递给所述数据采集卡；

所述数据采集卡用于对接收到的电信号进行计算，得到衰减过后的宽带激光中各个溶解故障特征气体对应波长的激光的光强，结合预设的光强阈值，计算出宽带激光中各个溶解故障特征气体对应波长的激光的衰减率后、将其传递给所述控制模块；

所述控制模块分别可调谐半导体激光光源、锁相放大器、数据采集卡电气相连，用于控制可调谐半导体激光光源工作；将宽带激光预设的频率阈值对应的电信号作为参考信号发送给锁相放大器；对于宽带激光中各个溶解故障特征气体对应波长的激光的衰减率，将其分别和对应溶解故障特征气体预设的衰减率阈值进行比较，若存在溶解故障特征气体对应波长的激光的衰减率大于对应溶解故障特征气体预设的衰减率阈值的情况，判断出现该溶解故障特征气体对应的故障；否则判断没有故障。

作为本发明一种基于微纳光纤倏逝场的油浸式变压器故障检测装置进一步的优化方案，所述预设的频率阈值的范围为50~1000Hz。

作为本发明一种基于微纳光纤倏逝场的油浸式变压器故障检测装置进一步的优化方案，所述分段式微纳光纤两端采用无衰减法兰和单模光纤连接，且在连接处设有防油密封胶。

作为本发明一种基于微纳光纤倏逝场的油浸式变压器故障检测装置进一步的优化方案，所述分段式微纳光纤中微纳光纤段的直径范围为500~2500nm，以形成大比例倏逝场。

作为本发明一种基于微纳光纤倏逝场的油浸式变压器故障检测装置进一步的优化方案，所述防油密封胶的型号为SONLOK3510。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本质安全。抗电磁干扰、电气绝缘、耐腐蚀，基于微纳光纤倏逝场的传感器在现场环境中能有效地发挥作用。

（2）便于复用。方便形成分布式传感网络，与中心计算机连接，实现多功能和智能化的要求。

（3）体积小。重量轻、外形可变。

（4）灵敏度高。可达到ppm级的测量精度。

（5）稳定性好。光纤是无源器件，对被检测气体不产生附加影响。

（6）无需油气分离环节。无需油室和气室，便于实现即时传感。光纤传感器内置于变压器油中，检测速度快，可达分钟数量级。

（7）采用单模光纤传光。不受光路准直的限制，提升测量系统抗震动和噪声的性能。

（8）混合气体同时检测。微纳光纤倏逝场检测技术无需对混合气体进行分离，可同时检测乙炔、甲烷以及氢气等七种故障特征气体。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中单模光纤和分段式微纳光纤连接的结构示意图；

图3为本发明中分段式微纳光纤的结构示意图。

图中，1-可调谐半导体激光光源，2-油浸式变压器，3-分段式微纳光纤，4-锁相放大器，5-数据采集卡，6-控制模块，7-分段式微纳光纤中的微纳光纤段，8-分段式微纳光纤中的单模光纤段，9-防油密封胶，10-无衰减法兰，11-单模光纤。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种基于微纳光纤倏逝场的油浸式变压器故障检测装置，包含可调谐半导体激光光源、分段式微纳光纤、光电探测器、锁相放大器、数据采集卡和控制模块。

如图2所示，所述分段式微纳光纤设置在带检测油浸式变压器主箱体中的油中，其两端分别通过单模光纤和可调谐半导体激光光源的输出端、光电探测器的输入端相连；分段式微纳光纤两端采用无衰减法兰和单模光纤连接，且在连接处设有防油密封胶SONLOK3510，用以防油。

如图3所示，分段式微纳光纤包含若干交替排列且相互连接的单模光纤段和微纳光纤段，微纳光纤段的直径范围为500~2500nm，以形成大比例倏逝场。

所述可调谐半导体激光光源用于产生预设的频率阈值、预设的波长范围、预设的光强阈值的宽带激光，并将其通过单模光纤传递给所述分段式微纳光纤，所述预设的波长范围涵盖油浸式变压器油中各个溶解故障特征气体的吸收峰；预设的频率阈值的范围为50~1000Hz。

所述分段式微纳光纤用于使得其内传输的宽带激光的倏逝场和油浸式变压器主箱体内油中的溶解气体作用、进行衰减后传递给所述光电探测器；

所述油浸式变压器的油中溶解故障特征气体，具体是指氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳和二氧化碳七种气体。

所述光电探测器的输出端和所述锁相放大器电气相连，用于将接收到的衰减后的宽带激光信号转换为电信号、并将其传递给所述锁相放大器；

所述锁相放大器还和所述控制模块、数据采集卡电气相连，用于根据控制模块传递的参考信号从接收到的电信号中筛选出和预设的频率阈值同频率的宽带激光对应的电信号、滤除其他频率的干扰信号后进行放大，并将筛选出来进行放大后的电信号传递给所述数据采集卡；

所述数据采集卡用于对接收到的电信号进行计算，得到衰减过后的宽带激光中各个溶解故障特征气体对应波长的激光的光强，结合预设的光强阈值，计算出宽带激光中各个溶解故障特征气体对应波长的激光的衰减率后、将其传递给所述控制模块；

所述控制模块分别可调谐半导体激光光源、锁相放大器、数据采集卡电气相连，用于控制可调谐半导体激光光源工作；将宽带激光预设的频率阈值对应的电信号作为参考信号发送给锁相放大器；对于宽带激光中各个溶解故障特征气体对应波长的激光的衰减率，将其分别和对应溶解故障特征气体预设的衰减率阈值进行比较，若存在溶解故障特征气体对应波长的激光的衰减率大于对应溶解故障特征气体预设的衰减率阈值的情况，判断出现该溶解故障特征气体对应的故障；否则判断没有故障。

本发明通过对宽带激光经过分段式微纳光纤后各个溶解故障特征气体对应波长的激光的衰减率进行判断，得出待检测油浸式变压器主箱体内的油中是否产生各个溶解故障特征气体，进而待检测油浸式变压器是否故障以及故障的种类，具有免油气分离、多种气体同时检测、灵敏度高、检测速度快、重复性好以及实时检测等优点。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于微纳光纤倏逝场的油浸式变压器故障检测装置，其特征在于，包含可调谐半导体激光光源、分段式微纳光纤、光电探测器、锁相放大器、数据采集卡和控制模块；

所述分段式微纳光纤设置在带检测油浸式变压器主箱体中的油中，包含若干交替排列且相互连接的单模光纤段和微纳光纤段，其两端分别通过单模光纤和可调谐半导体激光光源的输出端、光电探测器的输入端相连；

所述可调谐半导体激光光源用于产生预设的频率阈值、预设的波长范围、预设的光强阈值的宽带激光，并将其通过单模光纤传递给所述分段式微纳光纤，所述预设的波长范围涵盖待检测油浸式变压器油中各个溶解故障特征气体的吸收峰；

所述分段式微纳光纤用于使得其内传输的宽带激光的倏逝场和油浸式变压器主箱体内油中的溶解气体作用、进行衰减后传递给所述光电探测器；

所述光电探测器的输出端和所述锁相放大器电气相连，用于将接收到的衰减后的宽带激光信号转换为电信号、并将其传递给所述锁相放大器；

所述锁相放大器还和所述控制模块、数据采集卡电气相连，用于根据控制模块传递的参考信号从接收到的电信号中筛选出和预设的频率阈值同频率的宽带激光对应的电信号、滤除其他频率的干扰信号后进行放大，并将筛选出来进行放大后的电信号传递给所述数据采集卡；

所述数据采集卡用于对接收到的电信号进行计算，得到衰减过后的宽带激光中各个溶解故障特征气体对应波长的激光的光强，结合预设的光强阈值，计算出宽带激光中各个溶解故障特征气体对应波长的激光的衰减率后、将其传递给所述控制模块；

所述控制模块分别可调谐半导体激光光源、锁相放大器、数据采集卡电气相连，用于控制可调谐半导体激光光源工作；将宽带激光预设的频率阈值对应的电信号作为参考信号发送给锁相放大器；对于宽带激光中各个溶解故障特征气体对应波长的激光的衰减率，将其分别和对应溶解故障特征气体预设的衰减率阈值进行比较，若存在溶解故障特征气体对应波长的激光的衰减率大于对应溶解故障特征气体预设的衰减率阈值的情况，判断出现该溶解故障特征气体对应的故障；否则判断没有故障。

2.根据权利要求1所述基于微纳光纤倏逝场的油浸式变压器故障检测装置，其特征在于，所述预设的频率阈值的范围为50~1000Hz。

3.根据权利要求1所述一种基于微纳光纤倏逝场的油浸式变压器故障检测装置，其特征在于，所述分段式微纳光纤两端采用无衰减法兰和单模光纤连接，且在连接处设有防油密封胶。

4.根据权利要求1所述一种基于微纳光纤倏逝场的油浸式变压器故障检测装置，其特征在于，所述分段式微纳光纤中微纳光纤段的直径范围为500~2500nm，以形成大比例倏逝场。

5.根据权利要求4所述一种基于微纳光纤倏逝场的油浸式变压器故障检测装置，其特征在于，所述防油密封胶的型号为SONLOK3510。