CN111504922A - 一种基于空芯光子晶体光纤的gis内部气体组分检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于空芯光子晶体光纤的GIS内部微量故障分解气体组分检测系统及方法，它包括：激光器、单模光纤、空芯光子晶体光纤、连接器、T形管气室、气压表、气阀。本发明基于空芯光子晶体光纤，利用其纤芯可充入气体的特点，构成气室填入GIS内部气体，通过光信号与气体发生作用时光谱的变化信息，实现对GIS内部气体组分如SO₂、H₂S等的检测。本发明具有抗电磁干扰、结构简单、可靠性高的特点。

Description

一种基于空芯光子晶体光纤的GIS内部气体组分检测装置及 方法

技术领域

本发明涉及GIS设备技术领域，特别是一种基于空芯光子晶体光纤的GIS内部气体组分检测装置及方法。

背景技术

气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear，GIS)以其不受环境影响、施工安装时间短、施工费用低、运行安全可靠、维护工作量少、运行费用省、不受无线电干扰、占地面积小等优点迅速发展并广泛应用于电力系统的高压和超/特高压领域，并且在今后会得到更大规模的应用。

尽管GIS的可靠性高于普通的电气设备，但在运行过程中依然会出现放电性、过热性等故障。针对GIS的放电性故障诊断可以采用电测法、超声法和特高频法等，但由于现场存在强电磁干扰，使得上述方法易受到电磁噪声干扰，影响故障的准确判断。针对GIS过热性故障，尽管可以通过红外直接测量其表面温度来判断，但难以通过其表面温度来判断内部局部过热点温度。纯净的SF6在局部放电、局部过热等因素作用下，会使SF₆气体分子裂解，裂解产生的低氟硫化物与GIS内部存在的微量水分和氧气等杂质反应会生成新组分气体，有些新组分气体(称之为特征组分)又与引起裂解的内部故障因素有着密切的关联，利用这些特征组分的生成及变化规律建立的基于分解组分分析(Decomposed ComponentsAnalysis，DCA)方法，能够实现SF6气体绝缘装备的状态监测和故障诊断。

针对SF₆故障分解气体检测，目前有气相色谱法、检测管法、红外吸收光谱法、气体传感器法等。气相色谱法、检测管法是基于离线的方法，难以形成在线的检测系统。气体传感器法存在检测气体组分单一，部分传感器使用寿命短等缺点。红外吸收光谱法无需气体分离、需要样气少、可在分解气体组分定性的同时完成定量、检测时间短,可形成在线监测系统。但传统的气体吸收池如White型存在结构复杂，稳定低差等缺点。

目前，光纤型气体传感设备和方案因其抗电磁干扰能力强、体积小、易于组网等优点而成为了现今国内外传感技术领域的重要研究对象。空芯光子晶体光纤是一种新型的传输光纤，它是纤芯为空气孔结构，包层为有周期排列的空气组成的二维光子晶体结构，利用其作为气室的全光纤光路可以有效解决传统气室光学结构复杂，稳定性差等缺点。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的就是提供一种基于空芯光子晶体光纤的GIS内部气体组分检测装置，通过单模光纤-空芯光子晶体光纤-单模光纤构成全光纤光路，利用空芯光子晶体光纤纤芯的空气孔结构构成气室，填入GIS内部气体，对光信号与GIS内部气体充分发生作用后产生的光谱信息变化进行分析，就可以得出GIS内部气体的组成成分和浓度信息，再通过分解组分分析法，能够实现SF6气体绝缘装备的状态监测和故障诊断。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的：

一种基于空芯光子晶体光纤的GIS内部气体组分检测装置，其特征在于，包括：激光器、单模光纤、空芯光子晶体光纤、连接器、T形管气室、气压表、气阀；所述的单模光纤的一端和所述的空芯光子晶体光纤的一端通过连接器相连，两光纤之间留有20μm的间隙，所述的空芯光子晶体光纤的另一端与另一根单模光纤的一端同样通过连接器相连，形成两个接头，一根单模光纤的另一端与激光器相连接，另一根单模光纤的另一端与光谱仪相连接。连接器设置在T形管气室内，T形管的上端安装有气压表和气阀，光路即由单模光纤-空芯光子晶体光纤-单模光纤构成。

在上述的一种基于空芯光子晶体光纤的GIS内部气体组分检测装置，光纤穿过T形管，T形管的左右两端密封，形成由T形管-空芯光子晶体光纤纤芯-T形管构成的气室。

在上述的一种基于空芯光子晶体光纤的GIS内部气体组分检测装置，所述的连接器为陶瓷空心圆柱体，空心圆柱体内径稍大于光纤直径。

在上述的一种基于空芯光子晶体光纤的GIS内部气体组分检测装置，所述的T形管的材质为有机玻璃。

在上述的一种基于空芯光子晶体光纤的GIS内部气体组分检测装置，所述的气室通过压力差法填充GIS内部气体。

一种基于空芯光子晶体光纤的GIS内部气体组分检测方法，其特征在于，包括：

步骤1.首先检查装置的气密性，具体方法为在左右两个T形管气室中通入4个单位大气压的空气，几小时后，左右两个气压表示数不发生明显变化，即表明装置气密性良好。

步骤2.将左右两个气室反复进行抽真空处理，去除残留在T形管和空芯光子晶体光纤纤芯中的空气。

步骤3.保持一个T形管中的气压为0，另一个T形管中充入四个单位大气压的GIS内部气体，在压力差的作用下，气体填充进入空芯光子晶体光纤的纤芯。

步骤4.打开激光器，发射光信号，光信号经由由单模光纤-空芯光子晶体光纤-单模光纤构成的光路后，进入光谱仪进行检测。由于空芯光子晶体光纤中已填入GIS内部气体，因此光信号会与GIS内部气体充分发生作用，光谱信号会发生相应变化。

步骤5.通过光谱仪分析光信号的光谱信息，如吸收峰、频率偏移等，得出GIS内部气体的组成成分和浓度等信息，用于分解组分分析，实现GIS设备的状态监测和故障诊断。

总之，本发明装置具有结构简单，稳定性好，抗电磁干扰能力强、体积小、检测时间短，可重复使用等优点。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明一种基于空芯光子晶体光纤的GIS内部气体组分检测装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

请参阅图1，本发明一种基于空芯光子晶体光纤的GIS内部气体组分检测装置，它包括有：激光器、单模光纤、空芯光子晶体光纤、连接器、T形管气室、气压表、气阀。

本发明的具体制作步骤如下：

1.将单模光纤的一端和空芯光子晶体光纤的一端通过连接器相连，两光纤之间留有20μm的间隙，便于气体进入空芯光子晶体光纤的纤芯；将空芯光子晶体光纤的另一端与另一根单模光纤的一端采用同样的方式处理，进而形成两个接头。连接器为空心圆柱体结构，材质为陶瓷，空心圆柱体内径稍大于光纤直径，便于单模光纤与空芯光子晶体光纤的连接固定。光路即由单模光纤-空芯光子晶体光纤-单模光纤构成。

2.将上述的两个接头分别置于两个T形管气室中，光纤穿过T形管后，将T形管的左右两端密封，形成由T形管-空芯光子晶体光纤纤芯-T形管构成的气室，T形管的上端安装气压表和气阀，T形管的材质为有机玻璃。

3.将上述的第一根单模光纤的另一端与激光器相连接，所述的第二根单模光纤的另一端与光谱仪相连接。激光器进行光信号的发射，光谱仪进行光信号的检测。

本发明的操作方法如下：

1.首先检查装置的气密性，具体方法为在左右两个T形管气室中通入4个单位大气压的空气，几小时后，左右两个气压表示数不发生明显变化，即表明装置气密性良好。

2.将左右两个气室反复进行抽真空处理，去除残留在T形管和空芯光子晶体光纤纤芯中的空气。

3.保持一个T形管中的气压为0，另一个T形管中充入四个单位大气压的GIS内部气体，在压力差的作用下，气体填充进入空芯光子晶体光纤的纤芯。

4.打开激光器，发射光信号，光信号经由由单模光纤-空芯光子晶体光纤-单模光纤构成的光路后，进入光谱仪进行检测。由于空芯光子晶体光纤中已填入GIS内部气体，因此光信号会与GIS内部气体充分发生作用，光谱信号会发生相应变化。

5.通过光谱仪分析光信号的光谱信息，如吸收峰、频率偏移等，得出GIS内部气体的组成成分和浓度等信息，用于分解组分分析，实现GIS设备的状态监测和故障诊断。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于空芯光子晶体光纤的GIS内部气体组分检测装置，其特征在于，包括：激光器、单模光纤、空芯光子晶体光纤、连接器、T形管气室、气压表、气阀；所述的单模光纤的一端和所述的空芯光子晶体光纤的一端通过连接器相连，两光纤之间留有20μm的间隙，所述的空芯光子晶体光纤的另一端与另一根单模光纤的一端同样通过连接器相连，形成两个接头，一根单模光纤的另一端与激光器相连接，另一根单模光纤的另一端与光谱仪相连接，连接器设置在T形管气室内，T形管的上端安装有气压表和气阀，光路即由单模光纤-空芯光子晶体光纤-单模光纤构成。

2.如权利要求1所述的一种基于空芯光子晶体光纤的GIS内部气体组分检测装置，其特征在于，光纤穿过T形管，T形管的左右两端密封，形成由T形管-空芯光子晶体光纤纤芯-T形管构成的气室。

3.如权利要求1所述的一种基于空芯光子晶体光纤的GIS内部气体组分检测装置，其特征在于，所述的连接器为陶瓷空心圆柱体，空心圆柱体内径稍大于光纤直径。

4.如权利要求2所述的一种基于空芯光子晶体光纤的GIS内部气体组分检测装置，其特征在于，所述的T形管的材质为有机玻璃。

5.如权利要求2所述的一种基于空芯光子晶体光纤的GIS内部气体组分检测装置，其特征在于，所述的气室通过压力差法填充GIS内部气体。

6.一种基于空芯光子晶体光纤的GIS内部气体组分检测方法，其特征在于，包括：

步骤1.首先检查装置的气密性，具体方法为在左右两个T形管气室中通入4个单位大气压的空气，几小时后，左右两个气压表示数不发生明显变化，即表明装置气密性良好；

步骤2.将左右两个气室反复进行抽真空处理，去除残留在T形管和空芯光子晶体光纤纤芯中的空气；

步骤3.保持一个T形管中的气压为0，另一个T形管中充入四个单位大气压的GIS内部气体，在压力差的作用下，气体填充进入空芯光子晶体光纤的纤芯；

步骤4.打开激光器，发射光信号，光信号经由由单模光纤-空芯光子晶体光纤-单模光纤构成的光路后，进入光谱仪进行检测，由于空芯光子晶体光纤中已填入GIS内部气体，因此光信号会与GIS内部气体充分发生作用，光谱信号会发生相应变化；

步骤5.通过光谱仪分析光信号的光谱信息，如吸收峰、频率偏移等，得出GIS内部气体的组成成分和浓度等信息，用于分解组分分析，实现GIS设备的状态监测和故障诊断。

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