基于紅外光譜吸收的變壓器油中溶解氣體檢測裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電力設備檢測技術領域，尤其涉及一種基于紅外光譜吸收的變壓器油 中溶解氣體檢測裝置。
【背景技術】
[0002] 變壓器是電力系統中的重要電氣設備之一，一旦變壓器發生故障，將會帶來嚴重 后果。油中溶解氣體分析是診斷油浸式大型電力變壓器潛伏性故障最有效的方法之一。變 壓器油中溶解氣體分析技術基于油中溶解氣體類型與內部故障的對應關系，采用氣相色譜 儀分析溶解于油中的氣體，根據氣體的組成和各種氣體的含量判斷變壓器內部有無異常情 況，診斷其故障類型、大概部位、嚴重程度和發展趨勢，通過油中氣體分析，對早期診斷變壓 器內部故障和故障性質提出針對性防范措施、實現變壓器不停電檢測和早期故障診斷等安 全生產要求的滿足都具有極為重要的指導意義。采用故障特征氣體在線監測手段可以克服 傳統離線試驗周期長，從取樣、運送到測量環節多，操作繁瑣的缺點，能在線持續監測氣體 組分，貯存長期的檢測結果，提供完整的趨勢信息，對及時發現潛在故障，確定變壓器的維 護周期，進行壽命預測，實現狀態檢修具有決定性的作用。
[0003] 紅外光譜吸收是進行氣體成分檢測的一種重要方法，其理論基礎是Lambert-Beer 定律（朗伯比爾定律），即光被透明介質吸收的比例（入射光與透射光之比的對數）與入射 光的強度無關，其吸光度與吸光物質的濃度及吸收層厚度成正比。因此，根據光通過氣體時 的光強衰減情況就可以計算出氣體濃度。紅外光譜吸收方法存在一些優點：純光學測量，不 需要將光信號轉化為聲信號，避免了振動噪音信號干擾；可以內置于變壓器中，降低了響應 時間；測量影響因素少，抗干擾能力強。
[0004] 氣體光聲光譜法是通過檢測氣體分子對激光光子能量的吸收來定量分析氣體的 濃度，它屬于測量吸收的氣體分析方法，相對于直接測量光輻射能量的檢測方法增加了把 熱能變成聲音信號的過程，也屬于熱測定的方法。如果把光源用某種聲頻進行調制，在一個 特制的光聲池中就可以通過微型拾音器探測到與頻率相同的聲音信號，這就是待測的物質 光聲信號。如將光聲光譜法應用于變壓器油中氣體含量在線監測，具有檢測靈敏度高，需 要的樣氣極少，從而大大地減少油氣分離時間，縮短了測量周期；對比傅立葉紅外光譜法， 除了常規的烴類氣體外，還能檢測氫氣，且測量精度更高；無需任何載氣，方便設備的維護； 無需定期標定；無需預熱、檢測時間快；穩定性好，使用壽命長等。
[0005] 現有紅外光譜吸收方法也存在一些缺點：
[0006] ①紅外光譜吸收方法的氣池體積超微氣池的體積達到100mL。
[0007] ②在特征吸收譜線的選擇上，傅立葉紅外光譜受氣池長度的限制，只有在較強的 特征吸收處進行測量，才能獲得足夠的靈敏度，因而，有時不得不在氣體特征吸收的重疊處 測量，存在交叉敏感問題。
[0008] ③紅外探測器依靠對光子的檢測和分析實現氣體傳感，測量靈敏度低。
[0009] 氣體光聲光譜法盡管有諸多優點，但現場應用發現光聲光譜也存在以下若干缺 占 .
[0010] ①需要使用滲透膜或抽真空取氣的方式將氣體從油中分離出來，需要將油引到變 壓器外，響應時間長，存在有污染的風險。
[0011] ②需要使用微音器這種電子設備，因此測量傳感器無法內植于變壓器中，延長了 響應時間，不能進行氣體定位。
[0012] ③光聲光譜技術通過微小聲音檢測實現氣體濃度傳感，變電站現場噪音較高，光 聲光譜法最低檢出限制受到影響。
[0013] ④溫度、背景氣體類型以及光聲池的品質因數都會影響光聲光譜法測量結果，限 制測量精度。
【發明內容】
[0014] 為了克服現有光學監測手段存在的缺陷，以滿足電力變壓器內部油中溶解氣體監 測的特殊要求，本發明提出了一種基于紅外光譜吸收的變壓器油中溶解氣體檢測裝置。
[0015] 該裝置由光源系統單元、傳感布置單元、檢測采集分析單元組成；其中，光源系統 單元由大功率超連續譜寬帶光源、光源控制器和光開關組成，傳感布置單元由氫氣傳感支 路和多氣體傳感支路在油浸式電力變壓器腔體內布置而成，檢測采集分析單元由波長解調 裝置、光強探測器或光譜儀和數據采集與分析裝置組成；
[0016] 光源控制器分別與大功率超連續譜寬帶光源和光開關相連，大功率超連續譜寬帶 光源通過單模光纖與光開關相連，光開關分別與氫氣傳感支路和多氣體傳感支路相連，氫 氣傳感支路通過波長解調裝置與數據采集與分析裝置相連，多氣體傳感支路通過光強探測 器或光譜儀與數據采集與分析裝置相連。
[0017] 所述氫氣傳感支路由多個分布在油浸式電力變壓器腔體內的氫氣傳感器通過單 模光纖串聯而成；氫氣傳感器為在表面上涂覆有氫敏材料的光纖布喇格光柵，氫敏材料包 括金屬鈀或鈀的合金。
[0018] 所述多氣體傳感支路包括：單模光纖和環形衰蕩腔，環形衰蕩腔通過單模光纖與 光開關和光強探測器連接。
[0019] 所述環形衰蕩腔包括：光纖耦合器和空心光子晶體光纖，其中兩根空心光子晶體 光纖的兩端分別連接一個光纖耦合器，形成環形光學折反射腔；兩個光纖耦合器分別與單 模光纖連接。
[0020] 所述空心光子晶體光纖的表面上有鉆孔，孔徑大于氣體分子直徑而小于變壓器油 的分子直徑，以阻止變壓器油的大分子進入到光纖內部，實現油氣的分離。
[0021] 所述空心光子晶體光纖的型號為HC-1550-02或者HC19-1550-01。
[0022] 所述光纖耦合器的耦合比為10:90或者1:99或者0. 5:99. 5。
[0023] 所述大功率超連續譜寬帶光源，光譜輸出波段不低于500~2000nm，總輸出功率 不低于100mW，平均功率密度不低于50 yW/nm〇
[0024] 該裝置的工作方法包括：
[0025] 步驟1、光源控制器控制大功率超連續譜寬帶光源依次發出不同波長的激光，激光 經過光開關的復用控制實現依次向多根氫氣傳感支路和多根多氣體傳感支路發射激光；
[0026] 步驟2、氫氣傳感器上的氫敏材料吸收氫氣后體積膨脹導致光纖布喇格光柵波長 偏移，波長解調裝置將檢測到的波長偏移量數據傳送到數據采集分析裝置；
[0027] 步驟3、空心光子晶體光纖與光纖耦合器組成高反射率的環形光學折反射腔，油中 氣體分子通過空心光子晶體光纖的鉆孔進入光纖空心區域，光強探測器通過探測不同波長 激光被氣體吸收后的光強衰減頻率來檢測氣體吸收強度；
[0028] 步驟4、數據采集分析裝置將波長解調裝置檢測到的波長偏移量折算出氫氣的濃 度值和增長率；
[0029] 步驟5、數據采集分析裝置將大功率超連續譜寬帶光源發出不同波長的激光數據 與光強探測器探測到的氣體吸收強度數據一一對應，并根據不同油中溶解氣體的主要吸收 譜帶、最強吸收譜線及其峰值吸收系數來推斷故障氣體的種類和折算出特征故障氣體濃度 值；
[0030] 步驟6、數據采集與分析裝置根據得到的故障氣體的種類與濃度值，對變壓器油的 絕緣情況進行評估、定位、分析和預測。
[0031] 所述故障氣體包括：一氧化碳、二氧化碳、乙炔、甲烷、乙烷、乙烯。
[0032] 本發明具有以下的優點：
[0033] 1)光學氣體監測，可連續多次對氣體進行測量，不需要載氣和標氣，不消耗油中溶 解氣體。
[0034] 2)空心光子晶體光纖本身做為氣室，大幅縮小了氣室體積，可直接置于變壓器中， 與變壓器油接觸，降低氣體響應時間，經發展有可能實現故障定位。
[0035] 3)不需要油氣分離。常規的油中氣體測試方法和設備均需要進行油氣分離，而本 發明中設計的傳感裝置不需要進行油氣分離，能夠直接放置在油中進行測試，測試布置非 常簡潔。不需要額外提供油氣分離裝置或者薄膜，避免了變壓器內部可能存在的電氣絕緣 問題和安全隱患。并且避免了色譜柱老化問題，長期使用免標定。
[0036] 4)測量方法精度高，達到不低于IOppm級的痕量氣體測量。
[0037] 5)環形光路衰減振蕩腔將光信號測量轉化為容易實現高精度的時間變化量測量， 進一步降低光強在光纖環路中的無效損耗，顯著提高系統檢測精度。
[0038] 6)抗電磁干擾能力強。該傳感器主要是通過光的解調實現對氫氣傳感，經實際測 試表明其抗電磁干擾能力強，能夠在復雜的電磁環境中正常工作。
[0039] 7)體積小。本發明主要采用光纖進行傳感單元的布置，傳感頭的直徑小于1mm，體 積非常小，十分方便安裝。
[0040] 8)經濟性好。本發明采用光開關進行波分復用和時分復用技術，節省了光源系統， 能夠充分利用單一光源，節省了光源的開支。另外，便于規模化生產和制造，不需要載氣，也 不需要反復標定，運行維護簡潔，可以為電力單位減少大量的物力、財力和人力，提高經濟 效益，保障電力設備的運行安全。
【附圖說明】
[0041] 圖1為變壓器油中溶解氣體檢測裝置整體示意圖。
[0042] 圖2a_2b為光子晶體光纖不意圖。
[0043] 圖3為腔內衰減光譜原理圖。
[0044] 圖4為環形光路的衰蕩腔的示意圖。
[0045] 其中，FBG-H2為光纖布喇格光柵氫氣傳感器。
【具體實施方式】
[0046] 本發明旨在提出基于紅外光譜吸收的變壓器油中溶解氣體檢測裝置：利用空心光 子晶體光纖作為傳感氣室，內置于電力變壓器主腔室內部，同時利用環形衰減振蕩腔（環