[发明专利]一种基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置

说明书

一种基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置，包括激光器，激光扩束器，二向分色镜，空间滤波器，耦合器，纳米级孔洞修饰的kagome带隙型光子晶体光纤，光谱仪；激光由所述激光器发出，经所述激光扩束器放大，经过所述二向分色镜后，由所述耦合器将激光耦合到所述纳米级孔洞修饰的kagome带隙型光子晶体光纤中，所述纳米级孔洞修饰的kagome带隙型光子晶体光纤放置于变压器油中，所述kagome带隙型光子晶体光纤传导的拉曼散射光和激光信号返回到所述二向分色镜，再通过所述空间滤波器，最终被所述光谱仪的CCD采集。本发明的基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置，无需进行人工油气分离，准确度高，操作简单，可直接原位检测变压器油中故障气体。

技术领域

本发明属于电力设备绝缘在线监测与故障诊断领域，具体涉及一种基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置。

背景技术

电力系统的安全、稳定、可靠与经济运行是经济快速发展及社会稳定的基础之一。电力变压器是电力系统中承担不同等级电压转换、电能分配的枢纽设备，它在电力系统输电、变电、配电过程中起着极其重要的作用，其安全运行是保障电力系统安全与稳定的核心。越来越多的大容量、高等级大型电力变压器在超特高压电网中投入使用，一旦发生故障，不仅损坏昂贵的电气设备，还会导致电网瘫痪，对人民日常生活及国家经济造成难以估计的损失。

目前国内外大型电力变压器主要采用油浸式变压器，其内绝缘系统为绝缘油及绝缘纸(板)构成的复合绝缘结构。为了实现对变压器运行状态的在线监测，最常用的方法就是对变压器油中溶解气体的监测诊断。当电力变压器出现包括放电、过热或老化在内的故障时，绝缘材料会分解产生相应的特征气体，通常包括H₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆、CO、CO₂这七种特征气体。现阶段油中溶解气体的监测主要是气相色谱法，它的主要流程包括取样、脱气、色谱仪分析和数据处理四个部分。它的局限性在于色谱分析只能在实验室进行，且不能实现连续的在线监测，同时灵敏度较为有限；而红外吸收光谱法和光声光谱法虽无需色谱柱，能实现混合气体的直接分析，但检测准确度有待提高，且每种待测气体都需一个特定波长激光来实现气体的有效检测。

拉曼光谱法是基于拉曼效应进行物质分析的一种成熟的光谱分析方法，具有利用单一波长激光同时实现多种物质测量的优势。应用拉曼光谱的一个主要优点是能够检测同核双原子气体及其他分子气体物质，包括稳定同位素气体如¹³CO₂，¹⁴N¹⁵N或(TF304)N₂。拉曼气体分析速度快，无消耗，不需要标记或取样，并且可以同时检测除稀有气体以外的所有气体。但由于油中溶解气体含量低，同时拉曼效应具有较低的绝对散射截面，因此需要加强拉曼强度以达到所需的合理检测限度。

光纤增强技术通过提高待测气体与激光有效作用长度及拉曼散射光子的收集效率，提高了气体拉曼检测灵敏度，为基于拉曼光谱技术的变压器老化监测及故障诊断打下了良好的基础。空芯光子晶体光纤已成为痕量气体传感领域的领先技术，显示出进一步提高灵敏度的潜力。这种具有低波导损耗特性的新型光纤可以实现激光与拉曼活性气体分子的长期光学相互作用。近些年，超短脉冲激光精密加工领域备受关注，由于超短脉冲激光脉宽短于绝大多数物理化学过程的特征时间，使制造过程中调控电子状态以及实现“非热加工”成为了可能，与传统激光相比，飞秒激光作用时间短，几乎不产生热影响区，加工精度高，能耗低使其在微孔加工中具有高精度，极小化重铸，高可控性和可重复性的特点。

发明内容

本发明基于飞秒激光加工技术，在kagome带隙型光子晶体光纤侧面进行周期性纳米级钻孔，通过利用毛细效应，实现在变压器油中油气分离，此方法操作简单，准确度高，是一种不受外围环境，取样水平影响的新方法。通过利用光纤增强的拉曼效应，进而实现变压器油中的原位检测。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：