一种量子点光源空间光路式变压器油溶解气体检测装置的制作方法

1.本发明属于变压器故障诊断技术领域，涉及一种量子点光源空间光路式变压器油溶解气体检测装置。


背景技术：

2.量子点材料是近年来科学研究的热点之一，它被广泛应用于光电探测器、电致发光器件、太阳能电池、生物成像等多种领域。量子点是一种“准零维”的无机半导体纳米颗粒，也称为半导体纳米晶，通常由ii-vi或iii-v族元素所组成。量子点的尺寸非常小，介于1-10nm之间，它的尺寸和形状可以精确的通过反应时间、温度、配体来控制。利用量子点制作光源器件的一个优势是，可以通过结构尺寸有效地调节量子点光源的发射波长。
3.油浸式变压器广泛应用在各电压等级变电站中，是电力系统中的重要电气设备之一。变压器油主要起到绝缘与降温的作用，它是石油的分馏产物，主要成分是烷烃、环烷族饱和烃、芳香族不饱和烃等化合物，呈浅黄色透明液体。
4.变压器在长期运行过程中，由于温、湿度等各类环境因素，以及内部过热、放电等作用影响下，会引起变压器油的老化和分解，并产生co、co2、h2、ch4、c2h2、c2h4、c2h6等各种气体溶于油中。检测变压器油中溶解气体的含量，能够预警或发现变压器故障，并及时采取检修和维护等措施，保障电力系统的安全稳定运行。
5.油中溶解气体分析是诊断油浸式变压器潜在故障最有效的方法之一。现有的油中溶解气体分析方法主要有气相色谱法、电化学传感器法、拉曼光谱法、光声光谱法、荧光光谱法等。
6.传统的气相色谱法需要提取变压器的油样，并带到实验室进行分析，不利于变压器油实时在线监测。电化学传感器法利用待测气体在传感器内部发生氧化还原反应，响应速度快，灵敏度高，但是需要对变压器油进行脱气才能检测，且仅能对单一气体进行检测。现有光学检测手段中，拉曼光谱法尽管可以实现多种气体的同时检测，但其气体的拉曼散射截面较低限制了其检测下限。光声光谱法测试系统复杂，设备笨重且昂贵，主要针对单一气体检测需求，且需要复杂的脱气装置。
7.荧光光谱法利用激光光源激发荧光物质产生荧光，不同的物质经过一定波长的激光照射后，将会辐射产生比入射激发光波长更长的光。变压器故障会导致变压器油成分发生改变，通过荧光差异构建出荧光光谱，从而实现对不同故障类型进行分类。例如，现有技术中，申请公开日为2021年7月13日、申请公开号为cn113109682a的中国发明专利申请《一种变压器绝缘油荧光在线检测装置》采用的就是荧光光谱法对变压器绝缘油进行检测，但是荧光光谱法仅能定性判断故障类型，无法定量分析油中溶解气体的成分和含量，因此无法给出定量的故障诊断数据。且该发明采用紫外发光二极管作为光源，rgb三色探测器作为光谱分析装置，抽油泵无流量或流速控制功能。
8.吸收光谱法是利用不同的气体分子在光源的照射下，会选择性吸收与其气体分子振动和转动频率相同的特定波长的光(波长乘以频率等于光速)，不同气体分子的吸收光谱
会在其特定波长位置出现吸收峰，通过分析吸收光谱图吸收峰的形状、位置和峰值等，进而实现对气体组分和气体含量进行定性定量分析。例如，现有技术中，申请公开日为2015年9月16日、申请公开号为cn104914066a的中国发明专利申请《基于红外光谱吸收的变压器油中溶解气体检测装置》采用的就是吸收光谱法。该发明通过光源控制器控制大功率超连续谱宽带光源依次发出不同波长的激光，激光经过光开关的复用控制实现依次向多根氢气传感支路和多根多气体传感支路发射激光。所述氢气传感支路由多个分布在油浸式电力变压器腔体内的氢气传感器通过单模光纤串联而成；氢气传感器为在表面上涂覆有氢敏材料的光纤布喇格光栅，氢敏材料包括金属钯或钯的合金。所述多气体传感支路包括：单模光纤和环形衰荡腔，环形衰荡腔通过单模光纤与光开关和光强探测器连接；所述环形衰荡腔包括：光纤耦合器和空心光子晶体光纤，其中两根空心光子晶体光纤的两端分别连接一个光纤耦合器，形成环形光学折反射腔；两个光纤耦合器分别与单模光纤连接；所述空心光子晶体光纤的表面上有钻孔，孔径大于气体分子直径而小于变压器油的分子直径，以阻止变压器油的大分子进入到光纤内部，实现油气的分离。但是该发明采用的超连续谱宽带光源通常为可调谐激光器，不能在同一时刻发射出宽光谱的光源，而是通过光源控制器控制依次发出不同波长的激光，激光经过光开关的复用控制实现依次向多根气体传感支路发射激光，光源控制复杂，传感支路多，成本高，单一传感支路不能探测多种气体。另外，该发明利用空心光子晶体光纤作为传感气室，而目前空心光子晶体光纤在实际工程应用中的可行性尚待验证，光纤表面钻孔孔径极小，为纳米量级，变压器油中溶解气体若要充分进入空心光子晶体光纤内部，需要一个大气压左右的压强差和数小时的扩散时间，导致检测结果无法及时反映油中溶解气体的浓度变化，造成故障研判时间滞后。此外，该发明将光纤传感器直接布置在油浸式变压器腔体内，会引入变压器油在腔体内的热流动导致的温度、压力、流速分布不均等可能影响测量结果的因素。


技术实现要素：

9.本发明的技术方案用于解决如何基于量子点光源以及吸收光谱法设计一种结构简单、成本低、效率高的变压器油溶解气体检测装置的问题。
10.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
11.一种量子点光源空间光路式变压器油溶解气体检测装置，包括：量子点光源(10)、入射透镜(11)、透明管道(13)、电磁流量控制阀(14)、出射透镜(15)、吸收光分析装置(16)、不透光外壳(17)、控制主机(18)、进油管道(19)、出油管道(20)；所述进油管道(19)设置于不透光外壳(17)的顶部，透明管道(13)竖直设置于不透光外壳(17)的内部，出油管道(20)设置于不透光外壳(17)的底部；进油管道(19)的输入端与变压器油箱的出油口密封连接，进油管道(19)的输出端与透明管道(13)的输入端密封连接，透明管道(13)的输出端与出油管道(20)的输入端密封连接，出油管道(20)的输出端与变压器油箱的进油口密封连接；所述电磁流量控制阀(14)设置在进油管道(19)中；所述量子点光源(10)、入射透镜(11)、透明管道(13)、出射透镜(15)、吸收光分析装置(16)依次沿直线设置从而构成空间光路，整个空间光路设置于不透光外壳(17)的内部；所述量子点光源(10)、电磁流量控制阀(14)、吸收光分析装置(16)分别通过电缆与控制主机(18)连接；所述吸收光分析装置(16)用于分析接收到的吸收光，获取不同吸收波长的光强数据并将不同吸收波长的光强数据发送给控制主机
(18)；
12.检测装置的工作流程如下：
13.步骤1、控制主机(18)发出控制信号控制电磁流量控制阀(14)的开度，保持恒定流速和压力，从变压器油箱中取出变压器油；
14.步骤2、控制主机(18)发出信号控制量子点光源(10)同时发射由多个不同波长组成的光谱，通过入射透镜(11)聚焦在透明管道(13)上；
15.步骤3、量子点光源(10)发射的多个不同波长组成的光谱，被透明管道(13)内的变压器油中溶解的气体吸收，吸收光谱再通过出射透镜(15)聚焦后被吸收光分析装置(16)接收；
16.步骤4、吸收光分析装置(16)对接收到的吸收光谱进行分析，获取不同吸收波长的光强数据，并将不同吸收波长的光强数据发送给控制主机(18)；
17.步骤5、控制主机(18)根据吸收光谱的光强数据与变压器油中溶解气体浓度之间的标定关系，得到变压器油中溶解气体的种类和浓度。
18.进一步地，确定所述吸收光谱的光强数据与变压器油中溶解气体浓度之间的标定关系的方法如下：
19.1)测试基准吸收信号强度：控制电磁流量控制阀(14)的开度，保持恒定流速和压力，采用未掺杂任何气体的新变压器油流过透明管道(13)，量子点光源(10)同时发射由多个不同波长组成的光谱，经过透明管道(13)后获得不同波长下的基准吸收信号强度；
20.2)测试不同浓度比例待测气体的吸收信号强度：将待测气体按特定的浓度比例与新变压器油混合，形成含有不同浓度比例待测气体的油气混合物，将油气混合物保持恒定流速和压力流过透明管道(13)，量子点光源(10)同时发射由多个不同波长组成的光谱，经过透明管道(13)后获得该待测气体不同浓度比例下的吸收信号强度；
21.3)待测气体的浓度标定：对基准吸收信号强度以及不同浓度比例待测气体的吸收信号强度进行曲线拟合，得到待测气体的浓度与吸收信号强度之间的标定关系，并将其存储在控制主机(18)中。
22.进一步地，所述的量子点光源(10)包括多种不同波长的光源，每个波长对应一种待测气体的吸收波长；所述量子点光源(10)的发射波长由量子点发光材料的颗粒尺寸决定，每种不同波长的量子点光源的颗粒尺寸的计算公式如下：
[0023][0024]
其中，d为颗粒平均尺寸、γ为光源的波长、k为谢乐常数、b为衍射峰的半高宽、θ为衍射角。
[0025]
进一步地，所述吸收光分析装置(16)采用光谱仪或光电探测器。
[0026]
本发明的优点在于：
[0027]
1)本发明采用量子点光源、入射透镜、透明管道、出射透镜、吸收光分析装置依次沿着光路设置从而构成空间光路，采用吸收光谱法，量子点光源同时发射多种波长的光，每个波长对应一种待测气体的吸收波长，无需复杂的光源控制器，单一光路即可同时检测多种气体，检测效率高，且能够定性且定量分析变压器油中溶解气体的成分和含量，从而提供更加准确的故障诊断数据，装置的结构简单，无需高成本的空心光子晶体光纤，具有低成本
的优势；
[0028]
2)本发明通过抽取变压器油进入检测装置，光源直接照射在取样管路中的变压器油上，无需复杂的脱气装置，能够实现真正的实时在线监测；
[0029]
3)本发明通过设置电磁流量控制阀使得变压器油在取样管路中保持恒定流速和压力，避免变压器腔体内部的热流动对测量产生影响，从而提高检测结果的准确度。
附图说明
[0030]
图1是本发明实施例的量子点光源空间光路式变压器油溶解气体检测装置的结构图；
[0031]
图2是本发明实施例的量子点光源空间光路式变压器油溶解气体检测方法的流程图。
具体实施方式
[0032]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0033]
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
[0034]
实施例一
[0035]
如图1所示，本实施例的量子点光源空间光路式变压器油溶解气体检测装置，包括：量子点光源(10)、入射透镜(11)、变压器油取样管路(12)、透明管道(13)、电磁流量控制阀(14)、出射透镜(15)、吸收光分析装置(16)、不透光外壳(17)、控制主机(18)、进油管道(19)、出油管道(20)。
[0036]
所述变压器油取样管路(12)由透明管道(13)、电磁流量控制阀(14)、进油管道(19)以及出油管道(20)构成；所述进油管道(19)设置于不透光外壳(17)的顶部，透明管道(13)竖直设置于不透光外壳(17)的内部，出油管道(20)设置于不透光外壳(17)的底部；进油管道(19)的输入端与变压器油箱的出油口密封连接，进油管道(19)的输出端与透明管道(13)的输入端密封连接，透明管道(13)的输出端与出油管道(20)的输入端密封连接，出油管道(20)的输出端与变压器油箱的进油口密封连接；所述电磁流量控制阀(14)设置在进油管道(19)中。
[0037]
所述量子点光源(10)、入射透镜(11)、透明管道(13)、出射透镜(15)、吸收光分析装置(16)依次沿直线设置从而构成空间光路，整个空间光路设置于不透光外壳(17)的内部，避免了外界光源的干扰。
[0038]
所述量子点光源(10)、电磁流量控制阀(14)、吸收光分析装置(16)分别通过电缆与控制主机(18)连接。
[0039]
所述吸收光分析装置(16)用于分析接收到的吸收光，获取不同吸收波长的光强数据并将不同吸收波长的光强数据发送给控制主机(18)；吸收光分析装置(16)可以采用光谱仪、光电探测器等。所述不透光外壳(17)的作用是避免外界光线的干扰。
[0040]
所述的量子点光源(10)至少包括7种不同波长的光源，每个波长对应一种待测气
体的吸收波长，分别用于对变压器油中溶解的co、co2、h2、ch4、c2h2、c2h4、c2h6气体的测试；量子点光源的发射波长由量子点发光材料的颗粒尺寸决定，每种不同波长的量子点光源的颗粒尺寸的计算公式如下：
[0041][0042]
其中，d为颗粒平均尺寸、γ为光源的波长、k为谢乐常数、b为衍射峰的半高宽、θ为衍射角。
[0043]
工作原理
[0044]
本发明的原理是不同气体会选择性吸收特定波长的光，量子点光源(10)同时发射出由多个不同波长组成的光谱，每个波长对应一种待测气体的吸收波长。控制电磁流量控制阀(14)的开度，保持恒定流速和压力，从变压器油箱中取出变压器油，变压器油进入透明管道(13)后，此时控制量子点光源(10)同时发射由多个不同波长组成的光谱，通过入射透镜(11)聚焦在透明管道(13)上，多个不同波长组成的光谱穿过透明管道(13)，被透明管道(13)内的变压器油中溶解的气体吸收，吸收光谱再通过出射透镜(15)聚焦后被吸收光分析装置(16)接收，吸收光分析装置(16)将吸收光谱的光强数据发送给控制主机(18)，控制主机(18)根据吸收光谱的光强数据与变压器油中溶解气体浓度之间的标定关系，得到变压器油中溶解气体的种类和浓度。
[0045]
检测过程中，从变压器中取出的变压器油，经过变压器油取样管路(12)最终回流到变压器中，避免对变压器油的消耗。保持恒定流速和压力是为了避免变压器腔体内部的热流动对测量产生影响，从而提高测量结果的准确度。
[0046]
如图2所示，本发明量子点光源空间光路式变压器油溶解气体检测方法，包括以下步骤：
[0047]
步骤1、控制主机(18)发出控制信号控制电磁流量控制阀(14)的开度，保持恒定流速和压力，从变压器油箱中取出变压器油；
[0048]
步骤2、控制主机(18)发出信号控制量子点光源(10)同时发射由多个不同波长组成的光谱，通过入射透镜(11)聚焦在透明管道(13)上；
[0049]
步骤3、量子点光源(10)发射的多个不同波长组成的光谱，被透明管道(13)内的变压器油中溶解的气体吸收，吸收光谱再通过出射透镜(15)聚焦后被吸收光分析装置(16)接收，
[0050]
步骤4、吸收光分析装置(16)对接收到的吸收光谱进行分析，获取不同吸收波长的光强数据，并将不同吸收波长的光强数据发送给控制主机(18)；
[0051]
步骤5、控制主机(18)根据吸收光谱的光强数据与变压器油中溶解气体浓度之间的标定关系，得到变压器油中溶解气体的种类和浓度。
[0052]
其中，确定吸收光谱的光强数据与变压器油中溶解气体浓度之间的标定关系的方法如下：
[0053]
(1)测试基准吸收信号强度：控制电磁流量控制阀(14)的开度，保持恒定流速和压力，采用未掺杂任何气体的新变压器油流过透明管道(13)，量子点光源(10)同时发射由多个不同波长组成的光谱，经过透明管道(13)后获得不同波长下的基准吸收信号强度；
[0054]
(2)测试不同浓度比例待测气体的吸收信号强度：将待测气体按特定的浓度比例
与新变压器油混合，形成含有不同浓度比例待测气体的油气混合物，将油气混合物保持恒定流速和压力流过透明管道(13)，量子点光源(10)同时发射由多个不同波长组成的光谱，经过透明管道(13)后获得该待测气体不同浓度比例下的吸收信号强度；
[0055]
(3)待测气体的浓度标定：对基准吸收信号强度以及不同浓度比例待测气体的吸收信号强度进行曲线拟合，得到待测气体的浓度与吸收信号强度之间的标定关系，并将其存储在控制主机(18)中。
[0056]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种量子点光源空间光路式变压器油溶解气体检测装置，其特征在于，包括：量子点光源(10)、入射透镜(11)、透明管道(13)、电磁流量控制阀(14)、出射透镜(15)、吸收光分析装置(16)、不透光外壳(17)、控制主机(18)、进油管道(19)、出油管道(20)；所述进油管道(19)设置于不透光外壳(17)的顶部，透明管道(13)竖直设置于不透光外壳(17)的内部，出油管道(20)设置于不透光外壳(17)的底部；进油管道(19)的输入端与变压器油箱的出油口密封连接，进油管道(19)的输出端与透明管道(13)的输入端密封连接，透明管道(13)的输出端与出油管道(20)的输入端密封连接，出油管道(20)的输出端与变压器油箱的进油口密封连接；所述电磁流量控制阀(14)设置在进油管道(19)中；所述量子点光源(10)、入射透镜(11)、透明管道(13)、出射透镜(15)、吸收光分析装置(16)依次沿直线设置从而构成空间光路，整个空间光路设置于不透光外壳(17)的内部；所述量子点光源(10)、电磁流量控制阀(14)、吸收光分析装置(16)分别通过电缆与控制主机(18)连接；所述吸收光分析装置(16)用于分析接收到的吸收光，获取不同吸收波长的光强数据并将不同吸收波长的光强数据发送给控制主机(18)；检测装置的工作流程如下：步骤1、控制主机(18)发出控制信号控制电磁流量控制阀(14)的开度，保持恒定流速和压力，从变压器油箱中取出变压器油；步骤2、控制主机(18)发出信号控制量子点光源(10)同时发射由多个不同波长组成的光谱，通过入射透镜(11)聚焦在透明管道(13)上；步骤3、量子点光源(10)发射的多个不同波长组成的光谱，被透明管道(13)内的变压器油中溶解的气体吸收，吸收光谱再通过出射透镜(15)聚焦后被吸收光分析装置(16)接收；步骤4、吸收光分析装置(16)对接收到的吸收光谱进行分析，获取不同吸收波长的光强数据，并将不同吸收波长的光强数据发送给控制主机(18)；步骤5、控制主机(18)根据吸收光谱的光强数据与变压器油中溶解气体浓度之间的标定关系，得到变压器油中溶解气体的种类和浓度。2.根据权利要求1所述的量子点光源空间光路式变压器油溶解气体检测装置，其特征在于，确定所述吸收光谱的光强数据与变压器油中溶解气体浓度之间的标定关系的方法如下：1)测试基准吸收信号强度：控制电磁流量控制阀(14)的开度，保持恒定流速和压力，采用未掺杂任何气体的新变压器油流过透明管道(13)，量子点光源(10)同时发射由多个不同波长组成的光谱，经过透明管道(13)后获得不同波长下的基准吸收信号强度；2)测试不同浓度比例待测气体的吸收信号强度：将待测气体按特定的浓度比例与新变压器油混合，形成含有不同浓度比例待测气体的油气混合物，将油气混合物保持恒定流速和压力流过透明管道(13)，量子点光源(10)同时发射由多个不同波长组成的光谱，经过透明管道(13)后获得该待测气体不同浓度比例下的吸收信号强度；3)待测气体的浓度标定：对基准吸收信号强度以及不同浓度比例待测气体的吸收信号强度进行曲线拟合，得到待测气体的浓度与吸收信号强度之间的标定关系，并将其存储在控制主机(18)中。3.根据权利要求1所述的量子点光源空间光路式变压器油溶解气体检测装置，其特征在于，所述的量子点光源(10)包括多种不同波长的光源，每个波长对应一种待测气体的吸
收波长；所述量子点光源(10)的发射波长由量子点发光材料的颗粒尺寸决定，每种不同波长的量子点光源的颗粒尺寸的计算公式如下：其中，d为颗粒平均尺寸、γ为光源的波长、k为谢乐常数、b为衍射峰的半高宽、θ为衍射角。4.根据权利要求1所述的量子点光源空间光路式变压器油溶解气体检测装置，其特征在于，所述吸收光分析装置(16)采用光谱仪或光电探测器。

技术总结
一种量子点光源空间光路式变压器油溶解气体检测装置，属于变压器故障诊断技术领域，解决如何基于量子点光源以及吸收光谱法设计一种结构简单、成本低、效率高的变压器油溶解气体检测装置的问题；本发明采用量子点光源、入射透镜、透明管道、出射透镜、吸收光分析装置依次沿直线设置从而构成空间光路，采用吸收光谱法，量子点光源同时发射多种波长的光，每个波长对应一种待测气体的吸收波长，无需复杂的光源控制器，单一光路即可同时检测多种气体，检测效率高，且能够定性且定量分析变压器油中溶解气体的成分和含量，从而提供更加准确的故障诊断数据，装置的结构简单，无需高成本的空心光子晶体光纤，具有低成本的优势。具有低成本的优势。具有低成本的优势。


技术研发人员：田腾 赵龙 仇茹嘉 耿佳琪 宋东波 王鑫 高博 罗超 刘鑫
受保护的技术使用者：国网安徽省电力有限公司
技术研发日：2023.07.25
技术公布日：2023/10/7