一种基于空心光纤拉曼光谱法的变压器油中溶解氢气传感系统的制作方法

1.本发明涉及变压器油箱气体监测技术领域，尤其涉及一种基于空心光纤拉曼光谱法的变压器油中溶解氢气传感系统。


背景技术：

2.变压器作为电网运行中的关键设备，对其运行状态进行监测是保障电网安全运行的关键。目前，油浸式变压器因其性能稳定、容量大、成本低的特点得到国内外的广泛应用。而油浸式变压器内的绝缘油属于可燃物，会由于变压器的过载或长期运行导致变压器产生发热等故障，使其绝缘性能大幅降低，最终使变压器发生绝缘故障甚至造成爆燃事故。因此对变压器的运行状态进行监测具有重要意义。
3.油浸式变压器在早期故障形成时，绝缘油发生裂解会产生不同种类的故障特征气体。根据《变压器油中溶解气体分析和判断导则》行标dl/t722-2018，故障特征气体的浓度是反映变压器故障类型的重要标志。其中，对油中溶解氢气浓度的分析是判断油浸式变压器局部过热和放电的重要方法。因此对溶解氢气浓度进行在线监测是实现早期故障预警的重要手段。
4.当前氢气传感方法主要包括：钯栅场效应管、半导体气敏传感器、热导池检测器等。然而上述传感器均基于电原理，在强电环境下的稳定性和可靠性不足。近年来基于光纤传感技术的气体在线监测技术迅速发展，产生了包括微镜型氢气传感器、消逝场型氢气传感器、干涉仪型氢气传感器和光纤布喇格光栅型氢气传感器。当前应用较为成熟的是采用光纤布喇格光栅镀膜传感技术，具有抗电磁干扰能力强、重量轻、体积小的特点，得到了广泛使用。
5.受限于变压器的运行环境，光纤光栅易受环境干扰且本身成本较高易损耗，同时检测时需从取油口取油样再进行检测，无法直接内置于变压器油箱内部实现实时监测。


技术实现要素：

6.针对以上不足，本发明提供基于空心光纤拉曼光谱法的变压器油中溶解氢气传感系统，能够实现油中溶解氢气的原位检测，同时避免变压器运行环境产生的温度、应力等干扰，实现高可靠性油中溶解氢气原位在线监测，具体技术方案如下：一种基于空心光纤拉曼光谱法的变压器油中溶解氢气传感系统，包括半导体连续激光器、空心光纤、拉曼探头、拉曼光谱仪、电荷耦合探测器以及计算机；所述空心光纤置于变压器油箱内易发生故障区域内；所述半导体连续激光器用于发射单一频率的连续激光，所述拉曼探头用于接收所述连续激光，并将所述连续激光传输进入到所述空心光纤纤芯内，油中溶解氢气分子相互作用，产生后向拉曼散射光；所述拉曼光谱仪接收所述后向拉曼散射光并进行光谱分析实现对油中溶解氢气浓度的定量分析；所述电荷耦合探测器将通过定量分析后的光信号转换为电信号传输至所述计算机处理输出结果。
7.优选的，所述拉曼探头包括主体部分、激发光纤、收集光纤以及传输光纤；所述激发光纤用于将激光器发出的光传输至主体部分，进而通过所述传输光纤传输至所述空心光纤内部，所述收集光纤用于将所述空心光纤内产生的后向拉曼散射光传输至拉曼光谱仪。
8.优选的，所述激发光纤、收集光纤和传输光纤均为普通单模光纤。
9.优选的，所述空心光纤沿侧面开设有若干个连通纤芯的渗透孔，相邻所述渗透孔的间距相等。
10.优选的，所述空心光纤纤芯内壁镀有一层银膜。
11.优选的，所述空心光纤的一端与所述传输光纤低损耗熔接，另一端端头镀有半反射膜。
12.优选的，其特征在于，所述反射膜的反射率为韦50%-60%，膜厚不超过2mm。
13.优选的，所述纤芯直径不超过10μm，初度不低于0.5m。
14.优选的，所述渗透孔为圆形渗透孔，所述渗透孔的直径为3μm-5μm，相邻所述渗透孔间距为5cm。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明中，采用空心光纤作为传感单元，将其直接放置在变压器油箱内易发生故障区域，可实现油中溶解氢气的原位检测，同时避免变压器运行环境产生的温度、应力等干扰，实现高可靠性油中溶解氢气原位在线监测2、本发明中，空心光纤作为一种低成本光纤，将其内部镀上一层金属银，同时纤芯内部充满变压器油，使纤芯内部折射率大于光纤包层折射率，可以将激光有效限制在纤芯内部集中传输，形成全内反射机制，克服空心光纤无法用于传输激光的难题，用于光纤传感。
16.3、本发明中，利用空心光纤侧面钻有微米量级微孔实现光纤内外的油交换，可以直接内置于变压器油箱内部，实现油中溶解氢气的原位实时监测。
17.4、本发明中，基于拉曼光谱技术检测油中溶解氢气具有结构简单，重复性好等优点，同时可以避免多种故障特征气体交叉敏感的问题。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，以下将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
19.图1为本发明的系统原理图；图2为本发明中空心光纤结构示意图；1-变压器油箱，2-空心光纤，21-银膜，22-半反射膜，23-渗透孔，24-纤芯，3-传输光纤，4-激光光纤，5-收集光纤，6-半导体连续激光器，7-拉曼探头，8-拉曼光谱仪，9-电荷耦合探测器，10-计算机。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅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。
21.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
22.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到术语“第一”、“第二”、“第三”只是用于描述目的以及区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
23.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
24.请参阅图1-2，一种基于空心光纤2拉曼光谱法的变压器油中溶解氢气传感系统，包括半导体连续激光器6、空心光纤2、拉曼探头7、拉曼光谱仪8、电荷耦合探测器9以及计算机10；空心光纤2置于变压器油箱1内易发生故障区域内；半导体连续激光器6用于发射单一频率的连续激光，拉曼探头7用于接收连续激光，并将连续激光传输进入到空心光纤2纤芯24内，油中溶解氢气分子相互作用，产生后向拉曼散射光；拉曼光谱仪8接收后向拉曼散射光并进行光谱分析实现对油中溶解氢气浓度的定量分析；电荷耦合探测器9将通过定量分析后的光信号转换为电信号传输至计算机10处理输出结果。
25.上述方案中，由半导体连续激光器6发出单一频率的连续激光，经过拉曼探头7进入拉曼探头7主体部分，并由拉曼探头7的传输光纤3进入空心光纤2纤芯24部分，其中纤芯24部分就是空心部分，连续激光与进入空心光纤2纤芯24区域的油中溶解氢气分子相互作用，产生后向拉曼散射光，经拉曼探头7传输至拉曼光谱仪8进行光谱分析。根据激光拉曼光谱原理，分析溶解氢气对应拉曼频移的谱峰强度，即可实现对油中溶解氢气浓度的定量分析。最终通过电荷耦合探测器9将光信号转换为电信号，传输至计算机10处理输出结果。空心光纤2直接放置在变压器油箱1，实现油中内部溶解氢气的原位实时监测。
26.作为优选方案，本实施例中半导体连续激光器6采用瑞士cobolt公司生产的samba系列532nm低噪声全固态半导体连续激光器6，发出线宽不超过0.001pm的激光，输出功率不低于100mw，运行模式为tem00模式，光束反射角不超过1.3
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10-3rad，保证对油中溶解氢气产生高的辐射强度。
27.作为优选方案，本实施例中拉曼光谱仪8采用英国andor公司生产的sr-500i-c型光谱仪，光谱分辨率为1cm-1，在532nm激光的激发下，该光谱仪的检测范围为50cm-1-8000cm-1，以保证可以准确检测出油中溶解氢气浓度。拉曼光谱仪8配有光纤耦合器作为拉曼光传输的入口。
28.作为优选方案，本实施例中电荷耦合探测器9采用英国andor公司生产的idus-416型拉曼专用ccd探测器，响应范围为200-1100nm，像素为2000
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256。
29.作为优选方案，拉曼探头7包括主体部分、激发光纤、收集光纤5以及传输光纤3；激发光纤用于将激光器发出的光传输至主体部分，进而通过传输光纤3传输至空心光纤2内部，收集光纤5用于将空心光纤2内产生的后向拉曼散射光传输至拉曼光谱仪8。激发光纤、收集光纤5和传输光纤3均为普通单模光纤。其中拉曼探头7的测量范围为200cm-1-4000cm-1。
30.作为优选方案，空心光纤2沿侧面开设有若干个连通纤芯24的渗透孔23，相邻渗透孔23的间距相等。
31.上述方案中，若干渗透孔23允许变压器油携带溶解氢气分子进入纤芯24内部。
32.作为优选方案，空心光纤2纤芯24内壁镀有一层银膜21。
33.上述方案中，其中银膜21的厚度不超过1μm，使其纤芯24内壁具有高反射率，同时空心光纤2直接内置于变压器油箱1内部，纤芯24充满待测变压器油，使光纤纤芯24内部填充物折射率大于光纤包层折射率，构成全内反射导光机制，将不低于90%的激光有效限制在光纤纤芯24内部传播。空心光纤2利用纤芯24可填充特性，将其本身作为光与溶解氢气相互作用的场所，并利用其对外界不敏感性，可直接内置于变压器油箱1中工作。
34.作为优选方案，空心光纤2的一端与传输光纤3低损耗熔接，另一端端头镀有半反射膜22。反射膜的反射率为韦50%-60%，膜厚不超过2mm。
35.上述方案中，空心光纤2表面单孔损耗不超过0.2db，光纤一端与普通单模光纤以低损耗熔接，熔接损耗不超过2db，另一端镀有半反射膜22，反射率不低于50%且不超过60%，膜厚不超过2mm，以保证产生的拉曼散射光的强度。
36.作为优选方案，纤芯24直径不超过10μm，初度不低于0.5m。
37.上述方案中，保证油中溶解氢气与激光充分作用，从而保证产生的拉曼散射强度的稳定性。
38.作为优选方案，渗透孔23为圆形渗透孔23，渗透孔23的直径为3μm-5μm，相邻渗透孔23间距为5cm。
39.上述方案中，空心光纤2利用飞秒激光技术沿侧面轴向每隔5cm加工若干深至纤芯24区的渗透孔23，保证变压器油携带溶解氢气分子充分流入光纤中央芯区，实现油交换。
40.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种基于空心光纤拉曼光谱法的变压器油中溶解氢气传感系统，其特征在于，包括半导体连续激光器（6）、空心光纤（2）、拉曼探头（7）、拉曼光谱仪（8）、电荷耦合探测器（9）以及计算机（10）；所述空心光纤（2）置于变压器油箱（1）内易发生故障区域内；所述半导体连续激光器（6）用于发射单一频率的连续激光，所述拉曼探头（7）用于接收所述连续激光，并将所述连续激光传输进入到所述空心光纤（2）纤芯（24）内，油中溶解氢气分子相互作用，产生后向拉曼散射光；所述拉曼光谱仪（8）接收所述后向拉曼散射光并进行光谱分析实现对油中溶解氢气浓度的定量分析；所述电荷耦合探测器（9）将通过定量分析后的光信号转换为电信号传输至所述计算机（10）处理输出结果。2.根据权利要求1所述的基于空心光纤拉曼光谱法的变压器油中溶解氢气传感系统，其特征在于，所述拉曼探头（7）包括主体部分、激发光纤、收集光纤（5）以及传输光纤（3）；所述激发光纤用于将激光器发出的光传输至主体部分，进而通过所述传输光纤（3）传输至所述空心光纤（2）内部，所述收集光纤（5）用于将所述空心光纤（2）内产生的后向拉曼散射光传输至拉曼光谱仪（8）。3.根据权利要求2所述的基于空心光纤拉曼光谱法的变压器油中溶解氢气传感系统，其特征在于，所述激发光纤、收集光纤（5）和传输光纤（3）均为普通单模光纤。4.根据权利要求1所述的基于空心光纤拉曼光谱法的变压器油中溶解氢气传感系统，其特征在于，所述空心光纤（2）沿侧面开设有若干个连通纤芯（24）的渗透孔（23），相邻所述渗透孔（23）的间距相等。5.根据权利要求1所述的基于空心光纤拉曼光谱法的变压器油中溶解氢气传感系统，其特征在于，所述空心光纤（2）纤芯（24）内壁镀有一层银膜（21）。6.根据权利要求3所述的基于空心光纤拉曼光谱法的变压器油中溶解氢气传感系统，其特征在于，所述空心光纤（2）的一端与所述传输光纤（3）低损耗熔接，另一端端头镀有半反射膜（22）。7.根据权利要求6所述的基于空心光纤拉曼光谱法的变压器油中溶解氢气传感系统，其特征在于，所述反射膜的反射率为韦50%-60%，膜厚不超过2mm。8.根据权利要求1所述的基于空心光纤拉曼光谱法的变压器油中溶解氢气传感系统，其特征在于，所述纤芯（24）直径不超过10μm，初度不低于0.5m。9.根据权利要求4所述的基于空心光纤拉曼光谱法的变压器油中溶解氢气传感系统，其特征在于，所述渗透孔（23）为圆形渗透孔（23），所述渗透孔（23）的直径为3μm-5μm，相邻所述渗透孔（23）间距为5cm。

技术总结
本发明公开了一种基于空心光纤拉曼光谱法的变压器油中溶解氢气传感系统，涉及变压器油箱气体监测，包括半导体连续激光器、空心光纤、拉曼探头、拉曼光谱仪、电荷耦合探测器以及计算机；空心光纤置于变压器油箱内易发生故障区域内，拉曼探头用于接收连续激光，并将连续激光传输进入到空心光纤纤芯内，油中溶解氢气分子相互作用，产生后向拉曼散射光；拉曼光谱仪接收后向拉曼散射光并进行光谱分析实现对油中溶解氢气浓度的定量分析；电荷耦合探测器将通过定量分析后的光信号转换为电信号传输至计算机处理输出结果。采用空心光纤作为传感单元，避免变压器运行环境产生的温度、应力等干扰，实现高可靠性油中溶解氢气原位在线监测。测。测。


技术研发人员：陈梁远 黎大健 周柯 赵坚 张磊 王晓明 余长厅 李锐 马源 饶夏锦 潘绍明
受保护的技术使用者：广西电网有限责任公司电力科学研究院
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/10/15