一种用于变压器油中溶解乙炔的高可靠性光纤检测系统

本发明属于光学传感系统，具体而言，涉及一种用于变压器油中溶解乙炔的高可靠性光纤检测系统。

背景技术：

1、电力变压器是电网运行中最核心的设备，由于变压器故障引起的事故时有发生，因此对电力变压器运行状态进行监测是保障电网安全运行的关键。目前，国内外高电压、大容量电力变压器普遍采用油浸式变压器，而油中溶解气体分析是检测油浸式变压器故障的首要方法。故障特征气体中，乙炔是反映低能火花放电及高能电弧放电的重要特征气体之一。因此对变压器油中溶解乙炔进行在线监测，是实现早期故障预警的重要手段，具有重要的工程意义。

2、传统针对变压器油中溶解气体分析的方法主要采用气相色谱法，是一种离线的检测方法，该过程需要从变压器取油口取油，然后进行真空脱气法或顶空脱气法进行油气分离，并采集气体样本，最后使用气相色谱仪检测。上述过程操作复杂，且从变压器故障发生时故障特征气体产生到溶解至油中并扩散至取油口的过程耗时长，通常需要数十个小时，同时在取样和脱气过程对气体样本影响较大，测量结果可能存在较大误差。

3、近年来基于光纤传感技术的气体在线监测技术发展迅速，主要包括：光声光谱技术、直接吸收光谱技术、拉曼光谱技术以及光热光谱技术。但利用上述光学技术直接对变压器油中溶解乙炔进行检测时，存在如下问题。

4、（1）上述光纤检测技术均在气相环境下进行检测，对于油中溶解乙炔检测时仍需涉及油气分离过程，因此仍然存在耗时长的问题。

5、（2）由于变压器运行环境存在大量噪声干扰、尤其是超声、振动等噪声，通过滤波等手段无法避免或完全滤除，使用上述检测技术的气体进行监测时，极易对检测结果造成很大误差。

6、（3）根据sd 187-86《变压器油中溶解气体分析和判断导则》要求，变压器故障特征气体的注意值通常为几个ppm，因此检测下限需要达到百万分之一级别，对检测下限要求非常高。

7、针对上述问题，有必要提出一种能够适应变压器运行环境，克服噪声干扰的高可靠性油中溶解乙炔原位在线监测系统，实现变压器早期故障预警。

技术实现思路

1、本发明的目的是提出一种用于变压器油中溶解乙炔的高可靠性光纤检测系统，其特征在于，由光源模块、油中溶解气体传感模块、数据解调模块构成。光源模块分为泵浦光部分和探测光部分，其中泵浦光部分包括：光源控制器、泵浦激光器、掺铒光纤放大器、光环形器，探测光部分包括：探测激光器、光隔离器。油中溶解气体传感模块利用侧面沿轴向钻有若干微米量级微孔的油芯光子晶体光纤作为传感单元，直接内置于变压器油箱中，并基于光热光谱技术搭建改进的马赫增德尔外差干涉结构，形成双马赫增德尔外差干涉拓扑，可以直接排除外界噪声干扰，实现高可靠性的变压器油中溶解乙炔传感。数据解调模块由平衡光电探测器1、平衡光电探测器2、鉴相器、数据采集卡、计算机构成，可以实现溶解乙炔浓度信号的快速实时解调。

2、所述光源模块中，泵浦光激光器由光源控制器控制发出光强被连续正弦调制的泵浦光，且波长位于乙炔吸收最强处，泵浦光由掺铒光纤放大器放大后经过光环形器进入油芯光子晶体光纤，用于与纤芯内部的溶解乙炔相互作用激发光热效应；探测光激光器发出的探测光波长位于乙炔吸收最弱处，经过光隔离器进入双马赫增德尔外差干涉结构。

3、优选地，泵浦激光器由光源控制器控制发出波长为1530.37nm且平均功率不低于5mw的连续正弦调制光，光强调制频率不低于20khz，该波长位于乙炔的p（9）吸收线即乙炔吸收较强处；探测激光器发出波长为1550nm且功率不低于20mw的连续光，该波长位于乙炔吸收较弱处。

4、优选地，所述掺铒光纤放大器可放大的光波长范围为1500nm～1670nm，饱和输出功率不低于20dbm，最大增益倍数不低于30db，且放大器工作于自动增益控制模式，保证放大后输入至油芯光子晶体光纤内的泵浦光功率不低于90mw。

5、所述油中溶解气体传感模块中，以侧面沿轴向钻有若干深至中央芯区微米量级微孔的油芯光子晶体光纤作为传感单元，该光纤可以直接放入变压器油中进行原位检测，其侧面微孔允许携带溶解乙炔分子的变压器油直接进入油芯光子晶体光纤中央芯区以及少部分包层空气孔内，中央芯区内变压器油折射率高于包层折射率，构成光纤全内反射机制，不低于95%的激光可以被有效束缚在所述油芯光子晶体光纤的中央芯区内传播，实现低损耗集中传输。

6、优选地，所述油芯光子晶体光纤采用型号为hc-1550-02的空心光子晶体光纤制备而成，长度不低于0.8m，其光波长传输范围为1490nm～1680nm，光传输损耗不超过30db/km。

7、优选地，所述油芯光子晶体光纤利用飞秒激光技术沿侧面轴向每隔10cm钻有深至中央芯区的若干微孔，微孔直径不低于3μm且不超过4μm，单孔损耗不超过0.2db，保证油芯光子晶体光纤纤芯内外的油交换以及光在纤芯内部的低损耗传输。

8、优选地，所述油芯光子晶体光纤两端与普通单模光纤以低损耗熔融连接，单个熔接损耗不超过2db，且熔接时两端包层空气孔熔融封闭，防止变压器油从两端熔接处进入包层空气孔。

9、所述油中溶解气体传感模块中，主要基于光热光谱原理，通过改进的外差干涉结构，形成双马赫增德尔外差干涉拓扑，配合数据解调模块可有效避免变压器运行环境噪声的干扰。

10、所述双马赫增德尔外差干涉拓扑包括传感外差干涉和参考外差干涉两部分光路，二者光路基本相同，且采用相同的油芯光子晶体光纤作为传感单元，均直接放置在油箱内部的相同区域，区别在于泵浦光通过光环形器进入油芯光子晶体光纤1并与纤芯内部的溶解乙炔相互作用，激发光热效应产生相位调制信号，油芯光子晶体光纤2则无泵浦光进入即未被激发光热效应。探测光通过1×2耦合器1被分为两路，一路作为传感光被1×2耦合器2分成两路分别进入两个油芯光子晶体光纤中；另一路作为参考光，经过声光调制器移频后被1×2耦合器3分为两路，分别与两束传感光在2×2耦合器1和2×2耦合器2处发生干涉。最终形成一路带有油中溶解乙炔浓度信息和油环境噪声信息的传感干涉光信号和一路仅带有变压器油环境噪声噪声信息的参考光干涉信号，分别由平衡光电探测器1和平衡光电探测器2收集并转换为电信号。

11、优选地，所述声光调制器频移量不低于100mhz，将相位调制信号调制至高频，避免系统粉噪声干扰。

12、优选地，所述1×2耦合器1、2、3和2×2耦合器1、2分光比均为50：50。

13、所述数据解调模块中，两路干涉信号分别经过各自平衡光电探测器转换为电信号后作为两路输入信号直接输入至鉴相器，鉴相器比较两路信号的过零点获得相位差，输出信号即为两个干涉信号的相位差时域信号，即仅包含油中溶解乙炔浓度信息，由数据采集卡进一步采集并经计算机傅里叶变换处理，直接得到反映乙炔浓度信息的信号。

14、优选地，所述鉴相器的带宽不低于500mhz，输出电压范围为0v～1.8v，输出信号可以有效表征两路输入信号的相位差变化。

15、相比现有技术，本发明的有益效果在于。

16、（1）可实现变压器油中溶解乙炔的原位实时检测。本发明采用侧面沿轴向钻有微米量级微孔的油芯光子晶体光纤作为传感单元，可以直接放置在变压器油箱内部，无需涉及任何形式的油气分离过程；携带溶解乙炔的变压器油可以直接进入光纤纤芯内部，克服了传统溶解乙炔检测时需油气分离过程导致耗时长的难题，从而实现原位实时检测。

17、（2）抗干扰能力强。本发明在油中溶解气体传感模块中引入双马赫增德尔外差干涉拓扑，两路干涉信号频率一致，相位差仅为溶解乙炔引起的光热相位调制信号，可直接避免局部放电超声、振动等突发干扰信号噪声，大幅提高系统检测结果的可靠性。

18、（3）检测下限低。本发明将光热光谱技术与外差干涉结构相结合，对于小信号检测时具有较低的检测下限，同时通过声光调制器将相位信号调制至高频，有效降低检测系统1/ f噪声干扰，因此可以达到ppm量级的变压器油中溶解乙炔的直接检测。