CN103411920A - 便携式变压器油中溶解气体多组分在线监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式变压器油中溶解气体多组分在线监测仪，主机箱内设有数个半导体激光器，每个半导体激光器均连接有一个半导体激光控制器，各半导体激光器共同连接一个信号发生电路、一个1×N光开关，1×N光开关连接主机箱上的输出光纤连接器，输出光纤连接器通过有输出光纤接入长光程气体吸收池，长光程气体吸收池连接有输入光纤，输入光纤的另一端连接主机箱上的输入光纤连接器，输入光纤连接器连接主机箱内的校准吸收池，校准吸收池的前端光出射口处依次设有聚焦透镜、红外光电探测器、器连接锁相放大器、数据采集控制模块。本发明满足了变压器安全监测的需要，真正实现了对变压器故障的高灵敏、实时在线监测。

Description

便携式变压器油中溶解气体多组分在线监测仪

技术领域

本发明属于一种气体的激光光谱测量仪器，具体是一种便携式变压器油中溶解气体多组分在线监测仪，它能同时测量CO、CO₂、C₂H₂和CH₄四种气体的浓度。

背景技术

随着国内电力需求和电网规模的扩大，变压器作为电力***的枢纽设备，其运行可靠性直接影响电力***的安全运行。变压器绝缘油中气体组分和浓度很大程度地反映了变压器的热电故障程度和使用寿命，变压器油中气体分析己成为变压器内部潜伏性故障检测的有效技术手段。研究和发展绝缘油气体的多组分、在线检测技术具有重要的理论和现实意义。

变压器油中溶解气体组分主要有N₂、O₂、H₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆、CO、CO₂等气体。正常情况下油浸式电力变压器内的油和绝缘纸材料在热和电的共同作用下，会逐渐老化和分解，产生少量的低分子烃类及CO₂、CO等气体，和油中溶解的空气一起称为正常气体。若变压器内部存在潜伏性过热或放电故障时，便会加速油和绝缘纸材料的老化和分解，产生较大量的CH₄、C₂H₂、H₂、CO、CO₂等气体，称为故障气体。变压器内部大部分气体量较少时都会溶于变压器油中，当气体产量大于油中溶解量时，便有部分气体以游离态的形式释放出来。因此通过在线监测绝缘油中气体种类及含量可以反映变压器的运行状况，及时准确地检测出电力变压器潜伏性故障。

国家电网公司企业标准规定CH₄、C₂H₂的最低检测限值在0.5                                               

，CO₂、CO的最低检测限值为25

。目前普遍使用的监测仪器基本上还是基于油色谱分析的仪器。虽然油色谱分析法有足够的检测灵敏度，但常规的油色谱分析法是一种离线分析方法，存在一些不足之处：不仅脱气中可能存在较大的误差，而且检测曲线的人工修正也会加大误差。 从取油样到实验室分析，作业程序复杂，花费的时间和费用较高。在技术经济上不能适应电力***发展的需要，检测周期长，不能及时发现潜伏性故障和有效的跟踪发展趋势，因受其设备费用和技术力量的限制，不可能每个电站都配备常规油色谱分析仪，运行人员无法随时掌握和监视本站变压器的运行状况，从而会加大事故率。基于激光光谱技术的气体传感技术，能够实现对气体的高灵敏、高分辨、非接触在线检测，仪器维护量低。通过多气体成分的同时测量，还可以极大提高监测的灵敏度和可靠性，减少变压器故障的误报率。因此，基于激光光谱法的气体检测的技术在变压器油中溶解气体的在线监测领域有着重要应用前景。

发明内容

本发明提出了一种基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的多组分CO、CO₂、C₂H₂、CH₄高灵敏在线监测仪，使用三台近红外波段DFB半导体激光器，利用CO、CO₂、C₂H₂和CH₄在近红外光谱区的特征吸收，并结合光纤光开关技术实现对CO、CO₂、C₂H₂和CH₄的分时检测，采用波长调制光谱和二次谐波检测技术、串联结构长光程技术实现对变压器油中溶解气体CO、CO₂、C₂H₂和CH₄的快速、高灵敏、无干扰的气体浓度测量。通过对油中溶解多种气体成分同时检测，提高了变压器故障诊断的准确性和可靠性。

本发明的技术方案如下：

便携式变压器油中溶解气体多组分在线监测仪，包括有主机箱和长光程气体吸收池，主机箱上安装有开关电源、主电源开关，其特征在于：所述的主机箱内设有数个半导体激光器，每个半导体激光器均连接有一个半导体激光控制器，各个半导体激光器共同连接有一个信号发生电路，各半导体激光器的输出端连接一个1×N光开关，1×N光开关连接有光开关驱动电路，1×N光开关还连接有主机箱上的输出光纤连接器，输出光纤连接器上连接有输出光纤，输出光纤的另一端接入长光程气体吸收池，长光程气体吸收池连接有输入光纤，输入光纤的另一端连接主机箱上的输入光纤连接器，输入光纤连接器连接主机箱内的校准吸收池，校准吸收池的前端光出射口处依次设有聚焦透镜、红外光电探测器，红外光电探测器连接锁相放大器，锁相放大器连接数据采集控制模块，数据采集控制模块外接液晶显示模块，数据采集控制模块与光开关驱动电路、信号发生电路控制连接。

所述的便携式变压器油中溶解气体多组分在线监测仪，其特征在于：所述的长光程气体吸收池采用串联结构长光程气体吸收池，釆用了三个反射式气室串联叠加结构，包括有不锈钢材料制成的气室框架以及精确固定在气室框架上的两对带有尾纤的高耦合率自聚焦透镜和一对输入、输出光纤耦合器，所述的输出光纤连接输出光纤耦合器，激光在长光程气体吸收池内经过多次反射后再经过两个自聚焦透镜进行聚焦，最后再经过多次反射后至输入光纤耦合器，输入光纤耦合器连接输入光纤，长光程气体吸收池还设有进气口、出气口。

所述的便携式变压器油中溶解气体多组分在线监测仪，其特征在于：所述的半导体激光器的个数为三个，分别为1570 nm近红外DFB半导体激光器、1529nm近红外DFB半导体激光器、1654nm近红外DFB半导体激光器，三个半导体激光器对应的三个半导体激光控制器分别为1570 nm半导体激光温度电流控制模块、1529nm半导体激光温度电流控制模块、1654nm半导体激光温度电流控制模块。

所述的便携式变压器油中溶解气体多组分在线监测仪，其特征在于：所述的1×N光开关采用1×3光开关。

所述的便携式变压器油中溶解气体多组分在线监测仪，其特征在于：所述的主机箱内还设有光纤连接法兰，三个半导体激光器的尾纤输出通过光纤连接法兰耦合入1×3光开关。

所述的便携式变压器油中溶解气体多组分在线监测仪，其特征在于：所述的校准吸收池采用内置有充满一个大气压CO、CO₂、C₂H₂、CH₄标准混合气体的10cm校准吸收池。

所述的便携式变压器油中溶解气体多组分在线监测仪，其特征在于：所述的主机箱上还设有电源插座、风扇、数据连接口等。

本发明的优点是：

本发明利用最新的近红外可调谐半导体激光吸收光谱技术、串联结构长光程技术实现对变压器油中溶解气体CO、CO₂、C₂H₂和CH₄浓度的实时在线监测，利用可调谐半导体激光吸收光谱技术高分辨特点消除了环境空气中其它气体成分的干扰，从技术上克服了传统仪器响应速度慢、易受干扰、易中毒、不能实现连续实时监测以及成本高等缺点，利用同一套光路实现多种气体组分同时监测，降低了变压器油中溶解气体监测的***成本，对C₂H₂和CH₄浓度的检测限低于0.5

，对CO、CO₂的检测限低于10

，满足了变压器安全监测的需要，真正实现了对变压器故障的高灵敏、实时在线监测。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是串联结构长光程气体吸收池结构示意图。

    图中标号：1、主机箱，2、主电源开关，3、1570 nm半导体激光温度电流控制模块，4、信号发生电路，5、1529nm半导体激光温度电流控制模块，6、1654nm半导体激光温度电流控制模块，7、1570 nm近红外DFB半导体激光器，8、1529nm近红外DFB半导体激光器，9、1654nm近红外DFB半导体激光器，10、1×3光开关，11、1×3光开关驱动电路12、输出光纤连接器，13、输入光纤连接器，14、校准吸收池，15、聚焦透镜，16、红外光电探测器，17、锁相放大器，18、数据采集控制模块，19、开关电源 20、液晶显示模块，上述所涉及的部件均是安装在机箱1上。21、输出光纤，22输入光纤， 23、串联结构长光程气体吸收池，24、自聚焦透镜一， 25、自聚焦透镜二，26、进气口，27、出气口。

具体实施方式

    参见图1、图2。

本发明采用中心波长为1570nm的近红外DFB半导体激光器7作为CO、CO₂的检测激光光源，1570 nm半导体激光温度电流控制模块3通过激光温度、电流控制将激光器输出中心波长在1570nm 附近，信号发生电路4产生的100Hz锯齿波信号叠加在激光器的驱动电流上使激光波长缓慢扫描依次通过CO、CO₂气体的吸收线，信号发生电路4同时产生10KHz正弦波信号叠加在激光器的驱动电流上对激光输出波长进行调谐。采用中心波长为1529nm的近红外DFB半导体激光器8作为C₂H₂的检测激光光源，利用1529nm半导体激光温度电流控制模块5将激光器输出中心波长调谐到1529.2 nm C₂H₂的一条吸收线中心。采用中心波长为1654nm的近红外DFB半导体激光器9作为CH₄的检测激光光源，利用1654nm半导体激光温度电流控制模块6将激光器输出中心波长调谐到1653.7nm CH₄的一条吸收线中心，1570 nm近红外DFB半导体激光器7、1529 nm近红外DFB半导体激光器8与1654 nm近红外DFB半导体激光器9共用由信号发生电路4产生的波长扫描和调制信号。三台激光器的尾纤输出首先通过光纤连接法兰耦合入1×3光开关10， 1×3光开关驱动电路11在数据采集控制模块18发出的选通信号作用下顺序将检测激光耦合到输出端，实现CO、CO₂、C₂H₂和CH₄气体的分时检测。1×3光开关10选通输出的激光束通过输出光纤连接器12以及输出光纤21与外光路连接，实现单套***的多组分分时检测。在每个检测周期内，1×3光开关10输出通道扫描一个周期，也就是将三台激光器的输出顺序耦合到外检测光路，完成对CO、CO₂、C₂H₂、CH₄气体浓度的一次顺序检测。外检测光路采用的长光程气体吸收池23是三个反射式气室串联叠加的长光程结构，最大设计光程为60m。光束经过检测区域后通过输入光纤连接器13返回主机箱1，与输入光纤连接器13相连的输入光纤22出射端口有一个内置的充满一个大气压CO、CO₂、C₂H₂、CH₄标准混合气体的10cm校准吸收池14，用于对检测吸收信号的实时校准。出射光经过校准吸收池14后经过聚焦透镜15聚焦到一个红外光电探测器16的光敏面上。探测器信号送锁相放大器17进行二次谐波信号检测，锁相放大器17的参考信号来自于信号发生电路4产生的正弦调制信号。利用预先保存的校准吸收池14吸收信号对锁相放大器17输出二次谐波信号，在数据采集控制模块18中进行最小二乘积拟合并扣除校准池气体浓度得到多组分气体浓度；数据采集控制模块18连接有液晶显示模块20。主机箱1上设有主电源开关2、开关电源19。

长光程气体吸收池23采用串联结构长光程气体吸收池，釆用了三个反射式气室串联叠加结构，包括有不锈钢材料制成的气室框架以及精确固定在气室框架上的两对带有尾纤的高耦合率自聚焦透镜24、25和一对输入、输出光纤耦合器，输出光纤21连接输出光纤耦合器，激光在长光程气体吸收池23内经过多次反射后再经过两个自聚焦透镜24、25进行聚焦，最后再经过多次反射后至输入光纤耦合器，输入光纤耦合器连接输入光纤22，长光程气体吸收23池还设有进气口26、出气口27。

Claims (7)

1.便携式变压器油中溶解气体多组分在线监测仪，包括有主机箱和长光程气体吸收池，主机箱上安装有开关电源、主电源开关，其特征在于：所述的主机箱内设有数个半导体激光器，每个半导体激光器均连接有一个半导体激光控制器，各个半导体激光器共同连接有一个信号发生电路，各半导体激光器的输出端连接一个1×N光开关，1×N光开关连接有光开关驱动电路，1×N光开关还连接有主机箱上的输出光纤连接器，输出光纤连接器上连接有输出光纤，输出光纤的另一端接入长光程气体吸收池，长光程气体吸收池连接有输入光纤，输入光纤的另一端连接主机箱上的输入光纤连接器，输入光纤连接器连接主机箱内的校准吸收池，校准吸收池的前端光出射口处依次设有聚焦透镜、红外光电探测器，红外光电探测器连接锁相放大器，锁相放大器连接数据采集控制模块，数据采集控制模块外接液晶显示模块，数据采集控制模块与光开关驱动电路、信号发生电路控制连接。

2.根据权利要求1所述的便携式变压器油中溶解气体多组分在线监测仪，其特征在于：所述的长光程气体吸收池采用串联结构长光程气体吸收池，釆用了三个反射式气室串联叠加结构，包括有不锈钢材料制成的气室框架以及精确固定在气室框架上的两对带有尾纤的高耦合率自聚焦透镜和一对输入、输出光纤耦合器，所述的输出光纤连接输出光纤耦合器，激光在长光程气体吸收池内经过多次反射后再经过两个自聚焦透镜进行聚焦，最后再经过多次反射后至输入光纤耦合器，输入光纤耦合器连接输入光纤，长光程气体吸收池还设有进气口、出气口。

3.根据权利要求1所述的便携式变压器油中溶解气体多组分在线监测仪，其特征在于：所述的半导体激光器的个数为三个，分别为1570 nm近红外DFB半导体激光器、1529nm近红外DFB半导体激光器、1654nm近红外DFB半导体激光器，三个半导体激光器对应的三个半导体激光控制器分别为1570 nm半导体激光温度电流控制模块、1529nm半导体激光温度电流控制模块、1654nm半导体激光温度电流控制模块。

4.根据权利要求1或3所述的便携式变压器油中溶解气体多组分在线监测仪，其特征在于：所述的1×N光开关采用1×3光开关。

5.根据权利要求1或3或4所述的便携式变压器油中溶解气体多组分在线监测仪，其特征在于：所述的主机箱内还设有光纤连接法兰，三个半导体激光器的尾纤输出通过光纤连接法兰耦合入1×3光开关。

6.根据权利要求1所述的便携式变压器油中溶解气体多组分在线监测仪，其特征在于：所述的校准吸收池采用内置有充满一个大气压CO、CO₂、C₂H₂、CH₄标准混合气体的10cm校准吸收池。

7.根据权利要求1所述的便携式变压器油中溶解气体多组分在线监测仪，其特征在于：所述的主机箱上还设有电源插座、风扇、数据连接口等。

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