(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210542201.9 (22)申请日 2022.05.19 (71)申请人 华北电力大 学 地址 102206 北京市昌平区北农路2号 (72)发明人 马国明　王渊　陈章霖　谢洋洋　 郑迪雅　 (51)Int.Cl. G01N 21/17(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种无需油气分离的变压器油中溶解烃类 气体检测系统 (57)摘要 本发明公开了一种无需油气分离的变压器 油中溶解烃类气体检测系统， 是一种基于光热光 谱和油芯光子晶体光纤的烃类气体检测系统。 包 括： 泵浦模块、 传感元件、 探测模块以及数据采集 模块。 泵浦模块， 用于调制输 出并放大泵浦光， 主 要包括泵浦光源、 控制器和掺铒光纤放大器等。 传感元件， 将气体含量信息转换为光相位信息， 由油芯光子晶体光纤构成。 探测模块， 用于对调 制光相位进行检测， 主要包括探测光源、 马赫增 德尔干涉仪、 声 光调制器等。 数据采集模块， 用于 光信号采集、 记录和相位调制信息解调， 主要包 括平衡光电探测器、 数据采集卡和计算机。 在此 基础上， 无需油气分离便可实现油中溶解烃类气 体快速原位检测， 进 而评估变 压器运行状态。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 114813578 A 2022.07.29 CN 114813578 A 1.一种无需油气分离的变压器油中溶解烃类气体检测系统， 其特征在于， 由泵浦模块、 传感元件、 探测模块以及数据采集模块组成； 其中， 泵浦模块由泵浦 光源、 控制器、 光隔离器 1、 掺铒光纤放大器、 光环形器组成； 传感元件由油芯光子晶体光纤构成， 内置于变压器油 中； 探测模块由探测光源、 光隔离器2、 马赫增德尔干涉仪、 声光调制器、 1 ×2光纤耦合器以 及2×2光纤耦合器构成； 数据采集模块主要包括平衡光电探测器、 数据采集卡和计算机； 其 中， 所述马赫增德尔干涉仪中， 声光调制器位于马赫增德尔干涉仪参考臂， 油芯光子晶体光 纤位于马赫增德尔干涉仪传感臂。 2.根据权利要求1所述一种无需油气分离的变压器油中溶解烃类气体检测系统， 其特 征在于， 所述油芯光子晶体光纤由空心光子晶体光纤制备而成， 中央芯区内填充有待测变 压器油， 中央芯区内变压器油折 射率高于包层折 射率。 3.根据权利要求1所述一种无需油气分离的变压器油中溶解烃类气体检测系统， 其特 征在于， 所述油芯光子晶体光纤长度不小于1.0m； 油芯光子晶体光纤两端均与单模光纤利 用光纤熔接机实现熔融连接， 整体熔接损耗不大于3.5dB； 油芯光子晶体光纤表 面加工有深 至中央芯区的微通道以实现变压器油进 出， 微通道尺寸大于变压器油分子直径且不超过3 μ m， 相邻两个微 通道间距不大于20 cm。 4.根据权利要求1所述一种无需油气分离的变压器油中溶解烃类气体检测系统， 其特 征在于， 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； 油 芯光子晶体光纤不仅作为泵浦光与探测光的传输路径， 还用作实现泵浦 光被变压器油中溶 解烃类气体吸 收以及激发光热效应的场所， 将溶解烃类气体含量信息转换为 光相位信息 。 5.根据权利要求1所述一种无需油气分离的变压器油中溶解烃类气体检测系统， 其特 征在于， 所述油芯光子晶体光纤布置于变压器内距变压器油箱顶部15cm~20cm处及高压绕 组上部； 通过上述布置方式可减小故障气体对流扩散至油芯光子晶体光纤的时间， 提高检 测实时性。 6.根据权利要求1所述一种无需油气分离的变压器油中溶解烃类气体检测系统， 其特 征在于， 所述掺铒光纤放大器输入光功率范围满足 ‑40~3dBm， 饱和输出光功率不小于 20dBm， 最大增益不小于25dB， 并且可工作于自动增益控制模式； 放大后泵浦光功率不小于 40dBm。 7.根据权利要求1所述一种无需油气分离的变压器油中溶解烃类气体检测系统， 其特 征在于， 泵浦光源输出波长应位于气体吸收谱线最 强处， 线宽不大于3MHz， 并且可通过改变 控制器输出驱动电流实现输出激光 强度调制， 且最大调制频率不小于25kHz； 探测光源输出 波长应位于溶解烃类气体吸 收谱线最弱处， 线宽不大于 5kHz。 8.根据权利要求1所述一种无需油气分离的变压器油中溶解烃类气体检测系统， 其特 征在于， 所述声光调制器频移量 不小于20 MHz， 插入损耗不大于5dB。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114813578 A 2一种无需油气分离的变压器油中溶解烃类气体检测系统 技术领域 [0001]本发明属于光学传感系统技术领域， 具体而言， 涉及一种无需油气分离的变压器 油中溶解烃类气体 检测系统。 背景技术 [0002]当油浸式电力变压器内存在故障或在故障形成过程中， 变压器内部绝缘材料会分 解产生小分子烃类气体并不断溶解在油中。 通过对变压器油中溶解气 体种类及 含量进行监 测可以对变压器运行状态进 行判断， 有助于及时发现变压器内部早期故障。 因此， 变压器油 中溶解烃类气体 检测系统的实时性、 灵敏度和准确性至关重要。 [0003]近年来， 随着学科间的交叉融合， 基于光学传感原理的变压器油中溶解烃类气体 检测技术愈发受到研究人员的关注。 相比于传统气相色谱法、 半导体传感器等物理化学传 感器， 光学气体传感器具有绝缘性能好、 抗电磁干扰性能强、 灵敏度高等优势， 逐渐成为变 压器油中溶解烃类气体 检测研究热点所在。 [0004]而现有变压器油中溶解烃类气体光学检测技术大多在气相环境中开展， 难以直接 在油相环境下直接检测。 因此， 在开展气体检测前均首先需要从变压器取油口取油样后进 行油气分离， 再对故障气体的成分与含量进 行测试。 然而， 特征气体从故障点扩散到变压器 取油口需要数小时到数十小时， 甚至分解产生于 “死油区”的故障气体难以到达取油口。 现 有变压器油中溶解烃类气体光学检测技术无法及时反 映变压器运行状态。 同时， 当前油气 分离方法主要有真空脱气法、 顶空脱气法和分子筛膜法。 真空脱气法、 顶空脱气法虽然可以 较快地实现油气分离， 但是装置结构复杂， 无法内置于变压器油箱中。 分子筛膜法具有结构 简单的特点， 但油气分离耗时长达数十小时， 实时性差。 此外， 现有油气分离技术脱气分散 性大， 导致检测结果分散性大， 难以准确评价变压器运行状态。 [0005]为实现无需油气分离的变压器油中溶解烃类气体的直接光学检测， 国内外研究人 员曾直接将激光器发出激光入射变压器油样进 行光谱吸收检测， 但由于激光光强在变压器 油中衰减严重， 因此普遍认为无法在变压器油环 境中直接对小浓度溶解烃类气 体开展光谱 吸收型光学检测。 [0006]通过研究发现， 激光在变压器油中传播时， 变压器油样空间尺寸远大于光束半径， 光束将向四周发散， 进而导致激光光 强衰减严重。 针对上述不足， 有必 要提出一种传感元件 可内置于变压器内且无需油气分离的变压器油中溶解烃类气 体原位检测系统， 以提高检测 速度； 并且激光 光束半径在 传感元件内传播时可以被有效束缚， 以提高检测灵敏度。 发明内容 [0007]本发明的目的是提出一种无 需油气分离的变压器油中溶解烃类气体检测系统， 其 特征在于， 由泵浦模块、 传感元件、 探测模块以及数据采集模块组成。 其中， 泵浦模块由泵浦 光源、 控制器和掺铒光纤放大器等组成； 传感元件由油芯光子晶体光纤构成， 内置于变压器 油中。 探测模块由探测光源、 马赫增德尔干涉仪、 声光调制器等构成。 数据采集模块主要包说　明　书 1/4 页 3 CN 114813578 A 3