[发明专利]一种基于拉曼增强光谱的变压器油中溶解气体检测系统

说明书

本发明公开了一种无需油气分离的变压器油中溶解气体检测系统，是一种基于拉曼光谱法和油芯光子晶体光纤的变压器油中溶解多组分气体检测系统。包括：激光电源、固体激光器、单模光纤、拉曼探头、油芯光子晶体光纤、绝缘封装盒、拉曼光谱仪、采集卡、上位机。系统基于拉曼光谱原理，利用固体激光器发出的激光经过拉曼探头与进入油芯光子晶体光纤中的气体分子相互作用产生拉曼散射，其中后向拉曼散射光经拉曼探头传输至拉曼光谱仪得到各种气体的拉曼光谱图，并经采集卡采集后由上位机分析得到各种气体的种类及含量。基于此，该系统无需油气分离和混合气体分离便可实现变压器油中溶解多组分气体的原位检测，进而评估变压器运行状态。

技术领域

本发明涉及光学传感系统技术领域，具体是一种基于拉曼增强光谱的变压器油中溶解气体检测系统。

背景技术

变压器的长期运行，往往会由于各种不确定因素发生局部放电、变压器过热等故障，如不及时发现并排除故障因素，会加速变压器的绝缘老化以损坏变压器，甚至造成严重的人员财产损失。因此针对变压器故障特性对变压器运行状态进行实时监测，实现故障的提前发现、提前报警、提前排除显得尤为重要。

变压器常见故障中，如局部放电、变压器过热等，往往会产生多种故障特征气体。变压器故障时产生的故障气体的类型、浓度与变压器是否发生故障甚至故障类型密切相关，是实现变压器故障预警的重要监测对象。尤其是油浸式变压器，其内部的油、纸绝缘结构很容易因为上述故障发生老化变质，产生多种故障特征气体，包括：氢气（H₂）、甲烷(CH₄)、乙炔(C₂H₂)、乙烯(C₂H₄)、乙烷(C₂H₆)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)等。与其他类型变压器不同，油浸式变压器产生的故障气体大多直接溶解于变压器油中，难以实现直接检测。

传统的变压器油中溶解气体的检测是采用气相色谱技术。一方面，从变压器发生故障后产生故障特征气体扩散至取油口附近被抽取，再进行油气分离，而对于多组分气体还要进行混合气体分离，这会消耗几个甚至十几小时，甚至产生于变压器“死油区”的故障特征气体不易到达取油口导致该技术难以实现实时检测。另一方面，气相色谱技术的定量探测能力差，色谱柱性能随时间增长而下降，对于油中溶解的痕量气体难以准确检测。

近年来，随着光学技术的发展，利用光学系统进行油中溶解气体检测受到人们的广泛关注。国内外针对变压器油中溶解气体的检测方法主要有：光声光谱法、拉曼光谱法和红外光谱吸收法。其中拉曼光谱法与传统气相色谱法相比具有重复性好、灵敏度高、检测范围广等优势，且使用单一频率的激光，无需分离混合气体便可实现同时检测多气体。然而拉曼光谱法在实际应用中一方面仍然需要油气分离存在耗时长的问题；另一方面变压器油中溶解气体含量低，且气体分子的拉曼散射面积小，需要通过增强拉曼散射以提高检测灵敏度，

因此有必要提出一种基于拉曼光谱技术，能够增强拉曼散射提高检测灵敏度且无需油气分离并实时监测变压器油中溶解多组分气体浓度的系统。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于拉曼增强光谱的变压器油中溶解气体检测系统，其特征在于，包括激光电源、固体激光器、单模光纤、拉曼探头、油芯光子晶体光纤、绝缘封装盒、拉曼光谱仪、采集卡、上位机。

优选地，所述固体激光器为上海高意激光技术有限公司生产的CW 532nm的激光器（DPGL-2200），其输出光波长为532nm，稳定输出功率不低于150mW且功率连续可调。激光电源为LCD-2500小型激光电源用于控制固体激光器。

所述拉曼探头由主体部分、激发光纤、收集光纤和传输光纤构成，激发光纤用于将光源发出的光传输至拉曼探头的主体部分，进而通过传输光纤传输至油芯光子晶体光纤内部，收集光纤用于将油芯光子晶体光纤内产生的后向拉曼散射光传输至拉曼光谱仪。