(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202210571768.9 (22)申请日 2022.05.25 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 114739955 A (43)申请公布日 2022.07.12 (73)专利权人 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　陈章霖　史荣斌　谢洋洋　 王渊　郑迪雅　 (51)Int.Cl. G01N 21/45(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (56)对比文件 Yuan Wang 等.Detecti on of Dis solved Acetylene i n Power Transformer Oi l Based on Photonic Crystal Fiber. 《IE EE SENSORS JOURNAL》 .2020,第20卷(第18 期),第10981- 10988页. 审查员 崔秀艳 (54)发明名称 一种变压器套管油中溶解气体光纤传感系 统 (57)摘要 本发明提出一种变压器套管油中溶解气体 光纤传感系统， 包括光源、 环形器、 2 ×2耦合器、 掺铒光纤放大器、 第一1 ×2耦合器、 延迟光纤、 气 体传感模块、 第二1 ×2耦合器、 声 光调制器、 声 光 调制器驱动、 平衡光电探测器、 数据采集和上位 机； 气体传感模块由陶瓷膜和空心光子晶体光纤 构成， 涂覆高分子材料的陶瓷膜可 实现高效油气 分离， 空心光子晶体光纤可作为光与气体相互作 用的气室。 气体传感模块内置于变压器套管储油 柜中， 缩短了故障气体对流扩散至气体传感模块 的时间。 本发明提高了在线监测实时性， 在保证 较高灵敏度和检测下限的同时， 降低了对光源和 平衡光电探测器的性能要求， 降低成本 。 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 CN 114739955 B 2022.09.02 CN 114739955 B 1.一种变压器套管油中溶解气体光纤传感系统， 其特征在于， 包括光源 （1） 、 环形器 （2） 、 2×2耦合器 （3） 、 掺铒光纤放大器 （4） 、 第一1 ×2耦合器 （5） 、 延迟光纤 （6） 、 气体传 感模 块 （7） 、 第二1 ×2耦合器 （8） 、 声光调制器 （9） 、 声光调制器驱动 （10） 、 平衡光电探测器 （11） 、 数据采集器 （12） 和上位机 （13） ， 其中， 所述第一1 ×2耦合器 （5） 的 ②端口和③端口分光比为99： 1， 第二1 ×2耦合器 （8） 的 ②端 口和③端口分光比为99： 1； 第一1 ×2耦合器 （5） 、 延迟光纤 （6） 、 气体传感模块 （7） 、 第二1 ×2 耦合器 （8） 和掺铒光纤放大器 （4） 构成衰荡腔； 衰荡腔 长度是传感系统最小空间分辨率整 数 倍； 所述2×2耦合器 （3） 的 ②端口连接至平衡光电探测器 （11） 的光纤长度与2 ×2耦合器 （3） 的①端口经环形器 （2） 的 ②端口和③端口连接 至平衡光电探测器 （1 1） 的光纤长度相等； 所述光源 （1） 选择可调谐激光器， 工作在 “相干控制 ”模式， 输出光线宽为40MHz， 相干长 度为5m， 远小于 衰荡腔长度； 所述气体传感模块 （7） 是由陶瓷膜、 空心光子晶体光纤和陶瓷圆环侧壁组成； 所述气体传感模块 （7） 呈圆盘状， 利用硅胶将两个圆形形状的陶瓷膜与陶瓷圆环侧壁 粘合在一起， 陶瓷 圆环侧壁夹在两个陶瓷膜之间， 两个陶瓷膜间有1mm的间隙并将空心 光子 晶体光纤盘绕放置于间隙内； 陶瓷圆环侧 壁上有两个通孔， 空心光子晶体光纤两端分别从 两个通孔引出； 陶瓷膜直径为6.5cm， 厚度为0.5mm， 陶瓷膜上分布着孔径为50nm的孔隙， 陶 瓷膜的孔隙率大于35%； 在陶瓷膜表面涂覆高分子材料Teflon  AF2400形成一层厚度为6 μm 的油气分离层； 陶瓷圆环侧壁内径为6cm， 外径为6.5cm； 空心光子晶体光纤的光纤长度为 0.8m， 空心光子晶体光纤侧面共有4个沿轴向分布的微孔， 相邻微孔间距为15cm， 每个微孔 直径为3 μm； 每个微孔在空心光子晶体光纤上剥去10 μm长的涂覆层后， 采用聚焦离子束技术 加工形成； 空心光子晶体光纤两侧引出端与单模光纤熔接， 熔接损耗小于 0.1dB。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114739955 B 2一种变压器套管油中溶解气体光纤传感系统 技术领域 [0001]本发明属于光学传感系统技术领域， 具体而言， 涉及一种变压器套管油中溶解气 体光纤传感系统。 背景技术 [0002]变压器套管油中溶解气体分析是判断变压器套管运行状态的重要手段。 通过监测 变压器套 管油中溶解气 体类型及含量可以对变压器套 管故障类型及严重程度进诊断， 预测 油浸式变压器套 管内部早期潜伏性故障。 这对变压器套管油中溶解气 体在线监测装置的实 时性、 准确 性和检测下限提出了较高的要求。 变压器套管油中溶解气体在线监测技术主要 包括油气分离技 术和多组分气体 检测技术。 [0003]制约变压器套管油中溶解气体在线监测实时性的两个主要问题分别为故障气体 由产生点溶解对流扩散至变压器套管取油口处所需时间长和油气分离效率低。 目前， 国内 外都尚无直接原 位变压器套管油中溶解气 体含量检测的传感装置。 无论是离线检测装置还 是在线监测装置， 都必须从变压器套 管取油口获取油样后进 行油气分离再对故障气 体成分 与溶度测试。 大型变压器套 管体积大， 结构复杂， 故障气体多产生于温度高、 场强集中处， 与 位于油浸式套 管底部的取油口距离远。 故障气 体溶解于变压器套 管油后经流扩散至取油口 处需消耗数天、 乃至数月的时间， 甚至产生于 “死油区”的故障气体难以到达取油口。 故障气 体对流扩散至取油口处的浓度较故障气 体产生处减小浓度降低较大。 这些不仅降低了在线 监测装置的实时性， 也极大提高了对在线监测装置检测下限的要求。 若油气分离装置能够 直接放置在变压器套管储油柜 内， 将极大缩短故障气体对流扩散阶段 的时间， 提高在线监 测的实时性。 [0004]当前主要的油气分离方法有真空脱气法、 顶空脱气法和高分子膜脱气法。 真空脱 气法、 顶空脱气法虽然有较快地实现油气分离平衡， 但是这些装置结构复杂， 操作繁琐， 目 前不具备内置于变压器套 管储油柜中的可能性。 高分子膜具有 结构简单、 耐油、 耐 高温的特 点， 油气分离达到动态平衡后可持续地与变压器套管油进行气体交换， 具有内置于变压器 套管储油柜 中实现对油中溶解气体的连续监测的潜力。 目前， 多组分气体检测技术主要有 气相色谱法、 半导体传感器法以及光学传感法。 气相色谱法需要色谱柱分离气体， 消耗载 气， 无法做到连续测量。 半导体传感器虽然成本低， 但是在长期使用过程中性能会逐渐发生 变化， 需定期校准更换， 且各气体组分之间容易发生交叉敏感， 导致检测准确 性下降。 光学 传感法灵敏度高， 检测下限低， 不易受电磁干扰且光纤本身 具有良好的绝缘性， 被越来越多 地应用在变压器套管在线监测中。 发明内容 [0005]本发明提出一种变压器套管油中溶解气体光纤传感系统， 包括光源、 环形器、 2 ×2 耦合器、 掺铒光纤放大器、 第一1 ×2耦合器、 延迟光纤、 气体传感模块、 第二1 ×2耦合器、 声 光调制器、 声光调制器驱动、 平衡光电探测器、 数据采集和上位机 。说　明　书 1/5 页 3 CN 114739955 B 3