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李成榕教授团队在变压器油中溶解气体光纤原位检测领域取得重要进展

信息发布于:2022-04-20

电力变压器绝缘油在热和电的作用下将分解出氢气、一氧化碳、二氧化碳、以及多种小分子烃类气体,设备内部故障的类型及严重程度与这些气体分子的组成及产气速率有着密切关系。传统变压器油中溶解气体监测技术的测点都位于变压器外壳附近,特征气体从故障点扩散到测量点需要数小时到数十小时,并且过度依赖油气分离手段,监测系统不能及时反映变压器故障。而光学方法绝缘好、响应快、抗干扰能力强,是近年的研究热点。通常,激光器发出激光经过光学透镜入射样品器皿与油路,不利于现场应用。同时由于入射激光光束半径远小于油室尺寸,光束在传播过程中不可避免地会出现发散现象,大部分激光不再沿激光入射方向传播,这将导致激光光强沿传播方向大幅下降。因此,通常在气相环境检测中发展良好的光学诊断技术很难直接应用于变压器油中气体检测。

为解决在自由变压器油环境中光束发散严重导致无法光学直接测量的问题,马国明、王渊、李成榕等人提出并研制了OC-PCF光学探针,实现了不经过油气分离的变压器溶解气体检测。

仿真分析研究了OC-PCF内模场分布,明确了影响OC-PCF在近红外波段光传输性能的关键因素,据此设计了低损耗OC-PCF制备方案,研究提出的OC-PCF导光机制由光子带隙型导光机制转变为全内反射型导光机制,激光能够始终被限制在μm尺寸的纤芯内传播,最终成功突破了激光在变压器油中严重发散的难题。

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图1.OC-PCF内光场能量分布图

通过对OC-PCF导光性能进行实验测试,激光可以与OC-PCF油芯内待测油样充分接触,实现了变压器油中溶解烃类气体的原位检测,不需要经过油气分离过程,灵敏度达到ppm量级。

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图2 置于变压器油环境中的OC-PCF

该研究工作得到了国家自然科学基金,中国科协青年人才托举工程,霍英东教育基金会,北京市自然科学基金,中央高校基本科研业务费专项资金,新能源电力系统国家重点实验室开放课题等项目的资助,清华大学的周宏扬博士、北京大学的赵皓特聘研究员、普林斯顿大学的阎超博士也参与了研究与讨论。

初审:马国明

审核:李庆民

编辑:孙明雨


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