基于空心光子晶体光纤的变压器油中溶解气体光学腔衰减振荡检测方法研究

Conventional on-line Dissolved Gas Analysis (DGA) has several disadvantages: carrier gas requirement, regular calibration, low accuracy and poor reliability. In order to solve these problems, we propose a novel monitoring system based on Hollow Core-Photonic Crystal Fiber (HC-PCF) and Fiber Bragg Grating Fiber loop cavity ring-down detection (FBG-FLCRD). In the research, gas cell structure, hole density, and hole diameter of the HC-PCF will be investigated to enlarge the equivalent gas cell length, and the preparation processes of the HC-PCF and gas cell will be obtained. Then, the splicing method between single mode fiber and HC-PCF will be researched to reduce the splicing loss. After that, a new configuration of gain-clamped Erbium-Doped Fiber Amplifier will be proposed to form an optical topology which is suitable to DGA based on HC-PCF and FBG-FLCRD. Moreover, lots of experiments will be carried out, and the dynamic, static and reliable parameters of the detection system will be related with the HF-PCF hole density, HF-PCF hole diameter, temperature, laser power, and background gas. After the research, a highly accurate and reliable HC-PCF & FBG-FLCRD dissolved gas detection system will be obtained.

现有变压器油中溶解气体监测存在需要载气及标气，色谱柱老化，检测精度低等缺点，本课题拟采用空心光子晶体光纤(HC-PCF)及光纤光栅腔体衰减振荡检测技术(FBG-FLCRD )进行油中气体检测，解决现有技术存在的问题。本课题将探索掌握HC-PCF 气室构型及飞秒激光表面纳米孔洞制备方法，调控HC-PCF 及纳米孔洞的形状、密度和直径，提升HC-PCF 气体传感单位等效气室长度；探索普通单模光纤与HC-PCF 的熔接工艺，降低熔接损耗；结合掺铒光纤放大器的增益钳制技术，提出并构建基于HC-PCF 和FBG-FLCRD 的油中溶解烃类气体检测光路拓扑；探寻并建立传感器灵敏度、精度、响应时间等动静态指标及老化性能与HC-PCF 孔密度和直径、运行温度、激光功率、背景气体等因素的量化关系。最终获得高精度、长期稳定的HC-PCF & FBG-FLCRD 油中溶解气体检测系统。

电力变压器内绝缘故障是造成变压器损坏、限制变电设备可靠性的重要原因，而油中溶解气体分析（DGA）是判断电力变压器运行状态的重要方法。但常规离线DGA存在作业程序复杂、检测周期长、人为操作影响大等缺点，为解决上述问题，本课题开展了基于空心光子晶体光纤的变压器油中溶解气体光学腔衰减振荡检测方法研究，主要成果如下：. 1）建立了反映气体含量的单色波长光束单位长度吸收系数、气体自由扩散进入HC-PCF空心芯区所需时间以及HC-PCF气室结构之间的关系，确定了对多种气体均有良好吸收的光子晶体光纤结构尺度；建立了高精度配气平台（配制气体精度达0.01 ppm）与气体检测平台，开展了痕量乙炔、甲烷气相检测试验，实现了ppm量级的检测下限。. 2）基于FIB技术实现了空心光子晶体光纤表面气体微通道（外径3 μm，内径1 μm）加工制备，烃类气体扩散进入空心芯区所需时间缩短至10分钟；改进了空心光子晶体光纤表面微通道尺寸并降低了光传输损耗，实现了单个微通道引入损耗小于0.1 dB。. 3）通过HITRAN数据库解决了不同气体间红外吸收谱线的交叉敏感问题；掌握了SMF与HC-PCF的低损耗熔接工艺，HC-PCF两端熔接损耗低至约3 dB；提出了结合双波长法与信号放大技术的高信噪比FLRDS检测光路电路拓扑，对小信号实现了有效放大，提高了系统检测精度。. 4）通过理论计算确定了FLRDS光路拓扑最优结构参数、HC-PCF长度以及微通道密度，可实现检测下限为0.18 ppm的乙炔气体检测效果；构建了HC-PCF & FLRDS气体检测系统性能评估体系，形成了高精度、长期稳定的HC-PCF & FLRDS烃类气体监测理论体系和方法。. 本成果提出了使用空心光子晶体光纤与光纤环形腔衰减振荡检测技术的变压器油中溶解气体的新方法，具有抗电磁干扰、高监测可靠性、响应时间快等优点，大幅缩小了检测气室体积，并且具有长期稳定性。在电力变压器油中溶解气体在线监测上有广泛的应用前景。