基于微纳光纤倏逝波的油中溶解乙炔传感机理与试验研究

Online dissolved gases analysis (DGA) is an effective technique to ensure the safe and stable operation of oil-immersed power transformers. However, due to oil/gas separation process, the on-line DGA techniques suffer from large measurement errors, long detection cycle, complex equipment and carrier gas dependence. To avoid oil/gas separation, the absorption sensing of acetylene in evanescent field of Micro & Nano-fibers (MNFs) to achieve real-time direct detection is proposed. In this study, the research focuses on acetylene, the typical fault gas dissolved in transformer oil. The evanescent field is built in dielectric material of transformer oil based on light-guiding field characteristics of MNFs. In order to explore the formation conditions and distribution characteristics of evanescent field on MNF surface in transformer oil, theoretical analysis and simulation are utilized to reveal the mechanism of MNF acetylene sensing. The quantitative model of fiber optic evanescent surface evanescent wave energy and the fiber material, structure and dimension in micro/nano scale is established to grasp the key parameters and control methods during the acetylene sensor fabrication. And the dynamic and static performance test of MNF acetylene sensor is carried out to validate the effectiveness of the MNF sensor. In the end, direct sensing of dissolved acetylene in oil is achieved. The implementation of this project provides new ideas and approaches for online real-time monitoring of dissolved gases in power transformer oil.

在线油中溶解气体分析是保障油浸式电力变压器安全稳定运行的有效手段，但现有油中溶解气体分析的油气分离环节使得在线油中溶解气体监测存在检测误差大、检测周期长、装置复杂、载气依赖等问题。为克服上述难题，本项目以油中溶解的故障特征气体乙炔为研究对象，利用微纳光纤的导光束场特性，在变压器油介质中构建倏逝波，提出基于微纳光纤倏逝波的油中溶解乙炔直接传感技术。通过理论分析和仿真计算研究油介质下微纳光纤表面倏逝场的形成条件和分布特性，揭示微纳光纤乙炔传感的机理；建立微纳尺度下光纤表面倏逝波能量与光纤材质、结构和尺寸的量化模型，掌握微纳光纤乙炔传感器制备的关键参数和调控方法；开展微纳光纤乙炔传感动静态性能测试，验证微纳光纤传感的有效性，实现油中溶解乙炔的直接传感。本项目的实施将为电力变压器油中溶解气体在线实时监测提供新思路和新途径。

变压器油中溶解特征组分的检测对于保障油浸式电力变压器安全运行有着重要的意义。本课题以微纳光纤作为传感器，对变压器油中组分（主要包括微水和溶解乙炔）进行了传感研究，得到如下研究成果：.（1）建立了微纳光纤数学模型，研究了微纳光纤倏逝场的基本特性，对微纳光纤倏逝场分布及能量占比进行了仿真计算，从而利用倏逝场与油介质中特征组分的相互作用实现变压器油中溶解特征组分传感。.（2）分析了微纳光纤倏逝场的影响要素，重点研究了不同直径微纳光纤的倏逝场能量变化情况，揭示了微纳光纤倏逝场能量占比提升机制。.（3）搭建微纳光纤制备试验平台，进行熔融拉锥制备微纳光纤工艺的探索，通过控制火焰大小、火焰移动速度、拉锥速度以及拉锥长度等参数，制备了直径800 nm~50 μm的锥形微纳光纤，用于制备微纳光纤传感器。.（4）制备了不同微水含量的油样，试验结果表明，直径40 μm以下时能够实现变压器油中微水的检测，最终制备的微纳光纤微水传感器检测检测灵敏度达到ppm量级，可满足工程实际的检测需求。.（5）制备了不同劣化程度的油样，提出并建立了基于近红外光谱吸收的油中溶解乙炔检测光路电路拓扑，对吸收峰强度与油中溶解乙炔浓度关系进行了拟合分析。试验结果表明，对于800 nm直径的微纳光纤，油中溶解乙炔检测下限值低于17.9 μL/L。.本项目探索了基于光谱吸收的光纤传感器进行变压器油中微水和溶解乙炔检测方法，可以促进对于包括变压器油中溶解氢气、甲烷、乙烷、乙烯、一氧化碳以及二氧化碳等各种油中溶解故障特征气体检测的推广使用。此外，本项目的研究经验也可为微纳光纤制备工艺、其它充油式电流互感器油中溶解气体检测、应用微纳光纤倏逝场传感器的气相液相传感等研究奠定理论和技术基础。.通过本项目研究，培养硕士3人（在读1人），发表学术论文14篇，其中高水平期刊论文12篇，授权国家发明专利1项；相关成果支撑获2021年度中国电工技术学会科学技术奖一等奖1项。