摘要：近些年来,随着国内电力需求和电网规模的扩大,电力变压器等级和容量不断提升,变压器故障率和修复时间也随之不断增大。长期探讨表明,变压器内部热状态以及绝缘油中气体组分和浓度很大程度地反映了变压器的热电故障程度和利用寿命,探讨和进展变压器内部温度和绝缘油气体状态在线检测技术具有重要的论述和现实作用。变压器内部环境具有电压高、电磁干扰强、空间狭小、腐蚀性强等特点,变压器状态稳定、准确和快速检测及故障精确预测已经成为亟待解决和突破的关键技术难题。光纤半导体传感技术和半导体激光器技术的不断进展为解决该难题提供了可行的途径,但目前变压器内部状态检测中仍有着测量参数单一、抗干扰能力差、灵敏度有限、响应慢、多气体测量交叉影响等不足,尚不能满足变压器内部状态实时准确监测和故障精确预测的需要。针对以上不足,利用光纤半导体传感技术、气体光谱测量技术和变压器故障浅析技术相结合,在探讨半导体温度传感论述、气体直接吸收光谱论述和光声光谱论述基础上,建立了基于CCD衍射波长解调技术的光纤半导体温度和基于超窄线宽激光特性的光纤气体传感模型,通过设计高耦合率、小体积GaAs探头和高灵敏度检测气室,搭建了适用于变压器内部主要部件温度和绝缘油中气体检测的新型传感系统,可实现变压器内部多参数(温度和绝缘油中气体)的高精度、高灵敏度、快速在线测量,有效提升电力变压器状态在线检测和故障预测的技术水平。本论文主要探讨内容如下：(1)以油浸式变压器内部结构出发,探讨变压器内部发热(损耗)、散热原理及温升特性,浅析变压器主要过热故障理由及其温度特性,列出了主要部件的温升限值；详解变压器正常运转和电热性故障时油中气体的产生原理及气体在油中溶解和扩散历程,得出了变压器内主要部件故障类型与油中气体组分和含量的联系,为油浸式电力变压器运转状态在线检测的实现奠定了一定的论述基础。(2)针对以往变压器内部温度在线测量中响应速度慢、抗干扰能力差、匹配性不好等不足,在详细浅析半导体材料光学性质(光学常数和本征吸收)基础上,深入探讨半导体材料温度传感原理,揭示了GaAs晶体吸收光波长随温度变化的联系,建立了GaAs晶体温度-波长传感模型,通过设计新型反射式GaAs传感探头和基于CCD衍射技术的波长解调系统,搭建了新型光纤半导体温度传感系统。新型GaAs探头具有体积小、耦合率高、电绝缘性好、抗腐蚀能力强,匹配性好等特点；基于CCD衍射技术的新型波长解调系统有效克服了半导体温度传感光强解调易受光源抖动和光路扰动影响的缺点。通过不同温度下GaAs反射光谱测量实验,验证了GaAs温度-波长传感特性,温度传感实验表明：0℃～235℃测量精度为±0.5℃,分辨率为0.1℃,响应时间小于6s；长时间实验温度最大波动为±0.3℃；强磁场环境下15℃～175℃测量精度仍为±0.5℃。此系统测量范围广、精确度高、响应时间快、稳定性好、抗电磁干扰能力强,非常适合用于油浸式电力变压器内部热状态在线检测,可实现变压器内主要部件温度的实时在线测量和及时预警。(3)针对变压器油中气体在线检测有着测量参数单一、抗干扰能力差、多气体测量交叉影响等不足,深入浅析气体分子选择吸收论述、气体吸收谱线线型和线宽论述、气体吸收谱线强度分布论述,以气体吸收光谱论述和Beer-Lambert定律为基础建立了开放式差分检测、单光源多气体检测和多参数直接检测传感模型,搭建了适用于变压器油中气体检测的新型传感系统并进行了实验浅析。首先,通过设计低噪声反射式结构长光程气室,利用超窄线宽外腔式半导体激光器特性(输出激光精确锁定气体吸收和非吸收峰且线宽远小于单条气体吸收谱线宽)、改善的差分检测模型以及光学时分、空分复用技术相结合,精确测量并浅析不同压强下1572.66nm附近CO2吸收谱线,实现了CO2气体的多点高精度快速测量,其结构简单,易于实现,可消除变压器油中其它气体成分和灰尘颗粒的干扰,非常适合开放式环境的变压器气体检测,测量精度(相对误差3%)和响应时间(8s)均达到波长调制型系统检测效果；其次,基于光谱调制和谐波探测技术,利用单一高频三角信号调制激光光谱,通过设计具有横向空间小、长光程特点的串联结构气室,结合超窄线宽激光和光源波长高精度调节特性,实现了单光源多组分气体(CO、CO2、CH4)高精度多点测量,CO、CO2、CH4多组分气体浓度测量最大相对误差小于2%,动态响应时间均小于10s,长时间实验最大相对波动均小于1%,可有效解决变压器油中多气体测量交叉影响的不足；最后,基于超窄线宽激光特性和激光器波长扫描技术,通过对不同温度下CO气体在6354.179cm-1和6383.09cm-1附近吸收谱线对的精确测量和浅析,利用谱线对积分面积比与温度联系(直接测温法)并结合浓度差分检测模型实现了CO气体多参数(温度和浓度)同时在线检测,其结构简单,便于操作,温度测量最大相对误差小于4%,长时间实验最大相对波动小于3.5%；浓度测量最大相对误差小于5%,最小检测限为0.05%。甲烷、一氧化碳、二氧化碳等气体是变压器故障气体主要组成部分,其开放式、单光源多组分、直接式多参数高精度多点快速在线检测的实现可有效提升电力变压器油中溶解气体在线浅析和故障预测水平。(4)针对变压器油中微量气体检测有着测量精度有限、多气体测量交叉影响等不足,以光声效应原理和腔内增强吸收光谱论述为基础,利用超窄线宽半导体激光器特性建立了光声光谱式单光源多组分气体高灵敏度谐波检测模型和腔内激光衰荡时间与气体高灵敏度检测模型,搭建了适用于变压器油中微量气体检测的新型传感系统并进行了实验浅析。探讨光声池工作方式和结构特性,浅析光声系统噪声的来源及特点,建立光声池设计优化基础论述,设计了新型结构一阶纵向多光程共振光声池,实现池内光声信号低噪声、高灵敏度检测；剖析谐振腔内激光传输特性及激光频率与谐振腔方式匹配方式,依据激光腔内耦合论述设计了由两块高反射率平凹透镜组成的低损耗调谐式光学衰荡腔,实现了激光频率和腔长的共同调谐。基于光谱调制技术和谐波检测技术,利用高频正弦信号调制激光光谱,并结合超窄线宽激光和光源波长高精度调节特性,设计了光声光谱式单光源多组分微量气体高精度实时在线检测系统,有效消除吸收池内背景噪声和光源抖动的影响,实验验证了系统调制幅度与二次谐波信号形状(峰值大小与半峰全宽比值)的联系,并确定了系统检测最佳调制幅度；C2H2、CO、CO2多组分气体浓度测量最大相对误差小于2%,最大相对波动小于1.5%,极限检测灵敏度可达10-6数量级,可有效解决变压器油中多组分微量气体测量灵敏度有限和交叉影响的不足。通过扫描衰荡腔长使入射激光频率与谐振腔方式相匹配并利用激光失谐技术快速切断腔内入射激光,精确测量衰荡时间值并根据衰荡时间—气体检测模型设计了腔增强吸收光谱式气体高灵敏度和高精度检测系统,利用新型衰荡腔超长光程吸收特点,精确测定并浅析6518.824cm-1附近C2H2弱吸收谱线以及C2H2气体浓度与衰荡时间的联系；C2H2气体浓度测量最大相对误差小于2.5%,动态响应时间均小于10s,极限检测灵敏度为2x10-6,可有效解决变压器油中微量气体检测误差较大的不足。光声光谱式单光源多组分和腔增强吸收式高灵敏度气体检测系统实现了10-6数量级单一或多组分气体高精度快速在线测量,十分适合用于变压器油中微量气体高灵敏度在线检测,及时预报早期内部故障形成和进展情况。关键词：光纤传感论文变压器状态在线检测论文多参数传感系统论文光纤半导体测温论文光谱吸收式气体测量论文高灵敏度气体测量论文
摘要13-17
ABSTRACT17-22
第一章 绪论22-40
1.1 课题作用及出发点22-24
1.2 变压器状态检测技术国内外探讨近况及进展走势24-37
1.2.1 变压器内部温度检测技术24-28
1.2.2 变压器油中溶解气体检测技术28-37
1.3 本论文主要探讨内容37-40
第二章 电力变压器故障的温度特性及产气特点40-58
2.1 引言40-41
2.2 电力变压器故障的温度特性41-48
2.2.1 变压器结构浅析41-42
2.2.2 变压器内部损耗与散热浅析42-47
2.2.3 变压器主要过热故障及温度特性47-48
2.3 电力变压器故障及特点气体48-56
2.3.1 变压器油中气体产生原理48-50
2.3.2 变压器油中气体的溶解50-52
2.3.3 变压器故障与油中气体联系52-56
2.4 本章小结56-58
第三章 电力变压器内部温度在线检测新技术探讨58-88
3.1 引言58-59
3.2 光纤半导体温度传感原理及特性浅析59-67
3.2.1 半导体材料的光学性质59-64
3.2.2 半导体温度传感模型64-67
3.3 光纤半导体温度传感系统设计及关键技术浅析67-82
3.3.1 传感系统总体结构67
3.3.2 系统光源及特性浅析67-68
3.3.3 新型GaAs传感探头设计及特性浅析68-70
3.3.4 光纤与GaAs薄片耦合浅析70-71
3.3.5 多模光纤特性浅析71-75
3.3.6 激光解调技术及系统设计75-82
3.4 光纤半导体温度传感系统实验浅析82-87
3.4.1 吸收光谱检测(验证)实验82-83
3.4.2 温度检测精确度试验83-84
3.4.3 温度检测稳定性实验84-85
3.4.4 温度检测响应特性实验85-86
3.4.5 干扰环境下温度测量实验86-87
3.5 本章小结87-88
第四章 光谱吸收式电力变压器油中气体检测新技术探讨88-132
4.1 引言88-89
4.2 气体分子吸收光谱论述浅析89-96
4.2.1 气体分子选择吸收论述89-90
4.2.2 吸收谱线线型和线宽90-94
4.2.3 吸收谱线强度分布94-95
4.2.4 分子吸收光谱数据库(HITRAN)及吸收谱线95-96
4.3 光谱吸收式气体传感模型96-106
4.3.1 Beer-Lambert定律96-97
4.3.2 开放式气体差分检测模型97-99
4.3.3 单一光源多组分气体检测模型99-103
4.3.4 气体多参数检测模型103-106
4.4 检测系统设计及关键技术浅析106-117
4.4.1 系统光源及浅析106-111
4.4.2 新型结构气室设计111-114
4.4.3 光电探测器及浅析114-116
4.4.4 标准配气设备116-117
4.5 气体检测系统实验探讨及浅析117-130
4.5.1 气体差分检测系统118-122
4.5.2 单光源多组分气体检测系统122-126
4.5.3 多参数(浓度、温度)气体检测系统126-130
4.6 本章小结130-132
第五章 电力变压器油中微量气体高灵敏度检测探讨132-162
5.1 引言132
5.2 微量气体光声光谱检测论述132-140
5.2.1 光的吸收133-135
5.2.2 声波的激发135-136
5.2.3 光声信号谐波检测模型136-138
5.2.4 系统噪声及光声池优化设计浅析138-140
5.3 腔内增强吸收式微量气体检测论述140-145
5.3.1 腔内激光传输特性浅析140-142
5.3.2 衰荡时间与浓度检测模型142-143
5.3.3 腔内气体浓度测量灵敏度143-144
5.3.4 方式匹配方式144-145
5.4 光声光谱式高灵敏度多组分气体检测系统设计及浅析145-150
5.4.1 光源的选择及特性浅析146
5.4.2 新型光声池的设计146-148
5.4.3 光声信号探测系统浅析及选用148-150
5.5 腔增强式高灵敏度气体检测系统设计及浅析150-155
5.5.1 信号可调节电路设计及光源特性浅析151-152
5.5.2 新型调谐式谐振腔吸收池设计及浅析152-154
5.5.3 高性能采集电路(采集卡)选用及浅析154-155
5.6 微量气体高灵敏度检测实验探讨及浅析155-160
5.6.1 光声光谱系统调制幅度测量实验155
5.6.2 光声光谱式多组分气体高灵敏度测量实验155-156
5.6.3 腔增强吸收式乙炔气体吸收谱线实验156-157
5.6.4 腔增强吸收式衰荡时间测量实验157-158
5.6.5 腔增强吸收式气体高灵敏度检测实验158-160
5.7 本章小结160-162
第六章 全文总结和探讨展望162-168
6.1 全文工作和总结162-164
6.2 本论文主要革新点164-166
6.3 本论文探讨展望166-168
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