一种基于空心光子晶体光纤的变压器油气分离装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于变压器油中溶解气体油中混合气体分离和检测技术范围，特别涉及一种基于空心光子晶体光纤的变压器油气分离装置。
【背景技术】
[0002]对变压器油中气体的检测分析是对变压器运行状态进行判断的重要监测手段，变压器在运行中由于种种原因产生的内部故障，如局部过热、放电、绝缘纸老化等都会导致绝缘劣化并产生一定量的气体溶解于油中，不同的故障引起油分解所产生的气体组分也不尽相同，从而可通过分析油中气体组分的种类和含量来判断变压器的内部故障或潜伏性故障。对变压器油中溶解气体采用在线监测方法，能准确地反映变压器的主要状况，使管理人员能随时掌握各站主变的运行状态，以便及时作出决策，预防事故的发生。变压器油中溶解气体在线监测的关键技术包括油气分离技术、混合气体检测技术。
[0003]目前，国内外都没有直接检测变压器油中溶解气体含量的技术，无论是离线还是在线检测，必须将由故障产生的气体从变压器油中脱出，再进行测量，从变压器油中脱出故障特征气体是快速检测、准确计量的关键和必要前提。
[0004]离线检测的脱气方法主要是使用溶解平衡法(机械振荡法)和真空法(变径活塞泵全脱法)。这两种方法存在结构复杂、操作手续繁多、动态气密性保持差等问题，难以实现在线化。在线油气分离的方法目前主要有薄膜/毛细管透气法、真空脱气法、动态顶空脱气法及血液透析装置等方法。
[0005]1.薄膜/毛细管透气法，某些聚合薄膜具有仅让气体透过而不让液体通过的性质，适宜于在连续监测的情况下，从变压器绝缘油中脱出溶解气体。在气室的进口处，安装了高分子膜，膜的一侧是变压器油，另一侧是气室。油中溶解的气体能透过膜自动地渗透到另一侧的气室中。同时，已渗透过去的自由气体也会透过薄膜重新溶解于油中。在一定的温度下，经过一定时间后(通常需要经过几十小时)可达到动态平衡。达到平衡时，气室中给定的某种气体的含量保持不变并与溶解在油中的这种气体的含量成正比。通过计算即可得出溶解于油中的某种气体含量。这种方法的缺点是脱气速度缓慢，不适宜应用在便携式装置中进行快速的现场测量。另外，油中含有的杂质及污垢不可避免地会使薄膜逐渐堵塞，因而需要经常更换薄膜。目前国内外普遍选用聚四氟乙烯膜作为油中溶解气体在线监测的透气膜，常规聚四氟乙烯膜渗透6种气体(H2、⑶、CH4、C2H2、C2H4X2H6)需要100h。日立公司采用PFA膜，又称四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物，PFA膜对6种气体渗透性能较好，渗透6种气体组分所需时间为80h。上海交大采用带微孔的聚四氟乙烯膜，最优厚度为0.18mm，最优孔径为8?10 μ m，透气性能优于PFA膜，渗透6种气体组分所需时间为24h。加拿大Morgan Schaffer公司使用聚四氟乙稀尼龙管束，渗透6种气体组分所需时间为4h。Hydren公司采用聚四氟乙稀及氟化乙丙稀。
[0006]2.真空脱气法，真空脱气法包括波纹管法和真空泵脱气法。
[0007]波纹管法是利用电动机带动波纹管反复压缩，多次抽真空，将油中溶解气体抽出。日本三菱株式会社就是利用波纹管法开发了一种变压器油中溶解气体在线监测装置。
[0008]真空泵脱气法是利用常规色谱分析中应用的真空脱气原理进行脱气。河南中分仪器推出的色谱在线监测仪采用吹扫-捕集的方式脱出气体，脱气率大于97%。
[0009]3.动态顶空脱气法，该方法在脱气的过程中，采样瓶内的搅拌子不停地旋转，搅动油样脱气；析出的气体经过检测装置后返回采样瓶的油样中。在这个过程中，间隔测量气样的浓度，当前后测量的值一致时，认为脱气完毕。该方法脱气效率介于薄膜透气及真空脱气之间，重复性较好，有相当高的测量一致性。因此，逐渐被承认并广泛采用。
[0010]4.现有技术的缺点，当前主要采用的油气分离方法主要是高分子半透膜、真空脱气和顶空脱气的三种方法，这几种方法均有自己的缺点，具体表现在:
[0011]①对于已有的高分子半透膜，无论是监测单组分气体还是全组分气体的在线监测系统都需要利用半透膜将油中故障气体分离出来，并且至少需要1-2天的时间才能使得气室内的气体与油中气体达到平衡，时间非常长，还是不能实现完全意义上的在线监测。
[0012]②真空脱气法和顶空脱气法均需要利用机械泵对油样进行机械处理，需要将油样引出到变压器腔体外，虽然能够较快地实现油气分离，但是机械结构复杂，需要额外的油气分离操作，长期可靠性不高，不利于变压器的在线监测。
【发明内容】
[0013]本发明的目的是提出一种基于空心光子晶体光纤的变压器油中油气分离装置，其特征在于，该装置采用空心光子晶体光纤做为气室，大幅缩小气室体积，使传感器能够内植于变压器中；其中，空心光子晶体光纤的表面沿轴向钻一排孔；并且由单根空心光子晶体光纤构成故障气体的气室，用作完成气体光谱吸收过程的场所；由与空心光子晶体光纤直径相同或者接近的单模或者多模的普通实心光纤连接于空心光子晶体光纤的两端，构成低损地约束光路传输路径；在空心光子晶体光纤和实心光纤的一个连接端采用直接熔接进行连接；另一个连接端利用无机陶瓷管套在普通实心光纤和空心光子晶体光纤连接处外面进行机械对准；实现了空心光子晶体表面钻孔技术和连接处无机薄膜渗透分离技术，提高油气分离的效率，减少油气分离所需的时间。
[0014]所述直接熔接是利用熔接机将单模光纤和空心光子晶体光纤进行熔接，熔接损耗不高于3dB。
[0015]所述机械对准是利用无机陶瓷管对普通实心光纤和空心光子晶体光纤连接处进行对准，保证传输损耗不高于5dB。
[0016]所述空心光子晶体光纤的表面进行钻孔是采用飞秒激光器或者准分子激光器进行的。
[0017]所述空心光子晶体光纤的表面沿轴向钻一排孔是沿着空心光子晶体光纤上同一条直线的方向进行钻孔，同一根空心光子晶体光纤的孔等间距排布于空心光子晶体光纤表面，相邻两个孔距之间不低于0.5cm，每个孔的直径不高于200nm ;其中，孔的深度需达到不含涂覆层厚度为63 ± I μ m，既要形成连贯的进气通道，又不能打穿空心光子晶体光纤，进而不影响光纤的韧度和光路的传输。
[0018]所述空心光子晶体光纤的中间空心区域中光强不低于90%。
[0019]所述的无机陶瓷连接处采用玻璃焊料与光纤进行无胶化封装:所用的陶瓷管连接端能够承压0.1?IMPa且不发生漏气漏油。
[0020]本发明有意效果是提出一种基于空心光子晶体光纤的变压器油中油气分离装置，克服现有油气分离手段中存在的平衡时间长、分离结构复杂、不便于内置等缺陷，满足了电力变压器内部油中溶解气体在线实时监测的特殊要求。具体而言，本发明中，空心光子晶体光纤本身作为气室，可大幅缩小气室体积，使传感器可以内植于变压器中，与变压器油充分接触，油气分离过程得以简化，可降低气体响应时间，光程较长，能够有效提高测量的精度。另外，所用无机陶瓷管用于光路的机械支撑，陶瓷薄膜也有利于实现在线的实时监测Γ薄膜透气，确保光路的可靠传输、检测和促进气体平衡、渗透效果。相比于有机高分子膜，无机膜具有耐高温、耐微生物、化学稳定性好、机械强度高、易清洗再生和孔径分布集中等优点；由于采用的是光学气体监测，可连续多次对气体进行测量，不需要载气和标气，不消耗油中溶解气体；因此本发明具有实时性好、可靠性高、免标定、免载气、测量精度高等优点。
【附图说明】
[0021]图1为基于空心光子晶体光纤的变压器油中油气分离装置结构示意图。
[0022]图2为空心光子晶体光纤钻孔布置示意图。
[0023]图3为无机陶瓷管连接结构示意图。
[0024]图4为连接处放大示意图。
【具体实施方式】
[0025]本发明提出基于空心光子晶体光纤的变压器油中油气分离装置:该装置采用空心光子晶体光纤做为气室，大幅缩小气室体积，使传感器能够内植于变压器中；
[0026]下面从装置的整体设计和关键环节进行详细说明:
[0027](I)油气分离装置的设计
[0028]本发明所提出的基于空心光子晶体光纤和无机陶瓷