Инфракрасная волоконно-оптическая система мониторинга растворенных газов и влаги в трансформаторном масле
INFRARED FIBRE-OPTIC SYSTEM FOR MONITORING DISSOLVED GASES AND MOISTURE IN TRANSFORMER OIL

Изобретение относится к измерительной технике на основе волоконно-оптических каналов и предназначено для применения в статичных электромагнитных устройствах, таких как силовые трансформаторы тока, для осуществления непрерывного контроля содержания влаги и растворенных газов в изоляционном масле.
Известна диагностика качества изоляционного масла с помощью лабораторного аналитического оборудования и устройств регулярного и/или непрерывного измерения, встраиваемых непосредственно в силовые трансформаторы тока. Среди способов, осуществляющих регулярный и непрерывный контроль качества трансформаторного масла, различаются электрические и оптические. Недостатками способа, основанного на измерении электрических характеристик: изменении проводимости при взаимодействии с газами и емкости пробы масла, являются низкая устойчивость к электромагнитным помехам и косвенное измерение в малом объеме масла (в пробе). Оптические способы основаны на регистрации пиков поглощения детектируемых элементов, а именно трансформаторного масла, воды и газов, в независимости от агрегатного состояния и обеспечивают преимущество по точности и скорости анализа.
2
Инфракрасная (ИК) спектроскопия представляет собой оптический способ контроля состояния трансформаторного масла, который является неразрушающим, быстрым, обеспечивающим требуемую точность измерений. Одновременное детектирование газов, таких как CO, CO и растворенной и эмульсионной влаги с помощью инфракрасной спектроскопии возможно благодаря выделению характеристических пиков поглощения химических связей контролируемых веществ на определенных длинах волн. Дополнение датчиков, работающих по принципу ИК спектроскопии, волоконно-оптическими каналами доставки аналитического сигнала позволяет повысить помехозащищенность датчика за счет наличия диэлектрических волокон, устойчивых к электромагнитному воздействию от источников с напряжением до 800 кВ и током до 200 кА, и удаления электрических компонентов из области сильных электромагнитных помех, что позволяет расширить области применения оптического способа и реализовать погружные волоконно-оптические датчики контроля газов и влаги в трансформаторном масле.
Таким образом, мониторинг содержания газов и влаги, отражающих ключевые параметры нормальной работы трансформатора, в трансформаторном масле требует наличия комплексных систем, способных осуществлять одновременный контроль большого количества веществ в условиях сильных электромагнитных помех. Для обеспечения непрерывного одновременного измерения нескольких параметров требуется использовать способ инфракрасной спектроскопии.
Известно устройство измерения влаги в изоляционном масле с использованием инфракрасной спектроскопии (патент РФ №72071, заявка 2007144137/22 от 27.11.2007, МПК G01N 21/81), которое включает два источника инфракрасного излучения, работающих на аналитической и опорной длинах волн, соответствующих полосам поглощения и пропускания воды, кювету для анализа пробы изоляционного масла, фотоприемник инфракрасного излучения, отраженного от кюветы с анализируемой пробой, усилитель фототока фотоприемника, аналого-цифровые преобразователи и систему обработки данных. Сущность полезной модели состоит в применении двух узкополосных источников инфракрасного излучения - светодиодов LED19-PR-1 и LED16-PR-1, работающих на длине волны 1930 нм (аналитической) и 1650 нм (опорной) соответственно, излучение которых отражается от кюветы с анализируемой пробой изоляционного масла и попадает на инфракрасный фотодиод PD24-05 с узкой диаграммой направленности, чувствительный к излучению в диапазоне 1150-2320 нм, выходящий с фотоприемников сигнал обрабатывается цифровыми методами, результат измерения выводится на жидкокристаллический индикатор. Недостатком данного устройства является необходимость в отборе пробы изоляционного масла в кювету, а также использование одной длины волны поглощения воды 1930 нм, используемой в качестве аналитической, что приводит к длительному измерению концентрации влаги и низкой точности.
Известен газоанализатор (патент РФ № 160833 U1, заявка 2015132156/28 от 30.07.2015, МПК G01N 21/35 (2014.01) G01N 21/61 (2006.01)), основанный на оптическом способе инфракрасной спектроскопии, предназначен для анализа газов CH- и CO-групп за счет диффузионного или принудительного введения пробы газа в полость анализатора, в которой через пробу пропускается модулированное инфракрасное излучение. Путем автоматического подбора полосового фильтра для конкретного газа устанавливается пара оптических сигналов: на опорной и измерительной длине волны, по которым рассчитывается высота характеристического пика поглощения газа. Инфракрасный газоанализатор обладает высокой надежностью и сроком службы 2200 тыс. часов, однако требует отбора пробы, что приводит к наличию нагнетательных устройств, а также обеспечивает точность измерений до 1 об.%, что разрешает обнаружение только превышенных показателей по содержанию газа.
Известно устройство измерения влаги и растворенных газов SmartDGA производства LumaSense Technologies (LumaSense Technologies. SmartDGA Brochure-RU - Rev. 02/07/2021 (http://smartdga.ru)), основанное на оптическом способе анализа. Устройство относится к недисперсионным инфракрасным датчикам и содержит корпус, внутри которого расположена аналитическая ячейка, содержащая пробу масла, источник инфракрасного излучения, работающий в широком диапазоне спектра до 8 мкм, заключенный в оболочку, поглощающую электромагнитные и механические волны, устройство для направления излучения в коллимированный луч, проходящий через ячейку к инфракрасным детекторам. Принцип действия изобретения заключается в пропускании коллимированного луча инфракрасного излучения через аналитическую ячейку, заполненную пробой паров масла, к приемникам излучения для регистрации пиков поглощения присутствующих в масле газов и влаги. Погрешность измерений данного устройства составляет ± 2 об. % для влаги и ± 5 об. % для газов, отбор пробы осуществляется один раз в 24 часа, защищенность корпуса до 4 кВА. Недостатки датчика заключаются в высокой погрешности измерения, низкой помехозащищенность, ограничивающая применение датчика трансформаторами малой мощности, необходимость в отборе пробы, а также низкая частота ее отбора.
Прототипом предлагаемого датчика является анализатор непрерывного контроля газов и влаги в трансформаторном масле (Патент Европейского союза ((Europian Patent Register) EP 1950560 A1 от 23.01.2007 МПК G01N 33/2841 G01N2001/2267), объединяющий электрические и оптические способы анализа пробы масла. Устройство содержит кюветное отделение с набором сенсоров (датчиков), предназначенных для определения содержания водорода, газов CH- и CO-групп, влаги. В зависимости от типа газа и датчика применяются электрические и оптические способы: для газов CH-, CO-групп используется ИК спектроскопия, для водорода - металл-оксидный датчик, для определения количества влаги - тонкопленочный емкостный датчик. Точность измерения: для воды 0,20-0,50 об. %, для прочих веществ 0,12-0,60 об. %. Ключевые недостатки датчика заключаются в необходимости отбора пробы и в длительном времени анализа 20-40 минут.
Существуют проблемы анализа количества влаги и газов в трансформаторном масле, связанные с необходимостью отбора пробы масла, высокой длительностью анализа, низкой частотой измерения и высокими требованиями к помехозащищенности систем непрерывного контроля. Отбор пробы масла требует наличия дополнительного оборудования для автоматического отбора, что снижает надежность средства измерения и увеличивает длительность анализа. Наравне с последним низкая частота измерения влагосодержания способствует увеличению риска аварийности трансформатора. Высокие требования к помехозащищенности устройств контроля ограничивают применение существующих измерительных систем и повышают стоимость оборудования за счет наличия дополнительных элементов защиты.
Указанные проблемы решаются за счет того, что в инфракрасной волоконно-оптической системе мониторинга растворенных газов и влаги в трансформаторном масле, включающей источник инфракрасного излучения широкого диапазона, волоконно-оптический канал доставки оптического сигнала, оптические фильтры и приемники излучения, отличающейся тем, что волоконно-оптический канал выполнен из двух волоконно-оптических сборок передающей и приемной, каждая из которых содержит равное количество оптических волокон двух типов диаметром 100 мкм и длиной 80 см в количестве не более 1750 в каждой сборке, при этом волокна первого типа прозрачны в диапазоне от 0,7 до 2,5 мкм и изготовлены из кварцевого стекла, а волокна второго типа прозрачны в диапазоне от 2,5 мкм до 6,0 мкм и изготовлены из кристаллов галогенидов серебра или халькогенидных стекол, на одном торце которой установлен конус нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО-конус), прозрачный в диапазоне от 1,0 до 6,0 мкм и находящийся в непосредственном контакте с измеряемой средой, а основанием соединенный с торцами передающей и приемной волоконно-оптических сборок, другие торцы которых соединены с источником инфракрасного излучения и узкополосными оптическими фильтрами, сопряженными с фотоприемниками инфракрасного излучения, для чего конец приемной сборки разделён на семь частей с равным количеством оптических волокон в каждой, при этом прозрачность типа волокна соответствует прозрачности оптического фильтра.
На фигуре показана инфракрасная волоконно-оптическая система мониторинга растворенных газов и влаги в трансформаторном масле, где 1 - источник инфракрасного излучения, 2 - передающая волоконно-оптическая сборка, 3 - конус нарушенного полного внутреннего отражения, 4 - приемная волоконно-оптическая сборка, 5 - узкополосные оптические фильтры, 6 - фотодиодные приемники излучения, 7 - блок усилителей сигнала, 8 - аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор.
ИК излучение, источником которого является источник инфракрасного излучения (1), работающий в диапазоне 0,8-6,0 мкм и оптически связанный с передающей волоконно-оптической сборкой (2), проходит по оптическим волокнам двух типов диаметром 100 мкм и длиной 80 см в количестве не более 1750, при этом волокна первого типа прозрачны в диапазоне от 0,7 до 2,5 мкм и изготовлены из кварцевого стекла, а волокна второго типа прозрачны в диапазоне от 2,5 мкм до 6,0 мкм и изготовлены из кристаллов галогенидов серебра или халькогенидных стекол к конусу нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО-конус) (3). ИК излучение многократно отражается от боковой поверхности конуса, частично вытекая в среду и взаимодействуя с ней так, что передаваемое широкополосное излучение поглощается молекулами измеряемых веществ. Из НПВО-конуса частично-поглощенное излучение поступает в принимающую волоконно-оптическую сборку (4), включающую оптические волокна, аналогично, двух типов диаметром 100 мкм и длиной 80 см в количестве не более 1750, при этом волокна первого типа прозрачны в диапазоне от 0,7 до 2,5 мкм и изготовлены из кварцевого стекла, а волокна второго типа прозрачны в диапазоне от 2,5 мкм до 6,0 мкм и изготовлены из кристаллов галогенидов серебра или халькогенидных стекол. ИК излучение передается по принимающей волоконно-оптической сборке, конец которой разделяется на 7 частей для подвода излучения к узкополосным оптическим фильтрам (5), выделяющим длину волны, характерную для полосы поглощения каждого контролируемого вещества и опорную - 1,45, 1,60, 1,73, 1,95, 2,94, 4,30, 4,70 мкм, с шириной полупика Δλ (0,5-25 nm) к блоку приемников излучения, состоящему из 7 фотодиодов (6) для ближнего и среднего ИК излучения, соответственно. Электрический сигнал с фотоприемников через усилители сигнала (7) и аналоговые входы электронного блока, поступает в аналого-цифровой преобразователь, после чего данные обрабатываются процессором (8).
2
Технический результат изобретения достигается благодаря реализации способа инфракрасной спектроскопии с помощью диэлектрических волоконно-оптических каналов доставки излучения, что позволяет проводить непрерывный одновременный контроль концентрации CO и CO газов и влаги с точностью до 0,1 об. % без отбора пробы в условиях сильных электромагнитных помех. Непрерывная работа системы мониторинга растворенных газов и влаги в трансформаторном масле осуществляется за счет непрерывной работы источника излучения и высокой частоты обработки полученных приемниками излучения спектральных данных процессора. Одновременное измерение концентрации газов CO-групп и влаги достигается за счет наличия их полос поглощения в ближнем и среднем ИК диапазонах, которые охватываются широкополосным излучением источника, выделяются узкополосными оптическими фильтрами и детектируются приемниками. Высокая точность до 0,1 об. % достигается за счет малого уровня шума приемников излучения, набора данных с каналов и их статистической обработки процессором. Наличие волоконных каналов доставки, изготовленных из диэлектрических материалов - кварца, халькогенидных стекол или галогенидов серебра, обеспечивает устойчивость передаваемого по каналам излучения к воздействию электромагнитного излучения, таким образом отсутствуют искажения сигнала и гарантируется помехозащищенность системы. Отсутствие пробоотбора связано с наличием чувствительного элемента - НПВО-конуса, который контактирует со средой и передает излучение из первичной сборки во вторичную с пиками поглощения исследуемых веществ.