一种全光纤电力变压器局部放电检测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种全光纤电力变压器局部放电检测系统。该系统包括控制器、传输装置和检测装置，检测装置包括四组光纤布拉格光栅F-P超声传感器，在两两光纤布拉格光栅之间分别设有光纤延迟器；四组光纤布拉格光栅F-P超声传感器和荧光探头串联在光纤上；传输装置通过贯通件与检测装置连接；控制器与传输装置连接。在计算处理端，通过四组传感器接收到声波的时间差，并将时分复用的时间误差考虑进去，计算确定局部放电的位置；通过荧光探头受激发射光信号的强度，计算局部放电的视在放电量；通过超声传感器与荧光探头信号的对比，判断系统是否由于外界环境干扰造成的误判断，避免系统误报，具有结构简单、便于组网、抗电磁干扰等优点。
【专利说明】—种全光纤电力变压器局部放电检测系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种电力变压器局部放电在线监测技术，具体讲涉及一种全光纤电力变压器局部放电检测系统。
【背景技术】
[0002]大型高压输变电设备尤其是变压器，是保证供电可靠性的基础，也是电力安全生产的根本保障。随着输电、变电能力的不断提高，电压等级也在不断提高，变压器的可靠运行及故障诊断越发显得重要。局部放电是引起电力变压器绝缘老化并导致击穿的主要原因。局部放电的检测都是以局部放电所产生的各种现象为依据，通过能表述该现象的物理量来表征局部放电的状态。通常在绝缘内部发生局部放电时，会出现许多现象:电脉冲、超声波、电磁波、光、热以及伴随生成的一些新的生成物或气体压力和化学变化现象。根据上述的物理表象特征，目前常用的局部放电检测手段有以下几种:脉冲电流法、超声波法(AE，或称声发射法)、光测法、气相色谱检测法、超高频法(UHF)等多种方法。对于现有的脉冲电流法主要问题是抗干扰能力差、测量频率低、频带窄及包含的信息量少等问题；对于超声波法，目前的压电陶瓷超声传感器也存在严重的电磁干扰问题，尽管出现了光纤超声传感器，但是声波在传播途径中衰减、畸变严重，导致超声波基本不能反映放电量的大小；光测法主要问题是无法实现局部放电的定位；气相色谱法检测实时性差，较实际的局部放电要滞后数小时；超高频法用于电力变压器局部放电检测，需设计专用的超高频传感器(传感器一般需要预埋或伸进变压器油中)，实际应用不方便。
[0003]光纤具有抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全的优点，利用光纤对于声波的敏感响应及对光的低损耗传输的特性，相应的可以制作基于超声波法和光测法的局部放电检测传感器。基于光纤的该类传感器具有传统电类传感器无法比拟的抗电磁干扰特性，以及可以实现内置安装的方式，从而有效的提高检测灵敏度及可靠性。
[0004]现有的申请号为201010235704.9、实用新型名称为“用荧光光纤检测电力变压器局部放电的系统及方法”利用局部放电产生的光信号进行局部放电的检测，该方法存在灵敏度低、无法定位放电源等问题；中国专利201020302185.9、实用新型名称为“变压器局部放电光纤检测装置”利用声发射技术对变压器局部放电进行检测，该方法存在灵敏度低、易受外界超声信号干扰、无法测量视在放电量等问题；中国专利201110266331.6、实用新型名称为“基于光纤布拉格光栅的电力变压器局部放电检测系统及检测方法”利用光纤布拉格光栅检测变压器局部放电的情况，该方法由于使用光纤布拉格光栅作为传感单元，故其存在受环境振动影响大的问题，在实际环境中很难实现应用。
[0005]此外，放电信号和干扰的概率分布一般不是完全明确的，实际环境中存在许多干扰因素都会对局部放电检测造成干扰，导致误报发生。如在雷雨天气的雷击会产生超声波，导致超声传感器的误报。这些不确定因素都降低了局部放电监测系统的可靠性。
[0006]实用新型内容
[0007]针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种全光纤电力变压器局部放电检测系统，具有结构小、体积简单、便于组网、抗电磁干扰等特性，并可伸入变压器内部安装，光纤布拉格光栅F-P超声传感器与突光探头的结合可以同时实现局部放电的测量及定位，并可避免外界干扰造成的误报等优点。本实用新型可广泛应用于各等级的电力变压器的局部放电监测及放电源的定位。
[0008]本实用新型的目的是采用下述技术方案实现的:
[0009]本实用新型提供一种全光纤电力变压器局部放电检测系统，所述系统包括传输装置和检测装置，其改进之处在于，所述检测装置包括四组光纤布拉格光栅F-P超声传感器，在两两光纤布拉格光栅之间分别设有光纤延迟器；四组光纤布拉格光栅F-P超声传感器和荧光探头串联在光纤上；
[0010]所述传输装置通过贯通件与检测装置连接。
[0011]进一步地，所述传输装置安装在变压器外部光纤上，变压器外部光纤和变压器内部光纤通过贯通件连接；
[0012]所述传输装置包括LD泵浦源、第一光纤稱合器、第二光纤稱合器、第一光电探测器和第二光电探测器；
[0013]所述LD泵浦源与第一光纤耦合器的A端连接，其B端与贯通件连接；所述第一光纤耦合器的C端与第二光纤耦合器的D端连接，第二光纤耦合器的E端与第一光电探测器连接；第二光纤耦合器的F端与第二光电探测器连接。
[0014]进一步地，所述贯通件采用电力变压器油箱贯通器实现。
[0015]进一步地，所述四组光纤布拉格光栅F-P超声传感器和荧光探头串联在光纤上并安装在变压器内部；
[0016]所述四组光纤布拉格光栅F-P超声传感器分别为第一光纤布拉格光栅F-P超声传感器、第二光纤布拉格光栅F-P超声传感器、第三光纤布拉格光栅F-P超声传感器和第四光纤布拉格光栅F-P超声传感器；
[0017]在所述第一光纤布拉格光栅F-P超声传感器与第二光纤布拉格光栅F-P超声传感器之间设有第一光纤延迟器；
[0018]在第二光纤布拉格光栅F-P超声传感器与第三光纤布拉格光栅F-P超声传感器之间设有第二光纤延迟器；
[0019]在第三光纤布拉格光栅F-P超声传感器与第四光纤布拉格光栅F-P超声传感器之间设有第三光纤延迟器。
[0020]进一步地,每组光纤布拉格光栅F-P超声传感器由两个光纤布拉格光栅构成,所述两个光纤布拉格光栅反射率和透射率均为8%，腔长为7cm，中心波长为1550nm。
[0021]进一步地，所述荧光探头设置在变压器内部光纤的末端；所述荧光探头的荧光材料为氟磷酸镁，其激发波段为250-500nm，发射波段为600-700nm。
[0022]进一步地，所述LD泵浦源为中心波长1550nm的红外半导体短脉冲激光器。
[0023]进一步地,所述第一光纤稱合器和第二光纤稱合器的分光比均为50:50。
[0024]进一步地，所述第一光电探测器为近红外固态光电倍增管，光谱范围1000nm-1700nm ;所述第二光电探测器为娃质雪崩二极管,光谱范围400nm-1100nm ；
[0025]局部放电的视在放电量与第二光电探测器(接收光纤光栅F-P超声传感信号的探测器的功能主要是用于定位，接收荧光探头信号的探测器用于计算局部放电的视在放电量。两个探测器互不影响，但是可以通过二者是否同时有信号输出，判断系统是否误报)的输出光强成正比。
[0026]进一步地，选择近红外固态光电倍增管的第一光电探测器作为四组光纤布拉格光栅F-P超声传感器光信号的探测单元，选择硅质雪崩二极管的第二光电探测器作为荧光探头光信号的探测单元。
[0027]与现有技术比，本实用新型达到的有益效果是:
[0028]1、本实用新型设计的全光纤传感系统具有结构小、体积简单、便于组网、抗电磁干扰等特性，并可伸入变压器内部安装，有效避免由于变压器内部结构的复杂性，造成超声信号的衰减，从而可以更加准确有效的监测局部放电情况。
[0029]2、本实用新型解决了超声波法只能定位无法实现视在放电量的监测以及光测法无法实现局部放电的定位的弊病，将光纤布拉格光栅F-P超声传感器与突光探头的有效结合可以同时实现局部放电的测量及定位，并可避免外界干扰造成的误报等优点。本实用新型可广泛应用于各等级的电力变压器的局部放电监测及放电源的定位。
[0030]3、本实用新型基于超声波法与光测法结合的原理，通过时分复用技术以及光纤布拉格光栅F-P超声波传感器的反射光波波段与荧光探头的激发光波波段的差异性，将四组光纤布拉格光栅F-P超声波传感器与突光探头串接在一根光纤上,通过两个不同工作波段的光电探测器分别对超声波传感器光信号及荧光探头的激发光信号进行探测，利用四组光纤布拉格光栅F-P超声波传感器接收信号的时间差，计算局部放电位置；利用荧光探头的激发光信号强度，计算局部放电的视在放电量，通过二者的有机结合，在实现测量及定位的同时，将光纤布拉格光栅F-P超声传感器与荧光探头接收的信号二者相互作为参考信号，作为系统是否正常工作的依据，有效避免外界干扰造成系统的误报误判情况。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1是本实用新型提供的光纤布拉格光栅F-P超声传感器结构图；
[0032]图2是本实用新型提供的光纤布拉格光栅F-P超声传感器的反射光谱图；
[0033]图3是本实用新型提供的超声法定位局部放电源的示意图；
[0034]图4是本实用新型提供的局部放电光谱图；
[0035]图5是本实用新型提供的氟磷酸镁材料的荧光探头激发与发射光谱图；
[0036]图6是本实用新型提供的全光纤电力变压器局部放电检测系统结构框图；
[0037]其中:1-LD泵浦源，2-第一光纤耦合器，3-电力变压器油箱壁贯通器，4-第一光纤布拉格光栅F-P超声传感器,5-第一光纤延迟器,6-第二光纤布拉格光栅F-P超声传感器，7-第二光纤延迟器，8-第三光纤布拉格光栅F-P超声传感器，9-第三光纤延迟器，10-第四光纤布拉格光栅F-P超声传感器，11-突光探头，12-变压器,13-第二光纤稱合器,14-第一光电探测器，15-第二光电探测器，16-计算机；
[0038]图7是本实用新型提供的数据处理流程图。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0040]本实用新型原理为:超声波法是通过超声传感器接收局部放电产生的超声波，由此来检测局部放电，其频率一般选择在70-150kHz之间。光纤布拉格光栅F-P超声传感器，利用两个相同的布拉格光栅作为“反射镜”，构成一个基于光纤布拉格光栅的法布里-拍罗(F-P)腔，这种双光栅的结构可有效解决光栅交叉敏感等问题。超声信号产生的纵波将会调制F-P的腔长，通过解调光纤布拉格光栅F-P腔反射光的条纹移动(光强)，即可实现超声波的测量，如图1和图2所不。其反射光的波段决定于光源,一般选择1550nm左右的红外波段作为光源，因此光电探测器的工作波段也选择在红外波段。
[0041]在2D空间中，已知平面上两点A、B，若通过声波传播的时间差，确定了空间某点C到A、B的距离，通过三角形余弦定理即可确定点C在2D平面的位置；在3D空间中确定放电源S的位置,若已知空间中两点AU1, Y1, Z1)、B(x2, y2, z2)的空间位置,通过声波传播的时间差，确定了放电源S分别到A、B的距离，则仍不可确定放电源S的位置，但放电源S将被确定在以A、B为圆心的球面所相交的圆O上，如图3所示；若又已知空间点C(x3，y3, z3)，且通过声波传播的时间差计算确定了 CD的距离，则S点的位置将被确定在圆O与以C为圆心的球面的两个交点处，因此仍然需要第4个空间点D (x4, y4, z4)来确定S的位置，并且第4个空间点A、B、C、D不能共面。故根据以上分析，通过超声波法确定局部放电源的位置，至少需要4个光纤布拉格光栅F-P传感器。利用以下公式可求得空间放电源的位置:
【权利要求】
1.一种全光纤电力变压器局部放电检测系统，所述系统包括传输装置和检测装置，其特征在于，所述检测装置包括四组光纤布拉格光栅F-P超声传感器，在两两光纤布拉格光栅之间分别设有光纤延迟器；四组光纤布拉格光栅F-P超声传感器和突光探头串联在光纤上； 所述传输装置通过贯通件与检测装置连接。
2.如权利要求1所述的全光纤电力变压器局部放电检测系统，其特征在于，所述传输装置安装在变压器外部光纤上，变压器外部光纤和变压器内部光纤通过贯通件连接； 所述传输装置包括LD泵浦源、第一光纤稱合器、第二光纤稱合器、第一光电探测器和第二光电探测器； 所述LD泵浦源与第一光纤耦合器的A端连接，其B端与贯通件连接；所述第一光纤耦合器的C端与第二光纤耦合器的D端连接，第二光纤耦合器的E端与第一光电探测器连接；第二光纤耦合器的F端与第二光电探测器连接。
3.如权利要求1所述的全光纤电力变压器局部放电检测系统，其特征在于，所述贯通件采用电力变压器油箱贯通器实现。
4.如权利要求1所述的全光纤电力变压器局部放电检测系统，其特征在于，所述四组光纤布拉格光栅F-P超声传感器和荧光探头串联在光纤上并安装在变压器内部； 所述四组光纤布拉格光栅F-P超声传感器分别为第一光纤布拉格光栅F-P超声传感器、第二光纤布拉格光栅F-P超声传感器、第三光纤布拉格光栅F-P超声传感器和第四光纤布拉格光栅F-P超声传感器； 在所述第一光纤布拉格光栅F-P超声传感器与第二光纤布拉格光栅F-P超声传感器之间设有第一光纤延迟器； 在第二光纤布拉格光栅F-P超声传感器与第三光纤布拉格光栅F-P超声传感器之间设有第二光纤延迟器； 在第三光纤布拉格光栅F-P超声传感器与第四光纤布拉格光栅F-P超声传感器之间设有第三光纤延迟器。
5.如权利要求4所述的全光纤电力变压器局部放电检测系统，其特征在于，每组光纤布拉格光栅F-P超声传感器由两个光纤布拉格光栅构成,所述两个光纤布拉格光栅反射率和透射率均为8%，腔长为7cm，中心波长为1550nm。
6.如权利要求1所述的全光纤电力变压器局部放电检测系统，其特征在于，所述荧光探头设置在变压器内部光纤的末端；所述荧光探头的荧光材料为氟磷酸镁，其激发波段为250-500nm,发射波段为 600_700nm。
7.如权利要求2所述的全光纤电力变压器局部放电检测系统，其特征在于，所述LD泵浦源为中心波长1550nm的红外半导体短脉冲激光器。
8.如权利要求2所述的全光纤电力变压器局部放电检测系统，其特征在于，所述第一光纤稱合器和第二光纤稱合器的分光比均为50:50。
9.如权利要求2所述的全光纤电力变压器局部放电检测系统，其特征在于，所述第一光电探测器为近红外固态光电倍增管，光谱范围1000nm-1700nm ;所述第二光电探测器为硅质雪崩二极管，光谱范围400nm-l IOOnm ； 局部放电的视在放电量与第二光电探测器的输出光强成正比。
10.如权利要求9所述的全光纤电力变压器局部放电检测系统，其特征在于，选择近红外固态光电倍增管的第一光电探测器作为四组光纤布拉格光栅F-P超声传感器光信号的探测单元，选择硅质雪崩二极`管的第二光电探测器作为荧光探头光信号的探测单元。
【文档编号】G01R31/12GK203479973SQ201320591718
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】张睿汭, 仝杰, 尹泽霖, 陈希 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院