一种组合石墨烯膜片与微光纤干涉腔的局部放电传感器及基于此的检测方法与流程

本发明属于电气设备在线监测技术领域，尤其涉及一种组合石墨烯膜片与微光纤干涉腔的局部放电传感器以及局部放电检测方法。

背景技术：

局部放电是绝缘介质中局部区域击穿导致的放电现象，局部放电检测是一种有效的电气设备绝缘状态评估方法。当介质中发生局部放电时，会产生电脉冲、电磁波、超声波、光、局部过热及一些新化学产物。通过检测局部放电产生的超声波信号，可以确定局部放电的存在并定位放电点。与传统的压电式传感器相比，基于光纤传感的局部放电传感器具有响应频带宽、体积小、抗电磁干扰等优点。

基于光纤法珀干涉的局部放电传感器是目前最常用且最有效的光纤局部放电传感器。光纤法珀式局部放电传感器由光纤端面、膜片和干涉腔构成，超声波信号通过引起感应膜片的振动，导致干涉相位和干涉强度发生变化，通过检测反射光光强及相位的变化实现局部放电的检测。但目前在实际工程应用中普遍存在检测灵敏度较低，易受温度影响的缺点。

为了获得高灵敏度，希望在局部放电超声波信号作用下能够获得更大的膜片中心形变。因此，具有高机械强度，良好柔韧性和稳定性的超薄膜片是开发高性能光纤法珀式局部放电传感器的关键。目前，已有很多材料被用于制作法珀传感器的膜片，包括硅膜片、石英膜片、二氧化硅膜片、聚合物膜片和金属膜片。然而，上述膜片的厚度通常在μm量级，局部放电检测灵敏度较低，最小检测限大多在100pc,难以满足工程应用的要求。在超声波检测领域，研究人员陆续将重点投入到基于新型材料,主要是二维材料的膜片研制中，选用的材料如石墨烯、纳米银、mos2等，由于这些材料可以实现纳米级加工，使得超声波检测的灵敏度较传统的硅或石英膜片提升了2-3个数量级。石墨烯是目前自然界中已知最薄的膜材料，其断裂强度为42n/m，约是石英或硅膜片的25倍。香港理工大学制备的基于石墨烯膜片的光纤法珀干涉腔声传感器，膜片厚度为100nm，将灵敏度提高到了1100nm/kpa，但该传感器检测频率较低，不适合局部放电的检测。

传统光纤法珀干涉式传感器由于支撑结构、封装材料等热膨胀系数不同，干涉腔长将随温度变化产生变化，导致工作点漂移，影响传感器的检测精度。基于飞秒激光加工的微光纤法珀干涉腔，其空气腔位于光纤内部，作为一种近似全光纤结构，不存在热膨胀系数不匹配的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种组合石墨烯膜片与微光纤干涉腔的局部放电传感器及基于此的检测方法，旨在解决目前光纤法珀式局部放电传感器普遍存在的检测灵敏度较低和易受温度影响的缺点。

本发明采用以下技术方案以实现上述发明目的：

一种组合石墨烯膜片与微光纤干涉腔的局部放电传感器，包括：可调谐激光器(1)、激光器波长控制模块(2)、光纤环形器(3)、单模光纤(4)、微光纤干涉腔(5)、光电探测器(6)、信号线(7)、滤波器(8)、数据采集卡(9)；所述可调谐激光器(1)发出的激光经所述光纤环形器(3)后由所述单模光纤(4)传入所述微光纤干涉腔(5)，在所述微光纤干涉腔(5)中形成干涉，反射光沿所述单模光纤(4)返回，经所述光纤环形器(3)后输入所述光电探测器(6)，将光强信号变换为电信号，经所述信号线(7)分别传给所述激光器波长控制模块(2)和所述滤波器(8)；其中传给所述滤波器(8)的一路信号，经高通滤波后传给数据采集卡(9)，记录检测到的局部放电超声波信号波形。

进一步优选地，所述微光纤干涉腔(5)包括：聚酰亚胺涂层(10)、多层石墨烯膜片(11)、光纤端面(12)；其中所述聚酰亚胺涂层(10)厚度为1000nm，对所述多层石墨烯膜片(11)起保护作用；所述多层石墨烯膜片(11)厚度为100nm，直径为125μm；由所述光纤端面(12)和所述石墨烯膜片(11)形成的腔体长度为17μm,宽度为60μm。所述腔体采用飞秒激光加工在光纤内部，所述多层石墨烯膜片的有效振动圆面直径为60μm，超声波检测频带可达95khz。所述可调谐激光器(1)为窄线宽dfb激光器，输出功率20mw，调谐范围1526nm到1567nm，谱线宽度＜300khz。所述滤波器(8)为高通滤波器，滤除频率在10khz以下的低频噪声。其中传给所述激光器控制模块(2)的一路信号，由所述激光器控制模块(2)记录反射光的静态光强，与之前存储的参考值作对比，当光强值偏差超出阈值后，由所述激光器控制模块(2)调整所述可调谐激光器(1)输出激光的波长。

一种基于组合石墨烯膜片与微光纤干涉腔的局部放电检测方法，将可调谐激光器(1)发出的激光经过光纤环形器(3)后由单模光纤(4)传入微光纤干涉腔(5)，在所述微光纤干涉腔(5)中形成干涉，反射光沿所述单模光纤(4)返回，经所述光纤环形器(3)后输入光电探测器(6)，将光强信号变换为电信号，然后经信号线(7)分别传给激光器波长控制模块(2)和滤波器(8)；其中传给滤波器(8)的一路信号，经高通滤波后传给数据采集卡(9)，记录检测到的局部放电超声波信号波形。

进一步优选地，所述微光纤干涉腔(5)包括：聚酰亚胺涂层(10)、多层石墨烯膜片(11)、光纤端面(12)；其中所述聚酰亚胺涂层(10)厚度为1000nm，对所述多层石墨烯膜片(11)起保护作用；所述多层石墨烯膜片(11)厚度为100nm，直径为125μm；由所述光纤端面(12)和所述石墨烯膜片(11)形成的腔体长度为17μm,宽度为60μm。所述腔体采用飞秒激光加工在光纤内部，所述多层石墨烯膜片的有效振动圆面直径为60μm，超声波检测频带可达95khz。所述可调谐激光器(1)为窄线宽dfb激光器，输出功率20mw，调谐范围1526nm到1567nm，谱线宽度＜300khz。所述滤波器(8)为高通滤波器，滤除频率在10khz以下的低频噪声。其中传给所述激光器控制模块(2)的一路信号，由所述激光器控制模块(2)记录反射光的静态光强，与之前存储的参考值作对比，当光强值偏差超出阈值后，由所述激光器控制模块(2)调整所述可调谐激光器(1)输出激光的波长。

进一步优选地，将所述微光纤干涉腔(5)安装在气体绝缘全封闭组合电器(gis)的介质窗。在所述介质窗中心开一直径为127μm的贯穿介质层和金属层的微孔，在微孔端部，贴合一聚合物薄膜，将微光纤干涉腔插入所述微孔，所述微光纤干涉腔(5)的端部透入聚合物薄膜中，然后向所述微孔中注入胶水，并在所述金属层端部加装密封胶圈。所述聚合物薄膜直径为300μm，厚度为1mm。所述透入的深度为0.8mm。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益的效果：

(1)本发明与同类型的光纤法珀式局部放电传感器相比，采用了石墨烯膜片，极大地提高了传感器的检测灵敏度；优化了膜片的结构参数，使得传感器检测频带能够满足gis局部放电检测的需要；在膜片表面涂覆聚酰亚胺膜，保障了膜片的长期可靠性；采用飞秒激光加工微光纤干涉腔，有效地抑制了温度漂移。基于激光器波长控制，稳定静态工作点。

(2)本发明与传统的电学局部放电超声波传感器相比，具有抗电磁干扰能力强，结构简单，尺寸小巧，适合在gis设备内部安装的优点。

(3)本发明基于检测装置安装方式的优化设计，使得在安装本装置的同时，不影响电气设备原有的工作环境。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1本发明局部放电传感器的结构示意图；

图2本发明微光纤干涉腔的结构示意图；

图3本发明局部放电传感器安装方式示意图。

图中附图标记含义如下：

1-可调谐激光器、2-激光器波长控制模块、3-光纤环形器、4-单模光纤、5-微光纤干涉腔、6-光电探测器、7-信号线、8-滤波器、9-数据采集卡、10-聚酰亚胺涂层、11-多层石墨烯膜片、12-光纤端面、13-光纤包层、14-光纤纤芯、15-聚合物薄膜、16-介质窗介质层、17-介质窗金属层、18-密封胶圈。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如附图1所示为本发明涉及的组合石墨烯膜片与微光纤干涉腔的局部放电传感器结构示意图，其包括包括：可调谐激光器1、激光器波长控制模块2、光纤环形器3、单模光纤4、微光纤干涉腔5、光电探测器6、信号线7、滤波器8、数据采集卡9；所述可调谐激光器1发出的激光经所述光纤环形器3后由所述单模光纤4传入所述微光纤干涉腔5，在所述微光纤干涉腔5中形成干涉，反射光沿所述单模光纤4返回，经所述光纤环形器3后输入所述光电探测器6，将光强信号变换为电信号，经所述信号线7分别传给所述激光器波长控制模块2和所述滤波器8；其中传给所述滤波器8的一路信号，经高通滤波后传给数据采集卡9，记录检测到的局部放电超声波信号波形。其中传给所述激光器控制模块2的一路信号，由所述激光器控制模块2记录反射光的静态光强，与之前存储的参考值作对比，当光强值偏差超出阈值后，由所述激光器控制模块2调整所述可调谐激光器1输出激光的波长。

本发明检测局部放电的原理是：当gis内部产生局部放电时，会激发超声波信号，其频带在20-80khz，超声波信号传播到微光纤法珀干涉腔膜片时，将引起石墨烯膜片的振动，导致干涉腔内部的干涉条件发生变化，反射光的光强随之变化，从而可以通过检测反射光的光强变化实现局部放电的检测。

所述可调谐激光器1为窄线宽dfb激光器，输出功率20mw，调谐范围1526nm到1567nm，谱线宽度＜300khz。所述滤波器8为高通滤波器，滤除频率在10khz以下的低频噪声。

本发明工作点选取与稳定的方法：a.工作点选取：可调谐激光器以0.4nm/s的速度顺序扫描整个波长范围(1526nm到1567nm)，扫描的同时，激光器波长控制模块记录下反射光强度，得到光谱曲线，将激光器波长设置在光谱曲线导数值最大的位置，并存储对应的反射光强度作为参考值。b.工作点稳定：激光器波长控制模块定期查询当前反射光强度与参考值的偏差，当偏差超出阈值时，对波长做±0.4nm的调整。

附图2为本发明涉及的微光纤干涉腔结构示意图，所述微光纤干涉腔5包括：聚酰亚胺涂层10、多层石墨烯膜片11、光纤端面12；聚酰亚胺涂层10厚度为1000nm，对多层石墨烯膜片11起保护作用；多层石墨烯膜片11厚度为100nm，直径为125μm；由所述光纤端面12和所述石墨烯膜片11形成的腔体长度为17μm,宽度为60μm，多层石墨烯膜片的有效振动圆面直径为60μm，超声波检测频带可达95khz；微光纤干涉腔采用飞秒激光加工在光纤内部。

附图3为本发明涉及的传感器安装方式示意图，将所述微光纤干涉腔5安装在气体绝缘全封闭组合电器gis的介质窗，介质窗包括上层的介质窗介质层16和下层的介质窗金属层17；在介质窗介质层16和金属层17中心开一直径为127μm的微孔，在微孔的端部在介质窗介质层16上贴合一聚合物薄膜15，聚合物薄膜15厚度为1mm，直径为300μm；将光纤插入微孔，其中微光纤干涉腔5应插入聚合物薄膜内部，透入深度0.8mm，之后向微孔中注入胶水，在介质层金属层17端部加装密封胶圈，避免gis内部气体的泄漏。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。