的压强灵敏度的表达式为：
[0037]
(1)
[003引最低固有频率的表达式为：
[003引
似
[0040] 由公式发现，膜片的压强灵敏度与其半径的四次方成正比，与厚度的=次方成反 比；而其固有频率与膜片的厚度成正比，与有效半径的平方成反比。灵敏度和频率响应是矛 盾对立的，因此在设计时采取折中的办法，使膜片达到最佳的灵敏度和频响范围。选定半径 R= 0. 9mm、厚度h= 30,它们的最高频率响应及灵敏度为f= 101. 5曲Z，损耗校正因子n 二 0. 4155。
[0041]b)光纤外腔式珪巧传感器的腔体设计
[0042] 当腔长变化幅度较大时，传感器输出的光强将随着腔长周期变化。对于线性区域 工作的光纤外腔式珪巧传感器，其初始工作点要求在Q点当入射光强为I。（A)，光纤端面反 射率为Ri= 0. 04,膜内表面反射率为R2,光纤外腔式珪巧传感头的腔长为1时，根据光学 EFPI干设仪的理论可W得出光纤外腔式珪巧传感器的输出光信号强度为：
[0043]
(3)
[0044] 式中，为两束反射光的光程差。由式（3)可W推导出表征传感器信号质量 的反射光强度及对比度公式为：
[0045]
， (4)
[0046] 损耗校正因子n为：
[0047]
减
[004引将光源中屯、波长1310nm，n0= 1. 455 ^及《 = 3. 8ym代入式巧）。对干设光强进 行仿真结果如图5所示，图5为光强与膜反射率及腔长关系示意图。膜的反射率在0. 35~ 0. 36区间时，光强变化的峰峰值最大，运样对于我们选取静态工作点是非常有利的。
[0049] 对膜反射率处于0. 348~0. 362之间时的光强与腔长的关系进行仿真，得到结果 如图6所示。图6为光强峰峰值最大区间内，光强与腔长的关系示意图。根据分析，确定腔 长为50. 58ym时，光强处于中间位置，也就是合适的静态工作点Q。
[0050] 基于光纤外腔式珪巧传感器变压器局部放电检测系统的局部放电检测方法为：该 方法是利用基于光纤外腔式珪巧传感器的局部放电检测系统进行检测的，包括W下步骤：
[0051] 步骤1，将四个相同的光纤外腔式珪巧传感器的两个光纤外腔式珪巧传感器放置 安装在变压器顶部测溫槽油中，另外两个放置在变压器顶部两侧法兰槽中；四个光纤外腔 式珪巧传感器的光纤分别连接到局部放电检测系统的四个通道上，其中示波器采用边沿自 触发方式，将触发电平调到位置上；
[005引步骤2 :供电，使各器件处于工作状态；
[005引步骤3 :观察示波器显示的检测信号，当有局部放电时，光纤外腔式珪巧传感器会 有震荡的脉冲信号；如果其中某个光纤外腔式珪巧传感器的局部放电信号明显较弱，则该 光纤外腔式珪巧传感器位置和局放位置之间的路径上存在阻碍结构或放点位置与光纤外 腔式珪巧传感器距离较大；如果其中某个光纤外腔式珪巧传感器的局部放电信号明显较 强，则该光纤外腔式珪巧传感器位置靠近局部放电位置或光纤外腔式珪巧传感器位置和局 放位置之间的路径上不存在阻碍结构；由此确定局放现象的存在W及放点位置所在的大致 区域。
[0054][性能验证性实验]:
[00巧]本发明的光纤外腔式珪巧传感器的性能可W通过图1所示单路光纤外腔式珪巧 传感器检测系统进行测试。在实验室设置油纸绝缘缺陷局部放电模型，通过脉冲电流法局 放仪检测系统、压电陶瓷传感器系统和单路光纤外腔式珪巧传感器检测系统分别同时测量 局部放电信号，可见本发明设计的传感头能够很好地检测局部放电信号。
[0056] 图7为局放仪、光纤外腔式珪巧传感器与压电陶瓷传感器检测的局放信号示意 图，将局部放电模型的高压电极一一针电极取下，其他条件不变，空载加压，加压至17kV，检 测到的信号如图8的空载加压时，局放仪、光纤外腔式珪巧传感器、压电陶瓷的检测信号示 意图所示。通过图8,可W得到，在空载加压到17kV后，环境中存在电磁干扰或试验变压器 产生传声电磁干扰信号，局放仪检测到放电信号，而光纤超声波传感器与压电陶瓷传感器 无超声波信号与之对应，运也说明了超声波传感器具有良好的抗电磁干扰能力，并且光纤 外腔式珪巧传感器相比压电陶瓷传感器具有更好的抗干扰能力。
[0057] 图8为传感器检测到的信号衰减曲线示意图，其中，（a)为压电陶瓷传感器度示意 图；化）为光纤外腔式珪巧传感器衰减度示意图。将得到的不同距离下的光纤外腔式珪巧 传感器的超声波响应幅值与15cm下光纤外腔式珪巧传感器超声波响应幅值求比例，然后 统计各距离下50组数据求均值，同样方法对压电陶瓷传感器检测到的信号进行处理，可得 到衰减度曲线如图8中（a)压电陶瓷传感器衰减度示意图；、化）光纤外腔式珪巧传感器衰 减度示意图所示。可W看到压电陶瓷衰减度相对光纤外腔式珪巧传感器衰减较快，在30cm 处已基本检测不到局部放电信号，而光纤外腔式珪巧传感器在距离局放源75cm的距离依 然能够检测到较大的放电信号，运证明光纤外腔式珪巧传感器灵敏度较高，能检测到微弱 的局部放电信号。
[0058] 本发明首次提出将光纤外腔式珪巧传感器局部放电检测系统放置在变压器顶部 测溫槽和法兰槽中实现变压器局部放电在线监测的方法，并能大致的进行局部放电位置估 计。本发明具有灵敏度高，信号收集能力强，操作简单，抗干扰能力强的特点，能抑制超声振 动多路径传播带来的影响。将光纤外腔式珪巧传感器安装在测溫槽和法兰槽油中，不但消 除了变压器内部油压对传感器灵敏度和使用寿命的影响，同时槽体结构相当于一个超声信 号收集器，变压器局部放电产生的超声信号通过变压器油或者变压器固体结构传播到槽体 结构上，槽体结构收集器收集信号并通过槽中变压器油传至光纤外腔式珪巧传感器，使得 此时光纤外腔式珪巧传感器接收到的信号不再与信号源位置与传感器石英膜片垂直方向 间的夹角有关系，并且光纤外腔式珪巧传感器能接收到更强的超声信号，增强装置的局放 检测灵敏度；本发明可W灵敏地测量高频信号，用于局部放电在线监测。
【主权项】
1. 一种基于光纤外腔式珐珀传感器的变压器局部放电检测方法，该方法是利用基于光 纤外腔式珐珀传感器的局部放电检测系统进行检测的；所述光纤外腔式珐珀传感器局部放 电检测系统由窄带光源、光滤波器、光分路器、4个光环形器、4个单模光纤、4个光纤外腔式 珐珀传感器和由4个光电探测器、4个放大器和示波器组成；其中两个光纤外腔式珐珀传感 器放置在变压器顶部测温槽油中，另外两个放置在变压器顶部两侧法兰槽中；所述窄带光 源与光滤波器和光分路器依次相连，光分路器分4路依次、对应与4个光环形器、4个单模光 纤和4个光纤外腔式珐珀传感器连接，其中4个光纤外腔式珐珀传感器组成光纤外腔式珐 珀传感器阵列；在光分路器与4个光环形器之间，4个光环形器再分别与对应的4个光电探 测器、4个放大器依次连接；四个相同的放大器均与示波器相连；该方法包括以下步骤： 步骤1 :将四个相同的光纤外腔式珐珀传感器的两个光纤外腔式珐珀传感器放置安装 在变压器顶部测温槽油中，另外两个放置在变压器顶部两侧法兰槽中；四个光纤外腔式珐 珀传感器的光纤分别连接到局部放电检测系统的四个通道上，其中示波器采用边沿自触发 方式，将触发电平调到位置上； 步骤2 :供电，使各器件处于工作状态； 步骤3 :观察示波器显示的检测信号，当有局部放电时，光纤外腔式珐珀传感器会有震 荡的脉冲信号；如果其中某个光纤外腔式珐珀传感头的局部放电信号明显较弱，则该光纤 外腔式珐珀传感器位置和局放位置之间的路径上存在阻碍结构或放点位置与光纤外腔式 珐珀传感头距离较大；如果其中某个光纤外腔式珐珀传感器的局部放电信号明显较强，则 该光纤外腔式珐珀传感器位置靠近局部放电位置或光纤外腔式珐珀传感器位置和局放位 置之间的路径上不存在阻碍结构，由此确定局放现象的存在以及放点位置所在的大致区 域。2. 根据权利要求1所述一种基于光纤外腔式珐珀传感器的变压器局部放电检测方法， 其特征在于，所述光纤外腔式珐珀传感器安装在测温槽和法兰槽油中，不但消除了变压器 内部油压对传感器灵敏度和使用寿命的影响，同时槽体结构相当于一个超声信号收集器， 变压器局部放电产生的超声信号通过变压器油或者变压器固体结构传播到槽体结构上，槽 体结构收集器收集信号并通过槽中变压器油传至光纤外腔式珐珀传感器，使得此时光纤外 腔式珐珀传感器接收到的信号不再与信号源位置与传感器石英膜片垂直方向间的夹角有 关系，并且光纤外腔式珐珀传感器能接收到更强的超声信号，增强装置的局放检测灵敏度。3. 根据权利要求1所述的一种基于光纤外腔式珐珀传感器的变压器局部放电检测方 法，其特征在于，所述窄带光源为SLED型波长为1310nm的单色光源。4. 根据权利要求1所述的一种基于光纤外腔式珐珀传感器的变压器局部放电检测方 法，其特征在于，所述光滤波器为1310nm光纤带通滤波器。5. 根据权利要求4所述的一种基于光纤外腔式珐珀传感器的变压器局部放电检测 方法，其特征在于，所述单模光纤为1310nm单模光纤，其中心玻璃芯直径9um，包层外直径 125um〇6. 根据权利要求1所述的一种基于光纤外腔式珐珀传感器的变压器局部放电检测方 法，其特征在于，所述光电探测器为PIN光电二极管。
【专利摘要】本发明涉及属于电气变压器设备局部放电在线监测技术领域的一种基于光纤外腔式珐珀传感器的变压器局部放电检测方法。将四个光纤外腔式珐珀传感器分别放置在变压器顶部与变压器一体的两个测温槽和两个法兰槽的油中，槽体结构相当于超声信号收集器，变压器局放产生的超声信号通过变压器油或变压器固体结构传播到槽体上并通过槽中变压器油传至传感头。此时接收到的信号强弱与信号源位置角度无关，传感器信号也更强，同时避免变压器内部油压对传感器的影响。四个位置的传感器同时工作避免了信号被变压器内部结构阻拦。本发明灵敏度高，信号收集能力强，操作方便，抗干扰能力强；不需要额外辅助结构也能很好的检测变压器局放情况。
【IPC分类】G01R31/12
【公开号】CN105182190
【申请号】CN201510205837
【发明人】张春燕, 张映月, 王铭民, 周志成, 周源, 盛吉, 顾进, 陶风波, 陆云才, 王伟, 易登辉, 刘晗, 刘旭
【申请人】国家电网公司, 江苏省电力公司, 江苏省电力公司扬州供电公司, 江苏省电力公司电力科学研究院, 华北电力大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年4月27日