一种光学式局部放电传感装置及局部放电检测方法与流程

本发明涉及电力、电气设备在线监测领域，具体地说是一种光学式局部放电传感装置及局部放电检测方法。

背景技术：

随着工业发展和社会进步，电力系统向大容量、超高压和特高压方向发展，对系统运行可靠性要求越来越高，局部放电（简称局放）是影响电力设备正常运行的重要因素之一。对局部放电进行检测则能够提前反映电力设备的绝缘状况，及时发现内部绝缘缺陷，预防潜伏性和突发性事故发生，对于保证电力系统安全稳定运行具有重要意义。电力设备发生局部放电时，通常会产生电流脉冲、电磁辐射、超声波、光辐射以及分解产生新物质，并会引起局部过热。因此，根据局部放电产生的不同物理化学过程，其检测方法有脉冲电流法、射频法、超高频法、超声波检测法、化学检测法、红外热成像法以及近年来兴起的光学检测法等。

基于罗氏线圈的脉冲电流法是通过耦合电容对局部放电产生的脉冲电流进行检测，由此判断局部放电的强度，这是最常用的检测方法。射频检测法是利用射频传感器检测局部放电，并激发出1~30mhz频段的电磁信号，经过后续电路处理得到局部放电量。这两种方法可以定量检测局放量，但是抗电磁干扰能力差，不适合进行在线监测。超高频检测法是利用300~3000mhz的高频信号对局部放电进行检测，超声波检测法通过超声波传感器检测局放时产生的超声波信号进行局部放电检测。这两种方法具有抗电磁干扰能力强、能对局部放电源进行定位等优点，但不能对局部放电量进行标定。光学电流传感器检测法具有响应速度快、动态范围大、抗电磁干扰能力强、性能可靠等优点。天津大学、中国矿业大学等单位研制了全光纤结构光纤电流局部放电传感器，但系统的灵敏度有待进一步提高。

技术实现要素：

本发明的目的之一就是提供一种光学式局部放电传感装置，以提高全光纤结构光纤电流局部放电传感器探测灵敏度，实现局部放电信息的高灵敏度、高可靠性、高响应速度、抗电磁干扰的检测。

本发明的目的之二就是提供一种利用上述光学式局部放电传感装置进行局部放电检测的方法。

本发明的目的之一是这样实现的：一种光学式局部放电传感装置，包括光源、光学电流传感探头和信号处理显示终端；

所述光学电流传感探头包括光纤准直器、起偏器、磁光晶体、偏振分束器和双光纤耦合器；所述信号处理显示终端包括可调光衰减器、平衡探测器、滤波电路、放大电路、数据采集卡和pc机；

所述光源发出的光通过所述光纤准直器准直后入射至所述起偏器，经过所述起偏器后成为线偏振光，线偏振光入射至所述磁光晶体，所述磁光晶体出射的光再经过所述偏振分束器成为振动方向互相垂直的光束一和光束二，光束一和光束二经所述双光纤耦合器传输至所述信号处理显示终端；

双光纤耦合器的输出端连接传输光纤，光束一经双光纤耦合器和传输光纤后连接至平衡探测器；光束二经双光纤耦合器、传输光纤以及可调光衰减器后连接至平衡探测器；所述平衡探测器用于将光信号转换为电压信号，所述平衡探测器输出两路电压信号经同轴电缆传输至滤波电路，由所述滤波电路输出的信号经放大电路后被数据采集卡采集，数据采集卡将所采集到的数据传输至pc机，pc机进行信号处理并实现局部放电信号的波形与强度大小的输出显示。

优选的，所述光源为宽带光源，其中心波长为1310nm。

优选的，所述平衡探测器、所述滤波电路、所述放大电路和所述数据采集卡通过同轴电缆依序连接，所述同轴电缆的阻抗为50欧姆。

采用该光学式局部放电传感装置可对电缆或电气设备进行局部放电检测，检测时使光学电流传感探头置于一螺线形线圈的中心轴线上，并使电缆或电气设备发生局部放电产生的脉冲电流通过该螺线形线圈，该螺线形线圈连接接地引线。

本发明的目的之二是这样实现的：一种局部放电检测方法，包括如下步骤：

a、将导线缠绕在一圆柱面上，之后撤去圆柱面，形成螺线形线圈；

b、将光学电流传感探头内置于螺线形线圈的中心轴线上；所述光学电流传感探头包括光纤准直器、起偏器、磁光晶体、偏振分束器和双光纤耦合器；

在光学电流传感探头的前方设置有光源，在光学电流传感探头的后方设置有信号处理显示终端，所述信号处理显示终端包括可调光衰减器、平衡探测器、滤波电路、放大电路、数据采集卡和pc机；

c、使螺线形线圈一端连接电缆或电气设备接地端，另一端连接接地引线；电缆或电气设备发生局部放电产生的脉冲电流会通过螺线形线圈；

d、光源发出的光通过光纤准直器准直后入射至起偏器，经起偏器后成为线偏振光，线偏振光入射至磁光晶体，在通电的螺线形线圈的作用下，通过磁光晶体的线偏振光的偏振面发生偏转，后经偏振分束器成为振动方向互相垂直的两束光；该两束光中的一束光经双光纤耦合器直接连接平衡探测器，另一束光经双光纤耦合器和可调光衰减器后连接至平衡探测器；平衡探测器将光信号转换为电压信号，并输出两路电压信号至滤波电路，由滤波电路输出的信号经放大电路后被数据采集卡采集，数据采集卡将采集到的数据传输至pc机，pc机进行信号处理并实现局部放电信号的波形与强度大小的输出显示。

本发明中基于磁光晶体的光学电流传感器（或称光学电流传感探头），相对于全光纤式电流传感器来说，磁光晶体具有高维尔德常数、低吸收系数等特性，易于实现高灵敏度脉冲电流传感，同时还具有结构简单，易于微型化的特点。

本发明所提供的光学式局部放电传感装置基于脉冲电流法检测原理进行电缆局部放电传感，电缆的导线和金属屏蔽层之间由绝缘层隔开形成分布电容，该电容只有几百皮法，对高频信号为良导体。因此，高频的局放信号由分布电容与接地引线构成回路传输，在电缆接头处的屏蔽接地线上安装光学式局部放电传感装置可检测到电缆的放电电流脉冲信号，确定局部放电的量值。

光学式局部放电传感装置对高压开关柜等电气设备的局部放电检测可基于地电波检测方法或脉冲电流法检测。地电波法采用容性的探头耦合局放产生的电磁波，光学式局部放电传感装置获得地电波信号的幅度、脉冲次数等特征参数，利用上述参数可评估高压开关柜等电气设备的局放程度。脉冲电流法与上述电缆的局放测量相类似，通过监测开关柜等电气设备接地线的电流实现局放信号的测量。在安装本发明中光学式局部放电传感装置时无须对电气设备停电。

本发明与其它现有装置相比，其优势在于：

１）磁光晶体探头灵敏度高，响应速度快，体积小，布置方式灵活，并能深入电力设备内部进行检测而不影响其工作状态。

２）用光纤作为信号传输载体，抗电磁干扰能力强。

３）基于磁光晶体的光学电流传感器主要材料是sio2，绝缘性能极佳，该优势在超高压、特高压等级电力系统中尤为突出。

４）易于实现数字化，便于接入智能电网。

附图说明

图1是本发明所提供的光学式局部放电传感装置的结构示意图。

图2是采用本发明中光学式局部放电传感装置基于脉冲电流法对电缆局部放电进行检测的示意图。

图3是采用本发明中光学式局部放电传感装置基于脉冲电流法对开关柜局部放电进行检测的示意图。

图4是采用本发明中光学式局部放电传感装置基于地电波法对开关柜局部放电进行检测的示意图。

图中：1、光纤准直器；2、起偏器；3、磁光晶体；4、偏振分束器；5、双光纤耦合器；6、光学电流传感探头；7、信号处理显示终端；8、螺线形线圈；9、导线；10、绝缘层；11、金属屏蔽层；12、信号耦合电容探测器。

具体实施方式

实施例1，一种光学式局部放电传感装置。

如图1所示，本发明所提供的光学式局部放电传感装置包括光源、光学电流传感探头6、信号处理显示终端7。光源、光学电流传感探头6、信号处理显示终端7依序设置。

光源为宽带光源，中心波长1310nm，在此波长下，光纤传输损耗低，传输距离远。

光学电流传感探头6包括光纤准直器1、起偏器2、磁光晶体3、偏振分束器4和双光纤耦合器5。光源发出的光通过光纤准直器1准直后入射至起偏器2，光束经过起偏器2后成为线偏振光，线偏振光入射至磁光晶体3，磁光晶体3出射的光再经过偏振分束器4后成为振动方向互相垂直的光束一和光束二，光束一和光束二经双光纤耦合器5和传输光纤输入至信号处理显示终端7中的平衡探测器。

信号处理显示终端7包括可调光衰减器（voa）、平衡探测器、滤波电路、放大电路、数据采集卡（daq）和pc机。平衡探测器、滤波电路、放大电路和数据采集卡通过同轴电缆依序连接，同轴电缆连接阻抗为50欧姆。双光纤耦合器5连接传输光纤，光束一通过传输光纤直接连接至平衡探测器；光束二通过传输光纤和可调光衰减器后连接至平衡探测器。在光路中加入可调光衰减器，用于调节光功率大小。平衡探测器将光信号转换为电压信号，平衡探测器输出的两路电压信号经同轴电缆传输至滤波电路，滤波电路用于将局部放电频率范围外的信号滤除。由于局部放电电流信号相对微弱，所以需要放大电路对信号进行放大，放大后的电压信号传输至数据采集卡，由数据采集卡再将数据传输至pc机。pc机基于labview软件编程，对测量获得的电压信号进行滤波及算法处理，降低噪声和光源功率波动等影响，获得局部放电信号的波形、放电量等信息，最终通过pc机输出显示局部放电信号。

在电缆中，导线和金属屏蔽层之间由绝缘层隔开形成分布电容，该电容一般只有几百皮法，对高频信号为良导体。电缆劣化引起的局放信号为高频信号，由分布电容与接地引线构成回路传输，通过检测电缆接头处的屏蔽接地线上放电电流脉冲信号，实现对电缆局放信号的传感，并能够确定局部放电的量值。如图2所示，电缆的导线9和金属屏蔽层11之间由绝缘层10隔开形成分布电容，电缆放电产生的局放信号在分布电容与接地引线构成的回路中传输，螺线形线圈8连接接地引线，光学电流传感探头6位于螺线形线圈8内部中心轴线上。

开关柜等电气设备的绝缘劣化所导致的放电信号为瞬间脉冲电流，利用光学式局部放电传感装置测量设备接地线的脉冲电流信号实现电气设备内部局放信号的传感，具有更高的灵敏度，抗电磁干扰能力强，可实现长期现场带电检测。如图3所示，将导线绕在圆柱面上缠绕成螺线形线圈8，螺线形线圈8连接接地引线，高压开关柜发生局部放电产生的脉冲电流通过螺线形线圈8时，会在线圈周围空间产生磁场。根据对通电螺线形线圈8磁场强度分析，螺线形线圈8中心处磁场强度最大，所以将光学电流传感探头6内置于螺线形线圈8中心轴线上。在磁场作用下，通过磁光晶体3的线偏振光的偏振面发生偏转，磁光晶体3测量频带可达2ghz，携带电流信息的光通过偏振分束器4后光强发生变化，经过信号处理，求得放电电流强度和波形。

利用光学式局部放电传感装置进行开关柜等电气设备地电波法局放信号测试系统如图4所示，通过信号耦合电容探测器12将开关柜等电气设备内部产生的局放信号耦合至传感回路中，光学式局部放电传感装置测量获得回路中的电流脉冲信号，实现开关柜等电气设备局放信号的波形与强度的测量。

实施例2，一种局部放电检测方法。

a、将导线缠绕在一圆柱面上，之后撤去圆柱面，形成螺线形线圈。

b、将光学电流传感探头内置于螺线形线圈的中心轴线上；所述光学电流传感探头包括光纤准直器、起偏器、磁光晶体、偏振分束器和双光纤耦合器。在光学电流传感探头的前方设置有光源，在光学电流传感探头的后方设置有信号处理显示终端，所述信号处理显示终端包括可调光衰减器、平衡探测器、滤波电路、放大电路、数据采集卡和pc机。

c、使螺线形线圈一端连接电缆或电气设备接地端，另一端连接接地引线；电缆或电气设备发生局部放电产生的脉冲电流会通过螺线形线圈。

d、光源发出的光通过光纤准直器准直后入射至起偏器，光束经起偏器后成为线偏振光，线偏振光入射至磁光晶体，在通电的螺线形线圈的作用下，通过磁光晶体的线偏振光的偏振面发生偏转，后经偏振分束器成为振动方向互相垂直的两束光；该两束光中的一束光经双光纤耦合器直接连接平衡探测器，另一束光经双光纤耦合器和可调光衰减器后连接至平衡探测器；平衡探测器将光信号转换为电压信号，并输出两路电压信号至滤波电路，由滤波电路输出的信号经放大电路后被数据采集卡采集，数据采集卡将采集到的数据传输至pc机，pc机进行信号处理并实现局部放电信号的波形与强度大小的输出显示。