一种变压器套管局部放电的光纤干涉型超声传感器

1.本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种变压器套管局部放电的光纤干涉型超声传感器。


背景技术：

2.套管是用于穿过带电导体的一种绝缘子，作为一类重要的绝缘材料，主要搭建于变压器、电抗器、断路器等电力设备及墙体中，承担对地绝缘、支撑及载流的功能，应用十分广泛。套管的绝缘水平关系着高压电器设备的稳定运行，但在过去的时间里，套管绝缘故障时有发生。据统计，单是变压器故障事故中，套管绝缘故障就占据30％左右。
3.套管绝缘故障的明显表征现象之一是在套管绝缘缺陷处发生局部放电。在产生局部放电的过程中，套管绝缘缺陷处会释放出超声波信号。因此，可以通过检测该超声信号作为判断套管绝缘状态水平的依据。
4.现有的局部放电声波法检测一般使用压电陶瓷传感器，通过紧贴于电气设备外部对局部放电产生的声波进行检测。但由于压电陶瓷的局限性，这种方法受电磁干扰严重，易受电磁环境影响，且压电陶瓷传感器灵敏度较低，局部放电检测效果不佳。
5.伴随学科间的交叉融合，光纤传感手段广泛运用于状态监测领域。其中干涉型光纤超声传感器具备绝缘性能好、抗电磁干扰性能优异、灵敏度高、安装方式灵活等特点，是一种极佳的套管绝缘故障局部放电超声信号的检测方式。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是针对上述不足，提供一种变压器套管局部放电的光纤干涉型超声传感器。
7.本发明是通过以下技术方案实现的：
8.一种变压器套管局部放电的光纤干涉型超声传感器，该传感器包括激光器、光隔离器、1
×
2光纤耦合器、光纤环形器、传感光纤、参考光纤、声光调制器、2
×
2光纤耦合器、平衡光电探测器、信号调节模块、高通滤波器和上位机；所述激光器发出的光经所述光隔离器进入所述1
×
2光纤耦合器，所述1
×
2光纤耦合器将所述光分成两路；其中一路为传感光，经所述光纤环形器进入所述传感光纤后，在嵌入传感光纤末端的布拉格光纤光栅作用下反射回所述光纤环形器后传出；另一路为参考光，经所述参考光纤输出后，在所述声光调制器作用下产生固定频移；然后，所述传感光和所述参考光在所述2
×
2光纤耦合器汇集并发生干涉产生干涉光；所述干涉光由所述平衡光电探测器采集，经所述信号解调模块解调后送入所述高通滤波器滤除低频信号，剩下的高频信号作为最终检测信号结果输出到所述上位机显示。
9.进一步的，所述的一种变压器套管局部放电的光纤干涉型超声传感器，该传感器还包括高灵敏度传感元；所述高灵敏度传感元包括芯轴和紧密缠绕于所述芯轴的所述传感光纤，所述传感光纤的末端嵌入所述布拉格光纤光栅。
10.进一步的，所述的一种变压器套管局部放电的光纤干涉型超声传感器，所述芯轴为圆台；所述传感光纤从下至上缠绕于所述芯轴，其末端位于所述圆台的顶面。
11.进一步的，所述的一种变压器套管局部放电的光纤干涉型超声传感器，所述芯轴采用聚偏氟乙烯材质；所述圆台的底面半径为20mm，顶面半径为5mm，高度为40mm。
12.进一步的，所述的一种变压器套管局部放电的光纤干涉型超声传感器，所述光纤环形器包括第一通道、第二通道和第三通道；所述传感光从所述第一通道进入所述光纤环形器，经所述第二通道进入所述高灵敏度传感元，在嵌入所述传感光纤末端的所述布拉格光纤光栅作用下反射回所述光纤环形器，从所述第三通道传出。
13.进一步的，所述的一种变压器套管局部放电的光纤干涉型超声传感器，所述激光器采用rio窄线宽激光源，其光功率为20mw，线宽为2.9khz。
14.进一步的，所述的一种变压器套管局部放电的光纤干涉型超声传感器，所述1
×
2光纤耦合器(3)的两路输出信号强度占比各为50.0％
±
0.5％。
15.进一步的，所述的一种变压器套管局部放电的光纤干涉型超声传感器，所述芯轴表面涂敷高超声耦合系数的紫外光固化粘合胶，经紫外光照射后胶水固化，使所述传感光纤和所述芯轴保持贴合状态。
16.进一步的，所述的一种变压器套管局部放电的光纤干涉型超声传感器，所述声光调制器为stbr系列带射频驱动的自由空间声光调制器。
17.进一步的，所述的一种变压器套管局部放电的光纤干涉型超声传感器，所述布拉格光纤光栅的长度为20mm，反射波长为1550nm。
18.本发明的优点与效果是：
19.1.本发明提供的光纤干涉型超声传感器的结构简单，设计易于实现，操作简便，在套管局部放电超声频段内灵敏度高，为套管局部放电检测提供了可靠、有效的超声传感检测方法。
20.2.本发明提供的光纤干涉型超声传感器的高灵敏度传感元采用聚偏氟乙烯材质芯轴，其谐振频率及其频率响应带宽与套管局部放电超声信号频率相似，满足共振吸声原理。且芯轴结构下宽上窄，局部放电超声波传播至高灵敏度传感元位置时，超声信号绝大部分由高灵敏度传感元吸收，与聚偏氟乙烯芯轴产生谐振激发传感元振动，并使传感元振幅达到最大。
21.3.本发明提供的光纤干涉型超声传感器的高灵敏度传感元采用单模裸光纤在芯轴上螺旋缠绕成多匝线圈的方法制成，使长距离传感光纤汇聚于一处，拉长了该光纤干涉型超声传感器的传感区间，配合传感光纤线圈末端的布拉格反射光栅，在减短传感光纤长度的同时，利用反射回光，在传感元位置处再次感知超声振动，实现局部放电超声信号的高灵敏度感知。
附图说明
22.图1为本发明提供的光纤干涉型超声传感器的结构示意图。
23.图2为本发明提供的光纤干涉型超声传感器的高灵敏度光纤传感元的结构示意图。
24.图3为本发明提供的光纤干涉型超声传感器的传感光纤末端嵌入布拉格光纤光栅
的结构示意图。
25.附图标记说明：1-激光器，2-光隔离器，3-1
×
2光纤耦合器，4-参考光纤，5-声光调制器，6-光纤环形器，7-高灵敏度传感元，8-2
×
2光纤耦合器，9-平衡光电探测器，10-信号解调模块，11-高通滤波器，12-上位机，13-传感光纤，14-传感光纤末端，15-芯轴，16-布拉格光纤光栅。
具体实施方式
26.为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明：
27.在本发明的描述中，需要理解的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.图1为本发明提供的光纤干涉型超声传感器的结构示意图。该光纤干涉型超声传感器包括激光器1、光隔离器2、1
×
2光纤耦合器3、光纤环形器6、传感光纤13、参考光纤4、声光调制器5、2
×
2光纤耦合器8、平衡光电探测器9、信号调节模块10、高通滤波器11和上位机12。激光器1发出的光经光隔离器2进入1
×
2光纤耦合器3，1
×
2光纤耦合器3将光分成两路。其中一路为传感光，经光纤环形器6进入传感光纤13后，在嵌入传感光纤末端14的布拉格光纤光栅16的作用下反射回光纤环形器6后传出。另一路为参考光，经参考光纤4输出后，在声光调制器5的作用下产生固定频移。然后，传感光和参考光在2
×
2光纤耦合器8汇集并发生干涉产生干涉光，干涉光分两路相位相差180
°
的光输出，并由平衡光电探测器9采集进行差分放大光电转换，输出电信号经信号解调模块10解调后送入高通滤波器11滤除低频信号(低于20khz)，剩下的高频信号作为最终检测信号结果输出到上位机12显示超声信号波形，实现套管局部放电的超声检测。
29.该光纤干涉型超声传感器还包括高灵敏度传感元7。如图2所示，高灵敏度传感元7包括芯轴15和紧密缠绕于芯轴15的传感光纤13，传感光纤13的末端嵌入布拉格光纤光栅16。具体的是，传感光经光纤环形器6进入高灵敏度传感元7，通过缠绕于芯轴15的传感光纤13，在嵌入传感光纤末端14的布拉格光纤光栅16作用下反射回光纤环形器6后，再传出。
30.进一步的，芯轴15为圆台，传感光纤13从下至上缠绕于芯轴15，其末端位于圆台的顶面。芯轴15采用聚偏氟乙烯材质。圆台的底面半径为20mm，顶面半径为5mm，高度为40mm。
芯轴15表面涂敷高超声耦合系数的紫外光固化粘合胶，经紫外光照射后胶水固化，使传感光纤13和芯轴15保持贴合状态。
31.光纤环形器6包括第一通道、第二通道和第三通道。传感光从第一通道进入光纤环形器6，经第二通道进入高灵敏度传感元7，在嵌入传感光纤末端14的布拉格光纤光栅16作用下反射回光纤环形器6，再从第三通道传出。
32.激光器1采用rio窄线宽激光源，其光功率为20mw，线宽为2.9khz。其输出的1550nm持续光具有非常低的相对强度噪声，超低的相位噪声和窄线宽，用于提供低噪声光源。
[0033]1×
2光纤耦合器3为光纤与光纤之间的连接器件，其将激光器1发射的光分成两路，两路输出信号强度占比各为50.0％
±
0.5％。
[0034]
传感光纤13和参考光纤4均为普通单模光纤。传感光纤13中串入高灵敏度光纤传感单元用于检测超声信号。参考光纤仅感受环境影响，配合进行干涉。如图3所示，传感光纤末端14嵌入一段长度为20mm的布拉格光纤光栅16，布拉格光纤光栅16的光栅栅距均匀一致，通过调制其光栅栅距使它的反射波长为1550nm左右，能够完全反射回传感光纤内传输的传感光。
[0035]
声光调制器5为stbr系列带射频驱动的自由空间声光调制器，用于改变和控制激光光束的强度、频率调制和频移等特性。该aom声光调制器用于将参考光产生200mhz的频移。
[0036]
平衡光电探测器9用于将该光纤干涉型超声传感器中的光信号转换为电信号。输入端口接入2
×
2光纤耦合器输出的干涉信号，输出差分放大信号的输出端口与信号解调模块相接，平衡光电探测器的检测带宽dc可达200mhz。
[0037]
高通滤波器11设计截止频率为20khz，用于滤除该光纤干涉型超声传感器的低频背景噪声。
[0038]
本发明提供的一实施例中光纤干涉型超声传感器的制作步骤如下：
[0039]
1、如图2所示，准备一定长度(如150m长)的单模裸光纤，在其一端的末端用光纤熔接机嵌入一段长度为20mm的布拉格光纤光栅，之后将该单模裸光纤沿聚偏氟乙烯芯轴表面缠绕并在表面涂敷高超声耦合系数的紫外光固化粘合胶，构成高灵敏度传感元。
[0040]
2、按照附图1将各种器件按顺序连接。
[0041]
3、将高灵敏度传感元安装在套管底座或法兰处，且接触面涂抹超声耦合剂，增强耦合效率。
[0042]
4、连接电源，打开窄线宽激光源发出连续光，该光纤干涉型超声传感器工作，开始检测套管局部放电超声，在上位机中显示波形结果并存储数据。
[0043]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，并非用来限定本发明的实施范围。但凡在本发明的保护范围内所做的等效变化及修饰，皆应认为落入了本发明的保护范围内。