一種複眼式光纖efpi的局部放電方向檢測方法

2023-05-15 21:57:11

一種複眼式光纖efpi的局部放電方向檢測方法
【專利摘要】本發明涉及屬於電力油紙絕緣電氣設備局部放電在線監測【技術領域】的一種複眼式光纖EFPI的局部放電方向檢測方法。利用複眼式光纖EFPI局部放電方向檢測系統，將五個相同的放大器輸出的電壓信號連接到示波器上，供電，將複眼式光纖外腔式琺珀傳感器放置在絕緣杆的頂端，向信號最強的光纖外腔式琺珀傳感頭的方向轉動絕緣杆直到位於中間的光纖外腔式琺珀傳感頭的局放脈衝幅值最大而放置於四周的光纖外腔式琺珀傳感頭的局放脈衝幅值大致相等；則，複眼式光纖外腔式琺珀傳感器中位於中間的光纖外腔式琺珀傳感頭的朝向，即為局部放電點的方向。本發明靈敏度高，方向性好，抗幹擾能力強；能方便準確地進行電力設備的重點部位局部放電方向定位。
【專利說明】-種複眼式光纖EFPI的局部放電方向檢測方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種複眼式光纖EFPI的局部放電方向檢測方法，屬於電力油紙絕緣 電氣設備局部放電在線監測【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 目前國內外油紙絕緣電氣設備（以變壓器為主）局部放電在線監測有多種方法， 主要包括甚高頻（VHF)脈衝電流檢測法、超高頻（UHF)電磁波檢測法和壓電傳感器超聲波 檢測法，其中VHF和UHF檢測法檢測的是電信號，容易受到電磁幹擾信號的幹擾；壓電超聲 法檢測的是超聲波信號，但傳感器是貼在設備外殼上檢測設備內部局部放電產生的超聲波 信號，雖然不易受到電磁噪聲的幹擾，但靈敏度不高。也有將壓電傳感器放置在設備外殼的 內部，在油中檢測局部放電的，但由於壓電超聲傳感器在油中檢測靈敏度不高，同時不能放 在電位較高處進行測量，使其檢測方法受到限制。
[0003] 光學方法測量電氣設備局部放電的技術有三種-直接探測可見光法、法拉第磁 光效應法和光-超聲波法。直接探測可見光法只適合於用透明電介質作為絕緣材料的高壓 電器設備，不適用於以固體電介質、液體電介質作為絕緣材料的高壓電器設備的局部放電 檢測；基於法拉第磁光效應原理的光線電流傳感器只適合固定形狀的高壓電器設備的局部 放電檢測，而且不能排除來自現場空間的強磁場幹擾和無法辨別從高壓電器設備接地線上 串擾的電磁脈衝信號；光-超聲波法傳感器具有體積小、損耗低、幹擾小、絕緣性能好和防 爆防腐蝕的優點而具有廣泛的應用前景。
[0004] 光-超聲波法包括光纖光柵測超聲振動法和光線幹涉測超聲振動法光纖幹涉 法測超聲振動有三種方法：光纖麥可遜（Michelson)幹涉法、光纖馬赫-澤德爾幹涉 (Mach-Zehnder)法和法布裡-帕羅（Fabry-Perot)幹涉法。麥可遜法檢測系統的靈敏 度不高，且存在超聲波傳播的多路徑問題；光纖馬赫-澤德爾幹涉法解調頻率響應不夠高、 結構複雜，對設備要求高；光纖法布裡-帕羅法則具有結構簡單，體積小，高可靠性，高靈敏 度，快時間響應，抗幹擾能力強等優點受到人們普遍的關注。
[0005] 目前國內研究的光纖 EFPI (extrinsic Fabry-Perot interferometer，夕卜腔式法布 裡-帕羅幹涉型傳感器），主要用於溫度、應變、壓力等緩變量的測量，尚不適合高頻快速的 局部放電檢測。
[0006] 光纖外腔式琺珀傳感頭，一般，由光纖01、絕緣支架02、矽套管03和矽薄膜片04 組成，矽薄膜片04與矽套管03之間通過二氧化碳雷射熱熔的方法實現固定密封，絕緣支架 02與矽套管03之間通過二氧化碳雷射熱熔的方法實現固定密封，以及絕緣支架02與光纖 01通過二氧化碳雷射熱熔的方法實現固定密封，（在傳感頭的製作過程中要保證）矽薄膜 片04的中心與光纖的中心對齊。


【發明內容】

[0007] 本發明的目的針對國內研究的光纖EFPI型傳感器主要用於溫度、應變、壓力等緩 變量的測量，尚不適合高頻快速的局部放電檢測的不足，提出了一種複眼式光纖EFPI的局 部放電方向檢測方法。
[0008] 複眼式光纖EFPI局部放電方向檢測系統由窄帶光源、光濾波器、光分路器、五個 相同的光環形器、五個單模光纖、五個相同的光電探測器、五個相同的放大器、複眼式光纖 外腔式法拍傳感器和不波器組成；複眼式光纖外腔式法拍傳感器由五個相同的光纖外腔式 法拍傳感頭組成，五個相同的光纖外腔式法拍傳感頭之中一個光纖外腔式法拍傳感頭位於 中間，其餘四個光纖外腔式琺珀傳感頭均勻放置四周，且均與中間光纖外腔式琺珀傳感頭 呈45度角。
[0009] 所述窄帶光源與光濾波器和光分路器依次相連；所述光分路器將經過光濾波器過 濾後的光均分為五條光路，每條光路與五個相同的光環形器之一光環形器、五個單模光纖 之一單模光纖、五個相同的光纖外腔式法拍傳感頭之一光纖外腔式法拍傳感頭依次相連； 所述五個相同的光環形器之一光環形器還再與五個相同的光電探測器之一光電探測器、五 個相同的放大器之一放大器一一各自依次相連；五個相同的放大器均與示波器相連。
[0010] 根據此複眼式光纖EFPI局部放電方向檢測系統的複眼式光纖EFPI局部放電方向 檢測方法--
[0011] 一種複眼式光纖EFPI的局部放電方向檢測方法，該方法包括以下步驟：
[0012] 步驟1 :利用複眼式光纖EFPI局部放電方向檢測系統，將五個相同的放大器輸出 的電壓信號連接到示波器的五個通道上，示波器採用邊沿自觸發方式，將觸發電平調到合 適的位置；
[0013] 步驟2 :供電，使各器件處於工作狀態；
[0014] 步驟3 :將複眼式光纖外腔式琺珀傳感器放置在絕緣杆的頂端，觀察示波器五個 通道的信號變化，當有局部放電時，所述複眼式光纖外腔式琺珀傳感器（10)中的五個相同 的光纖外腔式琺珀傳感頭（6)均會有震蕩的脈衝信號；如果位於中間的光纖外腔式琺珀傳 感頭的局部放電信號不是五個信號中最強的，則向信號最強的光纖外腔式琺珀傳感頭的方 向轉動絕緣杆；
[0015] 步驟4 :重複步驟3,直到局放脈衝的幅值最大的通道為位於中間的光纖外腔式琺 珀傳感頭；微調光纖外腔式琺珀傳感頭的方向，直到位於中間的光纖外腔式琺珀傳感頭的 局放脈衝幅值最大，而且放置於四周的光纖外腔式琺珀傳感頭的局放脈衝幅值大致相等； 那麼，複眼式光纖外腔式法拍傳感器中位於中間的光纖外腔式法拍傳感頭的朝向，即為局 部放電點的方向。
[0016] 本發明可以靈敏地測量高頻信號，用於局部放電在線監測。
[0017] 本發明的有益效果：
[0018] 1、本發明具有靈敏度高，方向性好，抗幹擾能力強的特點，能抑制超聲振動多路徑 傳播帶來的影響。且傳感器探頭小，可以作為一種點式傳感器，很方便安裝在電力設備的重 點部位進行局部放電的檢測。
[0019] 2、本發明可以靈敏地測量高頻信號，用於局部放電在線監測。
[0020] 3、本發明首次提出複眼式傳感器確定局部放電點方向的方法，並設計了五探頭傳 感器，能方便準確地進行局部放電方向定位。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1為複眼式光纖EFPI局部放電方向檢測系統結構示意圖。
[0022] 圖2為複眼式光纖外腔式琺珀傳感器（立體）結構示意圖。
[0023] 圖3為現有單個光纖外腔式琺珀傳感頭的結構示意圖。
[0024] 圖4為光強與膜反射率及腔長關係示意圖。
[0025] 圖5為光強峰峰值最大區間內，光強與腔長的關係示意圖。
[0026] 圖6為局放儀、光纖EFPI傳感器與壓電陶瓷傳感器檢測的局放信號示意圖。
[0027] 圖7為空載加壓時，局放儀、光纖EFPI傳感器、壓電陶瓷的檢測信號示意圖。
[0028] 圖8為壓電陶瓷傳感器衰減度、複眼式光纖外腔式琺珀傳感器衰減度示意圖。其 中，圖（a)為壓電陶瓷傳感器衰減度示意圖；圖（b)為複眼式光纖外腔式琺珀傳感器衰減度 示意圖。
[0029] 圖9為探頭角度設置示意圖。
[0030] 圖10為光纖EFPI傳感器10?90°角度響應曲線圖。
[0031] 其中，1-窄帶光源、2-光濾波器、3-光分路器、4-光環形器、5單模光纖、
[0032] 6-光纖外腔式法拍傳感頭、7-光電探測器、8-放大器、9-不波器、10-複眼式光纖 外腔式琺珀傳感器，01-光纖，02-絕緣支架，03-矽套管，04-矽薄膜片。

【具體實施方式】
[0033] 下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明。
[0034] 圖1為複眼式光纖EFPI局部放電方向檢測系統結構示意圖。如圖1所示，以波長 定在1310nm的單色光源為例說明，一種複眼式光纖EFPI局部放電方向檢測系統，該系統結 構為：
[0035] 1)波長定在1310nm的單色光源，由窄帶光源1通過光纖濾波器過濾得到單色波長 光源。窄帶光源1選擇SLED型光源，濾波器選用1310nm光纖帶通濾波器。
[0036] 2)光纖選用1310nm單模光纖，其中心玻璃芯直徑9um，包層外直徑125um。經測試 發現在1310nm波長處，單模光纖的總色散為零。從光纖的損耗特性來看，1310nm處也是光 纖的一個低損耗窗口。所以選擇本發明光源選擇在1310nm處。
[0037] 3)光電探測器7選擇PIN光電二極體，具有入射光量和輸出電流的線性好；響應 速度快；輸出誤差小；環境溫度變化所引起的輸出變動小；製作簡單；可靠性高的特點。
[0038] 4)光纖環形器是只允許某埠的入射光從確定埠輸出而反射光從另一埠輸 出的非互易性器件。為保證光纖沿指定路徑傳播，需使用光環形器4。
[0039] 5)由於現階段製造技術原因，窄帶光源1、光濾波器2等硬體設備在加工過程中也 不能保證參數完全一致，信號輸入也會有分散性，因此，為儘可能減少測試結果的分散性， 需要選用光分路器3。
[0040] 6)系統設計的光電的放大器8採用三級放大，其中每級放大電路保持一致，串聯 起來。單級放大電路如圖1所示。前置放大器選擇0PA637.
[0041] 7)光纖外腔式琺珀傳感頭的設計
[0042] 光纖外腔式琺珀傳感頭的設計是複眼式光纖外腔式琺珀傳感器系統的核心。光纖 外腔式琺珀傳感頭的結構如圖2所示，圖2為複眼式光纖外腔式琺珀傳感器（立體）結構 示意圖。圖2中可以看到矽薄膜片與矽套管並非垂直，而是存在一定的角度。圖3為現有 單個光纖外腔式琺珀傳感頭的結構示意圖，一般，一個光纖外腔式琺珀傳感頭由光纖01、絕 緣支架02、矽套管03和矽薄膜片04組成，通過二氧化碳雷射熱熔的方法實現矽薄膜片04 與矽套管03,矽套管03與絕緣支架02,以及絕緣支架02與光纖01之間的固定密封，在傳 感頭的製作過程中要保證矽薄膜片04的中心與光纖01的中心對齊。
[0043] 對模型經過仿真，得出角度越大，膜的反應頻率越低。本發明採用矽薄膜片04與 矽套管03垂直的結構。
[0044] a)娃薄膜片的設計
[0045] 矽薄膜片採用石英膜。矽薄膜片的設計包括膜的靈敏度及頻率響應的確定。膜片 中心的壓強靈敏度的表達式為：
[0046]

【權利要求】
1. 一種複眼式光纖EFPI的局部放電方向檢測方法，所述複眼式光纖EFPI由五個相同 的光纖外腔式法拍傳感頭組成，五個相同的光纖外腔式法拍傳感頭之中一個光纖外腔式法 珀傳感頭位於中間，其餘四個光纖外腔式琺珀傳感頭均勻放置四周，且均與中間光纖外腔 式法拍傳感頭呈45度角，複眼式光纖EFPI與窄帶光源、光濾波器、光分路器、五個相同的光 環形器、五個單模光纖、五個相同的光電探測器、五個相同的放大器和示波器組成複眼式光 纖EFPI局部放電方向檢測系統；其特徵是，該方法包括以下步驟： 步驟1 :利用複眼式光纖EFPI局部放電方向檢測系統，將五個相同的放大器輸出的 電壓信號連接到示波器的五個通道上，示波器採用邊沿自觸發方式，將觸發電平調到位置 上； 步驟2 :供電，使各器件處於工作狀態； 步驟3 :將複眼式光纖外腔式琺珀傳感器放置在絕緣杆的頂端，觀察示波器五個通道 的信號變化，當有局部放電時，複眼式光纖外腔式法拍傳感器中的五個相同的光纖外腔式 琺珀傳感頭均會有震蕩的脈衝信號；如果位於中間的光纖外腔式琺珀傳感頭的局部放電信 號不是五個信號中最強的，則向信號最強的光纖外腔式琺珀傳感頭的方向轉動絕緣杆； 步驟4 :重複步驟3,直到局放脈衝的幅值最大的通道為位於中間的光纖外腔式琺珀傳 感頭；微調光纖外腔式琺珀傳感頭的方向，直到位於中間的光纖外腔式琺珀傳感頭的局放 脈衝幅值最大，而且放置於四周的光纖外腔式琺珀傳感頭的局放脈衝幅值大致相等；那麼， 複眼式光纖外腔式琺珀傳感器中位於中間的光纖外腔式琺珀傳感頭的朝向，即為局部放電 點的方向。
【文檔編號】G01R31/12GK104062569SQ201410323983
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月8日 優先權日:2014年7月8日
【發明者】張映月, 王銘民, 張春燕, 王偉, 秦曉東, 何東欣, 滕俊, 杜家振, 周志成, 李富平, 周源, 盛吉, 秦偉 申請人:國家電網公司, 江蘇省電力公司, 江蘇省電力公司揚州供電公司, 華北電力大學, 江蘇省電力公司電力科學研究院