光纤外腔式珐珀传感器阵列的变压器局部放电检测系统

1.一种基于光纤外腔式珐珀传感器阵列的变压器局部放电检测系统，所述光纤外腔式珐珀传感器阵列的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、4个光电探测器、4个放大器和示波器组成；其特征在于，该局部放电检测系统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；其中，变压器顶部的测温槽相对设置，变压器顶部两侧的法兰槽相对设置；所述窄带光源、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；所述光电探测器为PIN光电二极管。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤外腔式珐珀传感器阵列的变压器局部放电检测系统，其特征在于，所述窄带光源为SLED型波长为1310nm的单色光源。
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阵列的变压器局部放电检测系统，其特征在于，所述光滤波器为1310nm光纤带通滤波器。
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阵列的变压器局部放电检测系统，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9μm，包层外直径
125μm。

光纤外腔式珐珀传感器阵列的变压器局部放电检测系统\n技术领域\n[0001] 本发明属于电力变压器设备局部放电在线监测技术领域,特别涉及一种光纤外腔式珐珀传感器阵列的变压器局部放电检测系统。\n背景技术\n[0002] 目前国内外变压器局部放电在线监测有多种方法，主要包括甚高频(VHF)脉冲电流检测法、超高频(UHF)电磁波检测法和压电传感器超声波检测法，其中VHF和UHF检测法检测的是电信号，容易受到电磁干扰信号的干扰；压电超声法检测的是超声波信号，但传感器是贴在设备外壳上的，其检测设备内部局部放电产生的超声波信号，虽然不易受到电磁噪声的干扰，但灵敏度不高。也有将压电传感器放置在设备外壳的内部，在油中检测局部放电的，但由于压电超声传感器在油中检测灵敏度也不高，同时不能放在电位较高处进行测量，使其检测方法受到限制。\n[0003] 光学方法测量电气设备局部放电的技术有三种——直接探测可见光法、法拉第磁光效应法和光-超声波法。直接探测可见光法只适合于用透明电介质作为绝缘材料的高压电器设备，不适用于以固体电介质、液体电介质作为绝缘材料的高压电器设备的局部放电检测；基于法拉第磁光效应原理的光线电流传感器只适合固定形状的高压电器设备的局部放电检测，而且不能排除来自现场空间的强磁场干扰和无法辨别从高压电器设备接地线上串扰的电磁脉冲信号；光-超声波法传感器具有体积小、损耗低、干扰小、绝缘性能好和防爆防腐蚀的优点而具有广泛的应用前景。\n[0004] 光-超声波法包括光纤光栅测超声振动法和光线干涉测超声振动法，光纤干涉法测超声振动有三种方法：光纤迈克尔逊(Michelson)干涉法、光纤马赫-泽德尔干涉(Mach-Zehnder)法和法布里-帕罗(Fabry-Perot)干涉法。迈克尔逊法检测系统的灵敏度不高，且存在超声波传播的多路径问题；光纤马赫-泽德尔干涉法解调频率响应不够高、结构复杂，对设备要求高；光纤法布里-帕罗法则具有结构简单，体积小，高可靠性，高灵敏度，快时间响应，抗干扰能力强等优点受到人们普遍的关注。\n[0005] 目前国内研究的光纤EFPI(extrinsic Fabry-Perot interferometer，外腔式法布里-帕罗干涉型传感器)，主要用于温度、应变、压力等缓变量的测量，尚不适合高频快速的局部放电检测。\n[0006] 图2所示的光纤外腔式珐珀传感头由光纤01、绝缘支架02、硅套管03和硅薄膜片04组成，硅薄膜片04与硅套管03之间通过二氧化碳激光热熔的方法实现固定密封，绝缘支架\n02与硅套管03之间通过二氧化碳激光热熔的方法实现固定密封，以及绝缘支架02与光纤01通过二氧化碳激光热熔的方法实现固定密封，(在传感头的制作过程中要保证)硅薄膜片04的中心与光纤的中心对齐。在复眼式光纤EFPI局部放电检测系统中5个光纤外腔式珐珀传感头按角度布置于被测电气设备的局部放电位置，形成复眼式传感器检测局部放电系统。\n国内研究的光纤外腔式珐珀传感器主要用于温度、应变、压力等缓变量的测量，尚不适合高频快速的局部放电的检测。\n发明内容\n[0007] 本发明的目的是提出了一种光纤外腔式珐珀传感器阵列的变压器局部放电检测系统，其特征在于，所述光纤外腔式珐珀传感器阵列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、\n4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。\n[0008] 所述在变压器顶部的测温槽相对设置。\n[0009] 所述在变压器顶部两侧的法兰槽相对设置。\n[0010] 所述光电探测器为PIN光电二极管。\n[0011] 本发明的有益效果是用于局部放电在线监测，可以灵敏地测量高频信号，具有如下特点：\n[0012] 1.具有灵敏度高，信号收集能力强，操作方便，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。且由于传感器探头小，可以作为一种点式传感器，很方便安装在变压器顶部测温槽和法兰槽油中进行局部放电的检测。\n[0013] 2.将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传感头，使得此时传感器接收到的信号不再与信号源位置与传感头石英膜片垂直方向间的夹角有关系，并且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。\n附图说明\n[0014] 图1为光纤外腔式珐珀传感器变压器局部放电检测系统结构示意图。\n[0015] 图2为现有单个光纤外腔式珐珀传感器的结构示意图。\n[0016] 图3为变压器上光纤外腔式珐珀传感器变压器局部放电检测系统安装布置示意图。\n[0017] 图4为光纤外腔式珐珀传感器在变压器测温/法兰槽中的放置示意图。\n[0018] 其中，1-窄带光源、2-光滤波器、3-光分路器、4-光环形器、5单模光纤、6-光纤外腔式珐珀传感头、7-光电探测器、8-放大器、9-示波器、10-外腔式珐珀传感器阵列，01-光纤，\n02-绝缘支架，03-硅套管，04-硅薄膜片。\n具体实施方式\n[0019] 本发明提出了一种光纤外腔式珐珀传感器阵列的变压器局部放电检测系统，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。\n[0020] 图1为光纤外腔式珐帕传感器阵列的变压器局部放电检测系统结构示意图。如图1所示，光纤外腔式珐珀传感器局部放电检测系统由窄带光源1、光滤波器2、光分路器3、4个光环形器4、4个单模光纤5、4个光纤外腔式珐珀传感器6和4个光电探测器7、4个放大器8和示波器9组成；其中两个光纤外腔式珐珀传感器6放置在变压器顶部相对设置的测温槽12油中，另外两个放置在变压器顶部两侧相对设置的法兰槽13中(如图3、图4所示)；所述窄带光源1、光滤波器2和光分路器3依次相连，光分路器3分4路依次、对应的与4个相同的光环形器\n4、4个相同的单模光纤5和4个相同的光纤外腔式珐珀传感器6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10；在光分路器与4个光环形器之间，4个光环形器4再分别与对应的4个光电探测器7、4个放大器8依次连接；四个相同的放大器均与示波器\n9(四通道示波器)相连。\n[0021] 以波长定在1310nm的单色光源为例说明，一种基于光纤外腔式珐帕传感器的变压器局部放电检测系统，该系统结构为：\n[0022] 1)波长定在1310nm的单色光源，由窄带光源1通过光纤滤波器过滤得到单色波长光源。窄带光源1选择SLED型光源，滤波器选用1310nm光纤带通滤波器。\n[0023] 2)光纤选用1310nm单模光纤，其中心玻璃芯直径9um，包层外直径125um。经测试发现在1310nm波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，1310nm处也是光纤的一个低损耗窗口。所以选择本发明光源选择在1310nm处。\n[0024] 3)光电探测器7选择PIN光电二极管，具有入射光量和输出电流的线性好；响应速度快；输出误差小；环境温度变化所引起的输出变动小；制作简单；可靠性高的特点。\n[0025] 4)光纤环形器是只允许某端口的入射光从确定端口输出而反射光从另一端口输出的非互易性器件。为保证光纤沿指定路径传播，需使用光环形器4。\n[0026] 5)由于现阶段制造技术原因，窄带光源1、光滤波器2等硬件设备在加工过程中也不能保证参数完全一致，信号输入也会有分散性，因此，为尽可能减少测试结果的分散性，需要选用光分路器3。\n[0027] 6)系统设计的光电的放大器8采用三级放大，其中每级放大电路保持一致，串联起来。\n[0028] 7)光纤外腔式珐珀传感器安装位置设计\n[0029] 本发明首次提出将光纤外腔式珐珀传感器置于变压器测温槽和法兰槽中，对变压器内部局部放电进行在线监测，槽体结构相当于信号收集器，在避免了光纤外腔式珐珀传感器受到变压器内部油压影响的同时消除了光纤外腔式珐珀传感器的角度响应。在合理布置四个光纤外腔式珐珀传感器位置的情况下，能有效避免局部放电信号被变压器结构阻拦，并能粗略的进行局部放电位置判定。\n[0030] [性能验证性实验]:\n[0031] 本发明的传感头的性能可以通过图1所示单路光纤外腔式珐珀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珐珀传感器检测系统分别同时测量局部放电信号。\n[0032] 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，这也说明了超声波传感器具有良好的抗电磁干扰能力，并且光纤外腔式珐珀传感器相比压电陶瓷传感器具有更好的抗干扰能力。同时可以看到压电陶瓷衰减度相对光纤外腔式珐珀传感器衰减较快，在30cm处已基本检测不到局部放电信号，而光纤外腔式珐珀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，这证明光纤外腔式珐珀传感器灵敏度较高，能检测到微弱的局部放电信号。\n[0033] 本发明首次提出将光纤外腔式珐珀传感器放置在变压器顶部测温槽和法兰槽中实现变压器局部放电在线监测的方法，并能设计了对应检测系统。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。\n将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传感头，使得此时传感头接收到的信号不再与信号源位置与传感头石英膜片垂直方向间的夹角有关系，并且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。本发明可以灵敏地测量高频信号，用于局部放电在线监测。