CN104808125A - 基于光纤布喇格光栅的变压器油中局部放电检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力设备检测技术领域，尤其涉及一种基于光纤布喇格光栅的变压器油中局部放电检测系统，包括：在油浸式电力变压器腔体内布置的光纤布喇格光栅传感器、激光源、光耦合器、光电探测器、数字波形记录系统、环境温度传感器、反馈电路。激光源输出特定波长的光，通过光耦合器发射到光纤布喇格光栅传感器，光纤布喇格光栅传感器将接收到的变压器局部放电超声信号转换为光强信号的反射光后传输到光电探测器，数字波形记录系统记录下光电探测器输出的电信号；环境温度传感器测定环境温度，并通过反馈电路来改变激光源的输出波长，确保输出波长与光纤布喇格光栅传感器的工作波长一致。本发明绝缘性能好，能够适应复杂工况，测量灵敏度较高。
Description
技术领域
本发明属于电力设备检测技术领域，尤其涉及一种基于光纤布喇格光栅的变压器油中局部放电检测系统。
背景技术
电力变压器是电力系统能量传输中非常重要的设备之一，其安全稳定运行对电网的可靠供电至关重要。局部放电在线监测技术是诊断电力变压器绝缘缺陷，提前发现潜在故障的最有效的状态检测手段之一。其中，局部放电超声波检测法是目前应用较为广泛的一种非破坏性检测方法，利用超声波传感器接收局部放电产生的超声信号，实现对局部放电强弱和位置的检测。该方法无需检测电信号，有一定的抗电气干扰能力，并且能够实现定位，使之在局部放电检测中应用广泛。通过超声波法检测局部放电，对早发现早预防变压器的潜在故障，以及实现变压器的在线监测和提高其运行可靠性，均具有的相当重要的指导意义。
变压器局部放电超声检测中目前最常用的方法是利用压电陶瓷式换能器作为超声传感器。在检测超声波的过程中，将压电陶瓷换能器通过耦合剂以及夹持装置，固定在变压器油箱壁上接收变压器内部局部放电产生的超声脉冲信号。然后，利用压电陶瓷材料的压电效应将接收到的超声波转换成电信号，通过对电信号的分析，判断变压器内部局放强弱。利用局部放电时产生的电信号和声信号之间的相对时间差或声信号和声信号之间的时间差，可判断局部放电的空间位置，实现变压器局部放电的检测。上述超声波检测法由于检测非电信号，且传感器与检测设备之间采用光纤连接，能够较好的隔离检测设备和高压电气设备，使得该法具有一定的抗电气干扰能力，并且通过分析信号时间差能够方便定位，减少了变压器故障的检修时间，为变压器潜在故障的诊断提供了可靠依据。
现有压电陶瓷式传感器的超声检测法也存在一些缺点：
(1)灵敏度低，由于油箱内超声的传播过程复杂，且到达油箱壁外的超声信号微弱，使得整个系统的检测灵敏度较低。
(2)易受电磁干扰，虽然压电陶瓷传感器靠光纤连接，具有一定的抗电气干扰能力，但是在现场应用中，绝缘性能较差，仍然会受电磁干扰影响。
(3)不易于多点测量，使用压电传感探头只能进行单点检测，不能实现多点测量。
(4)易受环境影响，压电陶瓷传感器不适合于高温、易燃、腐蚀等环境，同时由于体积、质量等因素的影响，难以在恶劣、狭小环境下使用。
发明内容
基于现有变压器局部放电超声检测法的不足，本发明提出了一种基于光纤布喇格光栅的变压器油中局部放电检测系统，包括：包括传感单元、解调采集单元和温度补偿单元；
其中，传感单元包括：在油浸式电力变压器腔体内布置的光纤布喇格光栅传感器；解调采集单元包括：激光源、光耦合器、光电探测器以及数字波形记录系统；温度补偿单元包括环境温度传感器和反馈电路；激光源、光纤布喇格光栅传感器、光电探测器分别通过单模光纤与光耦合器相连；数字波形记录系统与光电探测器相连；环境温度传感器布置在油浸式电力变压器腔体外壁上，通过反馈电路与激光源相连。
所述激光源输出特定波长的光，通过光耦合器发射到光纤布喇格光栅传感器，光纤布喇格光栅传感器将接收到的变压器局部放电超声信号转换为光强信号，光纤布喇格光栅的反射光再经过光耦合器传输到光电探测器，光电探测器将光强信号转换为电信号，数字波形记录系统记录下光电探测器输出的电信号；环境温度传感器用于动态测定环境温度，并通过反馈电路来改变激光源的输出波长，确保输出波长与温度变化后光纤布喇格光栅传感器的工作波长一致。
所述光纤布喇格光栅的长度小于所测超声波波长一半长度的最大值，以最大限度的提高检测灵敏度。
所述光纤布喇格光栅为均匀周期的栅区长度为12mm的光纤布喇格光栅，或为非均匀周期的π相移光纤布喇格光栅。
所述光纤布喇格光栅的粘贴方式为直接将栅区部分粘贴至变压器油箱内壁，或仅粘贴靠近光纤布喇格光栅与光耦合器连接的接头一侧距离栅区0.5mm的部分。
所述激光源为可调谐激光器或分布式反馈激光器。
所述光纤布喇格光栅传感器布置在油浸式电力变压器腔体内壁上，与环境温度传感器安装位置相对应。
所述光纤布喇格光栅的理想工作波长通过利用可调谐激光器的波长扫描功能来获得光纤布喇格光栅波长变化梯度分布，然后选取光纤布喇格光栅波长上升沿或下降沿中梯度最大的波长为工作波长，使系统的检测灵敏度和线性度达到最优状态。
本发明的有益效果在于：
(1)绝缘性能好，具有非常好的抗电磁干扰能力，易实现在线监测。
(2)能够适应复杂工况。便于安装在环境恶劣、狭小的空间进行检测。
(3)测量灵敏度较高。检测系统线性度好，可以有效提高检测灵敏度。
附图说明
图1为本发明的变压器油中局部放电超声检测系统示意图。
图2为本发明的系统工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例进行详细说明。
本发明提出了一种基于光纤布喇格光栅超声传感技术的变压器油中局部放电检测系统，该系统利用光纤布喇格光栅作为超声波传感器，利用可调谐激光边沿解调技术对所测信号进行解调，具有较高的测量灵敏度和精度。以下为变压器油中局部放电超声检测系统的详细介绍。
基于光纤布喇格光栅超声传感技术的变压器油中局放检测系统，如图1所示，主要由传感单元、解调采集单元和温度补偿单元组成。其中，传感单元主要由光纤布喇格光栅传感器在油浸式电力变压器腔体内布置而成，达到检测变压器油中局部放电超声信号的目的；解调采集单元主要由可调谐激光器、光耦合器、光电探测器以及数字示波器组成，通过将传感单元接收到的超声信号转换为光强信号，进而转换为电信号，以达到高精度检测的目的。温度补偿单元包括环境温度传感器和反馈电路，环境温度传感器用于动态测定环境温度，反馈电路用于改变激光源的输出波长，确保所输出波长与温度变化后光纤布喇格光栅传感器的工作波长一致。
(1)传感单元，主要通过内置于变压器油箱中的光纤布喇格光栅实现局放超声信号的检测。其中，布喇格光栅应该选取小于超声波波长一半长度的最大值，这样既可以保证布喇格光栅能够有效检测到超声信号，同时，栅区长度不至于太短，光纤布喇格光栅反射谱相对较陡，保证了反射光强与波长的线性度和检测灵敏度。
(2)解调采集单元，主要工作原理如图2所示，可调谐窄带激光器发出的光波长为λTL，经过耦合器传入光纤布喇格光栅中，光纤布喇格光栅反射光经过耦合器传输到光电转换器中，光电转换器将光强信号转化成电信号，由数字示波器采集显示。当超声波作用于光纤布喇格光栅时，光纤光栅受到超声波振动的微扰，其输出的反射波波长在一定范围Δλ内漂移，引发反射光中λTL波段的光强发生变化，进而导致示波器采集到的电压幅值发生变化，最终，实现油中超声信号的检测。
其中，可调谐激光器发出的激光波长λTL应该根据试验中选用的光纤布喇格光栅的布喇格波长进行设置，即将光源发出的激光波长调整在光纤布喇格光栅反射谱的线性斜坡处。这是由于FBG反射谱和激光光谱都属于高斯分布，其斜坡处近似线性区域，且激光光谱的带宽远远小于FBG反射谱带宽，当光源光谱落在这段线性区间时，能最大程度的保证测试系统的线性度。
可调谐激光器波长的具体调整方法：对光纤布喇格光栅施加一固定频率、幅值的超声信号，使之产生振动。利用可调谐激光器的波长扫描功能，设置其扫描参数，使激光器发出的激光波长在一定范围内按一定速度进行扫描，同时观察示波器中电信号的电压峰峰值。当峰峰值最大时，对应的激光波长为需要设定的波长值，此时，系统的检测灵敏度和线性度最优。
(3)温度补偿单元。主要包括环境温度传感器和反馈电路，环境温度传感器布置在油浸式电力变压器腔体外壁上，用于动态测定FBG所在环境温度；反馈电路依据温度传感器所检测到的温度变化，改变激光源的输出波长，确保所输出波长与温度变化后光纤布喇格光栅传感器的工作波长一致，进一步保证系统的检测灵敏度。
本发明将光纤布喇格光栅波长检测转化为光强检测，利用波长和光强之间的线性关系，可以实现光纤布喇格光栅对油中超声波的高频率、高精度检测。
本发明提出基于光纤布喇格光栅超声传感技术的变压器油中局部放电超声信号的检测系统，能够克服传统超声传感的一些不足，以满足变压器油中局部放电超声信号检测的特定要求。在本发明中，提出利用光纤布喇格光栅作为超声传感器，利用可调谐激光边沿解调技术对所测信号进行解调，得到电信号。由于激光边沿解调技术中将光信号转换为电信号，大大的提高了系统的测量范围和测量灵敏度。
该发明具有如下优势：(1)绝缘性能好，不受电磁干扰。光纤布喇格光栅材料本身具有很好绝缘性能，并且检测设备和电气设备之间的连接也是通过单模光纤，具有非常好的抗电磁干扰能力，性能稳定，易实现变压器局放在线监测。(2)能够适应复杂工况。与其压电陶瓷传感器相比，光纤布喇格光栅具有质量轻、体积小、耐腐蚀等优点，便于安装在环境恶劣、狭小的空间进行检测。(3)测量灵敏度较高。光纤布喇格光栅超声检测系统具有非常好的线性度，通过将光信号转换为电信号，实现对油中超声信号的检测，可以有效提高检测灵敏度。(4)具有发展空间，可以将油中光纤布喇格光栅传感器串联多个栅区，多点布置在变压器油箱中，以实现分布式测量和对油中局放的定位，提高测量效率，同时提高经济效益。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于光纤布喇格光栅的变压器油中局部放电检测系统，其特征在于，包括：包括传感单元、解调采集单元和温度补偿单元；
其中，传感单元包括：在油浸式电力变压器腔体内布置的光纤布喇格光栅传感器；解调采集单元包括：激光源、光耦合器、光电探测器以及数字波形记录系统；温度补偿单元包括环境温度传感器和反馈电路；激光源、光纤布喇格光栅传感器、光电探测器分别通过单模光纤与光耦合器相连；数字波形记录系统与光电探测器相连；环境温度传感器布置在油浸式电力变压器腔体外壁上，通过反馈电路与激光源相连。
2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述光纤布喇格光栅的长度小于所测超声波波长一半长度的最大值，以最大限度的提高检测灵敏度。
3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述光纤布喇格光栅为均匀周期的栅区长度为12mm的光纤布喇格光栅，或为非均匀周期的π相移光纤布喇格光栅。
4.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述光纤布喇格光栅的粘贴方式为直接将栅区部分粘贴至变压器油箱内壁，或仅粘贴靠近光纤布喇格光栅与光耦合器连接的接头一侧距离栅区0.5mm的部分。
5.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述激光源为可调谐激光器或分布式反馈激光器。
6.根据权利要求5所述系统，其特征在于，所述光纤布喇格光栅的理想工作波长通过利用可调谐激光器的波长扫描功能来获得光纤布喇格光栅波长变化梯度分布，然后选取光纤布喇格光栅波长上升沿或下降沿中梯度最大的波长为工作波长，使系统的检测灵敏度和线性度达到最优状态。
7.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述光纤布喇格光栅传感器布置在油浸式电力变压器腔体内壁上，与环境温度传感器安装位置相对应。
8.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7所述系统，其特征在于，所述激光源输出特定波长的光，通过光耦合器发射到光纤布喇格光栅传感器，光纤布喇格光栅传感器将接收到的变压器局部放电超声信号转换为光强信号，光纤布喇格光栅的反射光再经过光耦合器传输到光电探测器，光电探测器将光强信号转换为电信号，数字波形记录系统记录下光电探测器输出的电信号；环境温度传感器用于动态测定环境温度，并通过反馈电路来改变激光源的输出波长，确保输出波长与温度变化后光纤布喇格光栅传感器的工作波长一致。
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