基于光纤外腔式珐珀传感器的变压器局部放电检测方法

摘要

本发明涉及属于电气变压器设备局部放电在线监测技术领域的一种基于光纤外腔式珐珀传感器的变压器局部放电检测方法。将四个光纤外腔式珐珀传感器分别放置在变压器顶部与变压器一体的两个测温槽和两个法兰槽的油中，槽体结构相当于超声信号收集器，变压器局放产生的超声信号通过变压器油或变压器固体结构传播到槽体上并通过槽中变压器油传至传感头。此时接收到的信号强弱与信号源位置角度无关，传感器信号也更强，同时避免变压器内部油压对传感器的影响。四个位置的传感器同时工作避免了信号被变压器内部结构阻拦。本发明灵敏度高，信号收集能力强，操作方便，抗干扰能力强；不需要额外辅助结构也能很好的检测变压器局放情况。

权利要求

1.一种基于光纤外腔式珐珀传感器的变压器局部放电检测方法，该方法是利用基于光纤外腔式珐珀传感器的局部放电检测系统进行检测的；所述光纤外腔式珐珀传感器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4个光电探测器、4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；该方法包括以下步骤：步骤1，将四个相同的光纤外腔式珐珀传感器的两个光纤外腔式珐珀传感器放置安装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；四个光纤外腔式珐珀传感器的光纤分别连接到局部放电检测系统的四个通道上，其中示波器采用边沿自触发方式，将触发电平调到位置上；

步骤2：供电，使各器件处于工作状态；

步骤3：观察示波器显示的检测信号，当有局部放电时，光纤外腔式珐珀传感器会有震荡的脉冲信号；如果其中某个光纤外腔式珐珀传感头的局部放电信号明显较弱，则该光纤外腔式珐珀传感器位置和局放位置之间的路径上存在阻碍结构或放电位置与光纤外腔式珐珀传感头距离较大；如果其中某个光纤外腔式珐珀传感器的局部放电信号明显较强，则该光纤外腔式珐珀传感器位置靠近局部放电位置或光纤外腔式珐珀传感器位置和局放位置之间的路径上不存在阻碍结构，由此确定局放现象的存在以及放电位置所在的大致区域。

2.根据权利要求1所述一种基于光纤外腔式珐珀传感器的变压器局部放电检测方法，其特征在于，所述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，槽体结构收集信号并通过槽中变压器油传至光纤外腔式珐珀传感器，使得此时光纤外腔式珐珀传感器接收到的信号不再与信号源位置与传感器石英膜片垂直方向间的夹角有关系，并且光纤外腔式珐珀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。

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的变压器局部放电检测方法，其特征在于，所述窄带光源为SLED型波长为1310nm的单色光源。

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的变压器局部放电检测方法，其特征在于，所述光滤波器为1310nm光纤带通滤波器。

5.根据权利要求4所述的一种基于光纤外腔式珐珀传感器的变压器局部放电检测方法，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9um，包层外直径

125um。

6.根据权利要求1所述的一种基于光纤外腔式珐珀传感器的变压器局部放电检测方法，其特征在于，所述光电探测器为PIN光电二极管。

说明书

基于光纤外腔式珐珀传感器的变压器局部放电检测方法

技术领域

[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。特别涉及一种基于光纤外腔式珐珀传感器的变压器局部放电检测方法。

背景技术

[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。

[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。

[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。

[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。

[0006] 图2所示为光纤外腔式珐珀传感器结果示意图，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固定密封，绝缘支架02与硅套管03之间通过二氧化碳激光热熔固定密封，以及绝缘支架02与光纤01通过二氧化碳激光热熔固定密封，在传感器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。

[0007] 在过去的复眼式系统的传感器(EFPI)局部放电检测系统中，复眼式系统的传感器由按角度布置的5个光纤外腔式珐珀传感器组成；传感器接收到的信号的强度与信号源位置与传感器石英膜片垂直方向间的夹角有很大关系，使其检测方法受到限制。

发明内容

[0008] 本发明的目的提出了基于光纤外腔式珐珀传感器的变压器局部放电检测方法，该方法是利用基于光纤外腔式珐珀传感器的局部放电检测系统进行检测的，所述光纤外腔式珐珀传感器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、4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；该方法包括以下步骤：

[0009] 步骤1：将四个相同的光纤外腔式珐珀传感器的两个光纤外腔式珐珀传感器 放置安装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；四个光纤外腔式珐珀传感器的光纤分别连接到局部放电检测系统的四个通道上，其中示波器采用边沿自触发方式，将触发电平调到位置上；

[0010] 步骤2：供电，使各器件处于工作状态；

[0011] 步骤3：观察示波器显示的检测信号，，当有局部放电时，光纤外腔式珐珀传感器会有震荡的脉冲信号；如果其中某个光纤外腔式珐珀传感器的局部放电信号明显较弱，则该传感器位置和局放位置之间的路径上存在阻碍结构或放点位置与传感器距离较大；如果其中某个光纤外腔式珐珀传感器的局部放电信号明显较强，则该传感器位置靠近局部放电位置或传感器位置和局放位置之间的路径上不存在阻碍结构；由此确定局放现象的存在以及放点位置所在的大致区域。

[0012] 所述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光纤外腔式珐珀传感器，使得此时光纤外腔式珐珀传感器接收到的信号不再与信号源位置与传感器石英膜片垂直方向间的夹角有关系，并且光纤外腔式珐珀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。

[0013] 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：针对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检测的不足，

[0014] 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；并在合理布置四个传感器位置的情况下，能粗略的进行局部放电位置判定。

[0015] 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光纤外腔式珐珀传感器，使得此时光纤外腔式珐珀传感器接收到的信号不再与信号源位置与传感器石英膜片垂直方向间的夹角有关系，并且光纤外腔式珐珀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。

附图说明

[0016] 图1为基于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。

[0017] 图2为现有单个光纤外腔式珐珀传感头的结构示意图。

[0018] 图3为变压器上基于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。

[0019] 图4为传感头在变压器测温/法兰槽中的放置示意图。

[0020] 图5为光强峰峰值最大区间内，光强与腔长的关系示意图。

[0021] 图6为光强与膜反射率及腔长关系示意图。

[0022] 图7为局放仪、光纤EFPI传感器与压电陶瓷传感器检测的局放信号示意图。

[0023] 图8为压电陶瓷传感器衰减度、光纤外腔式珐珀传感器衰减度示意图。其中，图(a)为压电陶瓷传感器衰减度示意图；图(b)为光纤外腔式珐珀传感器衰减度示意图。

[0024] 图9为空载加压时，局放仪、光纤EFPI传感器、压电陶瓷的检测信号示意图。

[0025] 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器、7-光电探测器、8-放大器、9-示波器，01-光纤，02-绝缘支架，03-硅套管，04-硅薄膜片。

具体实施方式

[0026] 本发明提出了一种基于光纤外腔式珐珀传感器的变压器局部放电检测方法。下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

[0027] 图1为基于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。如图1所示，所述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放置在变压器顶部测温槽12油中，另外两个放置在变压器顶部两侧法兰槽13油中(如图3、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个光环形器4、4个单模光纤5和4个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6组成光纤外腔式珐珀传感器阵列10；在光分路器与4个光环形器之间连接点上，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8均与示波器9相连。

[0028] 下面以波长定在1310nm的单色光源为例说明，对光纤外腔式珐珀传感器变压器局部放电检测系统的结构说明如下：

[0029] 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。

[0030] 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。

[0031] 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。

[0032] 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。

[0033] 5)系统的放大器(光电)8采用三级放大，其中每级放大电路保持一致，串联起来。

[0034] 6)对本发明采用的光纤外腔式珐珀传感器的说明(如图2所示)

[0035] a)硅薄膜片的设计

[0036] 硅薄膜片采用石英膜。硅薄膜片的设计包括膜的灵敏度及频率响应的确定。膜片中心的压强灵敏度的表达式为：

[0037]

[0038] 最低固有频率的表达式为：

[0039]

[0040] 由公式发现，膜片的压强灵敏度与其半径的四次方成正比，与厚度的三次方成反比；而其固有频率与膜片的厚度成正比，与有效半径的平方成反比。灵敏度和频率响应是矛盾对立的，因此在设计时采取折中的办法，使膜片达到最佳的灵敏度和频响范围。选定半径R＝0.9mm、厚度h＝30，它们的最高频率响应及灵敏度为f＝101.5kHz，损耗校正因子η＝0.4155。

[0041] b)光纤外腔式珐珀传感器的腔体设计

[0042] 当腔长变化幅度较大时，传感器输出的光强将随着腔长周期变化。对于线性区域工作的光纤外腔式珐珀传感器，其初始工作点要求在Q点当入射光强为I0(λ)，光纤端面反射率为R1＝0.04，膜内表面反射率为R2，光纤外腔式珐珀传感头的腔长为l时，根据光学EFPI干涉仪的理论可以得出光纤外腔式珐珀传感器的输出光信号强度为：

[0043]

[0044] 式中， 为两束反射光的光程差。由式(3)可以推导出表征传感器信号质量的反射光强度及对比度公式为：

[0045]

[0046] 损耗校正因子η为：

[0047]

[0048] 将光源中心波长1310nm，n0＝1.455以及ω＝3.8μm代入式(5)。对干涉光强进行仿真结果如图5所示，图5为光强与膜反射率及腔长关系示意图。膜的反射率在0.35～0.36区间时，光强变化的峰峰值最大，这样对于我们选取静态工作 点是非常有利的。

[0049] 对膜反射率处于0.348～0.362之间时的光强与腔长的关系进行仿真，得到结果如图6所示。图6为光强峰峰值最大区间内，光强与腔长的关系示意图。根据分析，确定腔长为50.58μm时，光强处于中间位置，也就是合适的静态工作点Q。

[0050] 基于光纤外腔式珐珀传感器变压器局部放电检测系统的局部放电检测方法为：该方法是利用基于光纤外腔式珐珀传感器的局部放电检测系统进行检测的，包括以下步骤：

[0051] 步骤1，将四个相同的光纤外腔式珐珀传感器的两个光纤外腔式珐珀传感器放置安装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；四个光纤外腔式珐珀传感器的光纤分别连接到局部放电检测系统的四个通道上，其中示波器采用边沿自触发方式，将触发电平调到位置上；

[0052] 步骤2：供电，使各器件处于工作状态；

[0053] 步骤3：观察示波器显示的检测信号，当有局部放电时，光纤外腔式珐珀传感器会有震荡的脉冲信号；如果其中某个光纤外腔式珐珀传感器的局部放电信号明显较弱，则该光纤外腔式珐珀传感器位置和局放位置之间的路径上存在阻碍结构或放点位置与光纤外腔式珐珀传感器距离较大；如果其中某个光纤外腔式珐珀传感器的局部放电信号明显较强，则该光纤外腔式珐珀传感器位置靠近局部放电位置或光纤外腔式珐珀传感器位置和局放位置之间的路径上不存在阻碍结构；由此确定局放现象的存在以及放点位置所在的大致区域。

[0054] [性能验证性实验]:

[0055] 本发明的光纤外腔式珐珀传感器的性能可以通过图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，可见本发明设计的传感头能够很好地检测局部放电信号。

[0056] 图7为局放仪、光纤外腔式珐珀传感器与压电陶瓷传感器检测的局放信号示 意图，将局部放电模型的高压电极——针电极取下，其他条件不变，空载加压，加压至17kV，检测到的信号如图8的空载加压时，局放仪、光纤外腔式珐珀传感器、压电陶瓷的检测信号示意图所示。通过图8，可以得到，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。

[0057] 图8为传感器检测到的信号衰减曲线示意图，其中，(a)为压电陶瓷传感器度示意图；(b)为光纤外腔式珐珀传感器衰减度示意图。将得到的不同距离下的光纤外腔式珐珀传感器的超声波响应幅值与15cm下光纤外腔式珐珀传感器超声波响应幅值求比例，然后统计各距离下50组数据求均值，同样方法对压电陶瓷传感器检测到的信号进行处理，可得到衰减度曲线如图8中(a)压电陶瓷传感器衰减度示意图；、(b)光纤外腔式珐珀传感器衰减度示意图所示。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。

[0058] 本发明首次提出将光纤外腔式珐珀传感器局部放电检测系统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，并能大致的进行局部放电位置估计。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。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光纤外腔式珐珀传感器，使得此时光纤外腔式珐珀传感器接收到的信号不再与信号源位置与传感器石英膜片垂直方向间的夹角有关系，并且光纤外腔式珐珀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。