CN103399262B - 基于光纤马赫曾德干涉仪的电力变压器局部放电检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光纤马赫曾德干涉仪的电力变压器局部放电检测系统及检测方法，包括：窄带光源，第一光纤耦合器，第二光纤耦合器，相位调制器，光纤环，第一光电探测器，第二光电探测器，差分互阻放大器，积分器，带通滤波器，放大器和采集卡及计算机；窄带光源接第一光纤耦合器的一个输入端；第一光纤耦合器的一个输出端连接相位调制器的输入端，另一个输出端连接光纤环传感器的输入端；第二光纤耦合器的一个输入端连接相位调制器输出端，另一输入端连接光纤环传感器的输出端。本发明设备简单，可以放在变压器内部进行在役实时和连续监测，局部放电检出率高，灵敏度高，稳定性好，抗电磁干扰能力强，受温度影响小，检测精度高，灵活性好。

Description

基于光纤马赫曾德干涉仪的电力变压器局部放电检测系统及检测方法

技术领域

本发明属于声发射无损检测技术领域，具体涉及一种基于光纤马赫曾德干涉仪的电力变压器局部放电检测系统及检测方法。

背景技术

局部放电是导致电力变压器绝缘劣化的重要原因之一，自20世纪中期起，人们就开始对局部放电作了较深入的研究，并取得了很大的进展。局部放电简称为PD（PartialDischarge），指由于电气设备内部绝缘里面存在的弱点，在一定外施电压下发生的局部的重复击穿和熄灭的现象。局部放电发生在绝缘内部的气隙或气泡中，因为在这个很小的空间内即使电场强度很大，它的放电能量仍然非常小，所以它的存在并不影响电气设备的短时绝缘强度。但如一个电气设备在运行电压下长期存在局部放电现象，这些微弱的放电能量和由此产生的一些不良效应，如不良化合物的产生，就可以慢慢地损坏绝缘，日积月累，最后可导致整个绝缘被击穿，发生电气设备的突发性故障。

变压器在局部放电过程中，总是伴随着脉冲电流、电磁辐射以及声、光、热等现象。近年来利用局部放电过程中产生的声发射信号来对其进行判断和定位的方法越来越引起人们的重视。这是因为当介质内发生局部放电时，由于分子的激烈撞击，气泡的形成和发展，液体的流动以及固体材料的微小开裂，会产生一定的声发射信号。通过研究发现，局部放电产生的这些声信号与局部放电的程度和类型有着一定的对应关系，因此可以用声发射检测手段对局部放电进行监测，从而得到电力变压器的健康状况。

目前利用声发射信号对变压器进行局部放电检测方法一般有三种：第一种，利用压电陶瓷作为传感器，对其进行声发射信号检测，这种方法具有较高的灵敏度，能进行多点检测，适合对声发射源进行定位，但是其本身不抗电磁干扰，且只能安装于变压器外部进行检测，不能置于内部，这就导致难以检测内部微弱的局放信号。第二种，光纤F-P腔局放检测方法，此种方法也是通过F-P腔腔长随外界声发射信号改变，从而导致干涉信息发生改变的原理制作的传感器，虽然这种方法抗电磁干扰，且能置于变压器内部进行检测，但这套系统结构复杂，价格昂贵，灵敏度不高，限制了其应用。第三种，利用光纤光栅对局放进行检测，局放发出的超声信号，改变光纤光栅的栅距，使其反射波长发生变化，从而解调出声发射信号，但其同样是系统价格昂贵且难以实现多通道传感，限制了其应用。

发明内容

本发明的目的在于，克服已有的技术局限，提供一种基于马赫曾德干涉仪的电力变压器局部放电检测系统及检测方法，本发明设备简单，成本较低，可以放在变压器内部进行在役实时和连续监测，局部放电检出率高，灵敏度高，稳定性好，抗电磁干扰能力强，受温度影响小，检测精度高，灵活性好。

本发明采用的技术方案为：一种基于光纤马赫曾德干涉仪的电力变压器局部放电检测系统，包括：窄带光源，第一光纤耦合器，第二光纤耦合器，相位调制器，光纤环，第一光电探测器，第二光电探测器，差分互阻放大器，积分器，带通滤波器，放大器，采集卡及计算机；窄带光源接第一光纤耦合器的一个输入端；第一光纤耦合器的一个输出端连接相位调制器的输入端，形成马赫曾德干涉仪的参考臂，第一光纤耦合器的另一个输出端连接光纤环传感器的输入端，形成马赫曾德干涉仪的传感臂；第二光纤耦合器的一个输入端连接相位调制器输出端，第二光纤耦合器的另一输入端连接光纤环传感器的输出端；第二光纤耦合器的两个输出端分别连接两个光电探测器的输入端；两个光电探测器的输出端连接差分互阻放大器的输入端，差分互阻放大器的输出端连接积分器和带通滤波器的输入端；积分器的输出端连接相位调制器，形成反馈回路，将积分器的输出锁定在0输出，带通滤波器的输出端连接放大器，放大器连接采集卡及计算机。

进一步的，所述窄带光源的中心波长为1550nm，带宽为0.2nm，输出功率≥100mW，输出光功率长期稳定度为±0.02dB。

进一步的，所述光纤环传感器的环直径为30mm，长度为17m，厚度5mm，一共5层。

另外，本发明提供一种基于光纤马赫曾德干涉仪的电力变压器局部放电检测方法，窄带光源发出的光进入第一光纤耦合器的一个输入端A口，50%的光从输出端B口进入相位调制器的输入端，此为马赫曾德干涉仪的参考臂，另外50%的光经输出端C口进入光纤环传感器的输入端，此为马赫曾德干涉仪的传感臂，感受有外界局部放电引起的声发射信号；从相位调制器出来的光进入第二光纤耦合器的一个输入端D口，从光纤环传感器出来的光进入第二光纤耦合器的另一输入端E口，两束光在光纤耦合器内发生干涉；发生干涉后的光经第二光纤耦合器的两个输出端F口、G口分别进入第一光电探测器和第二光电探测器的输入端，由光信号转换为电信号；第一光电探测器和第二光电探测器的电信号进入差分互阻放大器的输入端，差分互阻放大器的输出端连接积分器和带通滤波器的输入端；经过积分器的电信号反馈到相位调制器，消除噪声温度漂移的影响，经过带通滤波器的电信号进入放大器，通过在采集卡中进行信号处理，最后在计算机上显示。

本发明与现有技术相比的优点在于：现有的利用声发射信号检测变压器局部放电的方法中，以压电陶瓷作为传感器其本身不抗电磁干扰，且只能安装于变压器外部进行检测，不能置于变压器的内部，难以检测到内部微弱的局部放电信号，且在多通道传感时，由于声波的在变压器外壁的反射与折射，导致其产生多条路径到达传感器，以致难以对声源进行定位；以光纤F-P腔和光纤布拉格光栅作为传感器的方法，成本昂贵，装置复杂，而本发明将光纤马赫曾德干涉仪传感技术引入电力变压器局部放电的检测，可以将传感器放置在变压器内部进行检测，对微弱局部放电信号检出率更高，且由于此光纤马赫曾德干涉仪是工作在零点，带有反馈回路，所以由于加入反馈回路，具有很高的灵敏度和信噪比，能够对温度漂移进行自补偿，消除系统的温度漂移影响，系统更加稳定，且该套系统装置简单，成本较低，可以进行在役实时和连续监测。本系统相对于压电陶瓷声发射传感器具有抗电磁干扰的天然优势，这使得马赫曾德干涉仪工作在电磁干扰很强烈的环境，具有更高的灵活性。

附图说明

图1为本发明结构框图。

图中：1、窄带光源，2、第一光纤耦合器，3、相位调制器，4、光纤环传感器，5、第二光纤耦合器，6、第一光电探测器，7、第二光电探测器，8、差分互阻放大器，9、积分器，10、带通滤波器，11、放大器，12、采集卡及计算机。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，本发明所述的基于马赫曾德干涉仪的电力变压器局部放电检测系统包括：窄带光源1，第一光纤耦合器2，相位调制器3，光纤环传感器4，第二光纤耦合器5，第一光电探测器6，第二光电探测器7，差分互阻放大器8，积分器9，带通滤波器10，放大器11，采集卡及计算机12；窄带光源1发出的光进入第一光纤耦合器2的一个输入端A口，50%的光从输出端B口进入相位调制器3的输入端，此为马赫曾德干涉仪的参考臂，另外50%的光经输出端C口进入光纤环传感器4的输入端，此为马赫曾德干涉仪的传感臂，感受有外界局部放电引起的声发射信号；从相位调制器3出来的光进入第二光纤耦合器5的一个输入端D口，从光纤环传感器4出来的光进入第二光纤耦合器5的另一输入端E口，两束光在光纤耦合器内发生干涉；发生干涉后的光经第二光纤耦合器5的两个输出端F口、G口分别进入第一光电探测器6和第二光电探测器7的输入端，由光信号转换为电信号；第一光电探测器6和第二光电探测器7的电信号进入差分互阻放大器8的输入端，差分互阻放大器8的输出端连接积分器9和带通滤波器10的输入端；经过积分器9的电信号反馈到相位调制器3，消除噪声温度漂移的影响，经过带通滤波器10的电信号进入放大器11，通过在采集卡12中进行信号处理，最后在计算机12上显示。

当外界有声发射信号时马赫曾德干涉仪的传感臂光纤环传感器接收声发射信号，声压改变光纤的长度引起部分相移，又由于声压对光纤产生光弹效应，这就导致了其光波的相位受到调制，相位调制的大小与声压的大小有关，这路光与经过参考臂的相位调制器的光发生干涉，经过光电探测器后转换成强弱变化的电流信号，光电探测器的两路信号进入差分放大器，差分放大器将两路电信号相减作为输出，输出的为电压信号，输出进入积分器和滤波器，经积分器的电信号加在相位调制器上，积分器相当于一个低通滤波器，能使因温度漂移，外界低频振动的引起的信号通过，当加载与PZT上，PZT作出相应改变，再通过差分放大器锁定在输出0点，这样就消除了干涉仪的低频漂移，并且保持系统工作在正交状态，使干涉仪灵敏度达到最大；经过滤波器的信再通过放大器，经过信号分析与处理，得到的就是检测到的声发射信号。

窄带光源的选择非常关键，它直接影响到干涉仪输出，窄带光源要求功率稳定，带宽小具有足够长的相干长度。本发明所选用的窄带光源中心波长为1550nm，带宽为0.2nm，输出功率≥100mW，输出光功率长期稳定度为±0.02dB，干涉仪输出稳定性好，且信噪比高。

光电探测器，主要元件是光电二极管，光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，，光电二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。本发明所用的光电二极管为PIN管，响应波长为600nm～1800nm。

光纤耦合器是一种光无源器件，是用来连接两根或多根光纤，使光纤中传输的光信号在特殊的耦合区发生耦合，并进行功率或波长分配的元器件。目前主要有熔融拉锥法制单模光纤耦合器，它是将两根(或两根以上)除去涂覆层的光纤以一定的方法靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构。本发明中光纤耦合器的分光比为50:50。

相位调制器通过改变光纤长度和使光纤产生弹光效应来调制光纤中光波的相位，常用的相位调制器有PZT和铌酸锂相位调制器，由于铌酸锂相位调制器价格昂贵，又PZT价格便宜且能很好的满足本发明要求，故在此处选用PZT相位调制器，PZT是压电陶瓷，它又有压电效应和逆压电效应，逆压电效应是当在PZT上加有电压时，PZT的形状尺寸会发生改变，将光纤绕置在PZT上时，PZT直径发生变化，就使得光纤长度发生变化，并且挤压光纤使其产生弹光效应，从而达到调制光波相位的目的。本发明用到相位调制器为PZT。

本发明未公开的技术内容属于本技术领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于光纤马赫曾德干涉仪的电力变压器局部放电检测系统，其特征在于，包括：窄带光源(1)、第一光纤耦合器(2)、相位调制器(3)、光纤环传感器(4)、第二光纤耦合器(5)、第一光电探测器(6)、第二光电探测器(7)、差分互阻放大器(8)、积分器(9)、带通滤波器(10)、放大器(11)和采集卡及计算机(12)；

窄带光源(1)连接第一光纤耦合器(2)的一个输入端A口；第一光纤耦合器(2)的一个输出端B口连接相位调制器(3)的输入端，形成马赫曾德干涉仪的参考臂，第一光纤耦合器(2)的另一个输出端C口连接光纤环传感器(4)的输入端，形成马赫曾德干涉仪的传感臂；第二光纤耦合器(5)的一个输入端D口连接相位调制器(3)的输出端，第二光纤耦合器(5)的另一输入端E口连接光纤环传感器(4)的输出端；第二光纤耦合器(5)的两个输出端F口、G口分别接第一光电探测器(6)和第二光电探测器(7)的输入端；第一光电探测器(6)和第二光电探测器(7)的输出端连接差分互阻放大器(8)的输入端，差分互阻放大器(8)的输出端连接积分器(9)和带通滤波器(10)的输入端；积分器(9)的输出端连接相位调制器(3)，形成反馈回路，将积分器的输出锁定在0输出，带通滤波器(10)的输出端连接放大器(11)，放大器(11)连接采集卡及计算机(12)；

所述窄带光源(1)选择非常关键，它直接影响到干涉仪输出，窄带光源要求功率稳定，带宽小具有足够长的相干长度，所选用的窄带光源中心波长为1550nm，带宽为0.2nm，输出功率≥100mW，输出光功率长期稳定度为±0.02dB，干涉仪输出稳定性好，且信噪比高；

所述光纤环传感器(4)的环直径为30mm，长度为17m，厚度5mm，一共5层；

将光纤马赫曾德干涉仪传感技术引入电力变压器局部放电的检测，可以将传感器放置在变压器内部进行检测，对微弱局部放电信号检出率更高，且由于此光纤马赫曾德干涉仪是工作在零点，带有反馈回路，所以由于加入反馈回路，具有很高的灵敏度和信噪比，能够对温度漂移进行自补偿，消除系统的温度漂移影响，系统更加稳定，且该套系统装置简单，成本较低，可以进行在役实时和连续监测；本系统相对于压电陶瓷声发射传感器具有抗电磁干扰的天然优势，这使得马赫曾德干涉仪工作在电磁干扰很强烈的环境，具有更高的灵活性。

2.基于光纤马赫曾德干涉仪的电力变压器局部放电检测方法，利用权利要求1所述的基于光纤马赫曾德干涉仪的电力变压器局部放电检测系统，其特征在于：窄带光源(1)发出的光进入第一光纤耦合器(2)的一个输入端A口，50％的光从输出端B口进入相位调制器(3)的输入端，此为马赫曾德干涉仪的参考臂，另外50％的光经输出端C口进入光纤环传感器(4)的输入端，此为马赫曾德干涉仪的传感臂，感受有外界局部放电引起的声发射信号；从相位调制器(3)出来的光进入第二光纤耦合器(5)的一个输入端D口，从光纤环传感器(4)出来的光进入第二光纤耦合器(5)的另一输入端E口，两束光在光纤耦合器内发生干涉；发生干涉后的光经第二光纤耦合器(5)的两个输出端F口、G口分别进入第一光电探测器(6)和第二光电探测器(7)的输入端，由光信号转换为电信号；第一光电探测器(6)和第二光电探测器(7)的电信号进入差分互阻放大器(8)的输入端，差分互阻放大器(8)的输出端连接积分器(9)和带通滤波器(10)的输入端；经过积分器(9)的电信号反馈到相位调制器(3)，消除噪声温度漂移的影响，经过带通滤波器(10)的电信号进入放大器(11)，通过在采集卡(12)中进行信号处理，最后在计算机(12)上显示。