CN104166075A - 一种基于激光二极管的局部放电光电检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及局部放电监测技术领域，特别涉及一种基于激光二极管的局部放电光电检测系统及方法，包括光电测量模块、光纤传输、光电转换装置、数据采集装置；光电测量模块置于试样高压端，局放电流通过适当大小的采样电阻分压流过带尾纤的激光二极管，压敏电阻、双向抑制二极管、保护电阻组成保护回路来防止二极管大电流损坏，激光二极管根据局放电流大小的不同发出不同强度的光；光电测量模块输出通过光纤进行传输；光电转换装置将光纤传输的光信号转换为电信号，输出到数据采集装置。本发明提供了有效地测量电气设备局部放电电流的装置和方法，测量结果直观，入纤功率大，调制速度高，反应速度快，且能有效避免电磁干扰和地线干扰。
Description
技术领域
本发明涉及局部放电监测技术领域，特别是涉及一种基于激光二极管的局部放电光电检测系统及方法。
背景技术
电力系统中的高压电气设备，在长期的运行过程中不可避免的会出现一定的绝缘缺陷，局部放电已经成为造成设备绝缘劣化的重要原因。电气设备绝缘内部常存在一些弱点，在外施电压作用下绝缘缺陷，首先发生放电，这就是电气设备的局部放电。放电的能量虽然很微弱，不影响设备的短时绝缘强度，但日积月累将引起绝缘老化，最后可能导致整个绝缘在正常电压下发生击穿，引发事故。定期检测设备的局部放电可以及时发现安全隐患，保证安全运行。近数十年来，国内外已越来越重视对设备进行局部放电测量。
现有的局部放电检测方法主要分为测量电信号与非电信号两类，以发生局部放电时产生的电脉冲、电磁辐射、超声波等现象为依据，相应的检测方法包括脉冲电流法、超声波检测法、红外检测法、超高频检测法等，非电的测量方法无法准确判断放电量的大小，不够直观。
脉冲电流检测法通过检测阻抗或电流传感器，检测设备由于局部放电引起的脉冲电流，获得视在放电量。它的研究最早、在早期的局部放电检测中应用广泛，对此，IEC有专门制定的标准。但该方法频率低、频带窄，无法满足高频电压下的测量，获得的信息量较少且容易受到外界的空间电磁干扰影响。
超声波检测法是将超声探头固定在设备外表面，接受内部局部放电产生的超声波信号，以此判断局部放电的大小。超声波检测法可以躲避电磁干扰的影响，易于实现在线检测，操作简便，便于携带。但目前的超声波传感器灵敏度较低，在现场不易获得有效信号，声信号干扰因素较多。超声检测主要用于定性判断局放信号的有无，是主要的辅助测量手段，属于非电的测量手段。
红外检测法是基于局部放电点处温度升高的原理，利用红外探测仪的热成像原理来记录放电点。由于设备内部结构与传热过程的复杂性，利用红外检测法直接检测设备内部的局部放电存在一定难度，目前主要针对于设备外部的故障检测，为非电的测量方法。
超高频检测法是一种较新的检测手段，通过超高频天线接受设备局部放电所产生的超高频电磁信号，实现局部放电的测量。这种检测方法的主要缺点是无法确定放电量，即使当局放点到传感器之间的传播路径不变情况下，超高频方法所测的信号幅值与脉冲电流法测得的视在放电量也没有明确的线性对应关系，加大了应用此方法进行局部放电量标定的难度，为非电的测量手段。
光电测量模块中的激光二极管(LD)较以往类似测量方法中所使用的发光二极管(LED)有着一些明显的优点。LED输出为非相干光，其谱宽宽，入纤功率小，调制速率低；LD是相干光输出，谱宽窄，入纤功率大，调制速度高，适用与长距离高速率系统。对于局部放电检测系统来说，响应速度是一项重要的参数指标，LD的响应速度快，可以达到ps级，同时耦合效率高，可直接进行调制，相干性好等优点可以满足ns级局部放电的测量与分析。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于激光二极管的局部放电光电检测系统及方法，在试样高压端进行检测，隔离地线干扰与空间电磁干扰，响应速度快，可以获得高强度的局放信号。
一种基于激光二极管的局部放电检测系统，包含光电测量模块、光纤、光电转换装置和数据采集装置，其特征在于：
所述光电测量模块放置于试样高压端，有两个接线端，分别接高压和试样；光电测量模块包含无感采样电阻、带尾纤激光二极管(LD)及保护回路，光纤从激光二极管连接至光电转换装置，传输过程中避免空间电磁的干扰，隔离地线干扰；光电转换装置放置于无干扰区域，接收来自光电测量模块的局部放电光信号，将不同强弱的光信号转换为相应大小的电信号，直接输出到数据采集装置中；数据采集装置为示波器、计算机或笔记本电脑；
所述保护回路包含压敏电阻、双向抑制二极管、保护电阻R1和保护电阻R2，能防止激光二极管大电流损坏，保护回路中压敏电阻与无感采样电阻并联，带尾纤二极管和保护电阻R1串联后与双向抑制二极管并联后，再与保护电阻R2串联，最后并接于压敏电阻两端；
所述无感电阻的阻值可变，无感电阻的阻值范围为50Ω～5KΩ，能够测量的试样高压端的局放电流大小为6.26mA～785mA；
所述带尾纤激光二极管根据其流过局放电流大小的不同而发出不同强度的光，通过尾部光纤进行传输。
所述光电测量模块应用于油纸绝缘气隙试样或油楔试样，能够经过统计计算出局部漏放电的放电起始电压、放电熄灭电压、放电脉冲频率和放电脉冲峰值。
一种基于权利要求1所述检测系统的激光二极管的局部放电检测方法，其特征在于，包含以下步骤：
1)将光电测量模块放置于试样高压端，根据高压端局放电流的大小及灵敏度选定采样电阻的阻值；
2)为采样电阻并联保护回路；
3)光电测量模块中带尾纤的激光二极管根据局放电流大小的不同发出不同强度的光；
4)光电测量模块的输出通过光纤传输至光电转换装置，避免了空间电磁干扰的影响；
5)光电转换装置将光纤传输的光信号转换为电信号，输出到数据采集装置；
6)数据采集装置通过示波器、计算机或笔记本电脑的显示设备经过统计计算出局放电流的大小、放电起始电压、放电熄灭电压、放电脉冲频率和放电脉冲峰值。
本发明的有益效果是提出了一种基于激光二极管的局部放电光电检测系统及方法。检测系统包括光电测量模块、光纤传输、光电转换装置、信号采集装置。该系统在试样高压端串入采样电阻，通过激光二极管将采样电阻上的电流信号转换为光信号进行传输，能直接检测电气设备的局部放电信号，隔离地线和空间电磁带来的干扰，具有较高的响应特性。
附图说明
图1是局部放电光电检测系统示意图；
图2是光电测量模块结构图；
图3是采样电阻阻值与检测局放电流范围的关系图；
图4是以冲击电压下油纸绝缘气隙试样为例的接线图；
图5是冲击电压下油纸绝缘气隙试样的局放波形；
图6是以冲击电压下油楔试样为例的接线图；
图7是冲击电压下油楔试样的局放波形。
图中标号：1-高压端；2-试样；3-光纤；4-光电测量模块；5-光电转换装置；6-数据采集装置；7-高压引线；8-绝缘套管；9-接地引线；10-高压平板电极；11-接地平板电极；12-油纸气隙模型；13：冲击电压源；14-球电极；15-油楔模型。
具体实施方式
本发明涉及一种一种基于激光二极管的局部放电光电检测系统及方法，下面结合具体实施例和附图对本发明作详细说明，但并不因此而限制本发明的内容。
一种基于激光二极管的局部放电检测系统，包括光电测量模块4、光纤3、光电转换装置5、数据采集装置6。
图1是局部放电光电检测系统示意图；光电测量模块4与高压端1和试样2连接，通过带尾纤的激光二极管与光纤3相连，通过光纤3将信息从高压端传递至低压端。
光纤3与光电转换装置5相连，光电转换装置5接收来自光电测量模块4的局部放电光信号，将不同强弱的光信号转换为相应大小的电信号。
光电转换装置5与数据采集装置6相连，光电转换装置5将转换后的电信号直接输出到数据采集装置6中，数据采集装置6可以选用示波器，计算机或笔记本。
局部放电检测系统系统的工作步骤为：
步骤1：光电测量模块4放置于试样2和高压端1一侧，局放电流通过适当大小的采样电阻Rs分压流过带尾纤的激光二极管，二极管根据局放电流大小发出不同强度的光。
步骤2：光电测量模块4输出通过光纤3进行传输，避免了空间电磁干扰的影响，将信号由高压端传输至低压端。
步骤3：光电转换装置5将光纤3传输的光信号转换为电信号，输出到数据采集装置6。
图2是光电测量模块4结构图,主要包括：带尾纤的激光二极管、采样电阻Rs、保护电阻R1、R2、压敏电阻MOV与双向抑制二极管TVS。当试样2发生局部放电时，通过适当阻值的采样电阻Rs进行分压，带尾纤的激光二极管根据其流过局放电流大小的不同而发出不同强度的光，通过尾部连接的光纤3进行传输。双向抑制二极管(TVS)与压敏电阻(MOV)作用一样，在线路板上与被保护线路并联，当瞬时电压超过二极管正常工作电压后，TVS与MOV提供给瞬时电流一个超低电阻通路，瞬时电流通过二极管被引开，避开被保护器件，在电压恢复正常值之前使被保护回路保持截止电压，当瞬时脉冲结束后会自动回复高阻状态，整个回路进入正常电压。TVS的反应速度较快，截止电压较低，做为一级保护，MOV截止电压较高，做为二级保护。选择R1为240Ω，R2为800Ω，双向抑制二极管的导通电压为6.8V，压敏电阻的压敏电压为27V。Rs的取值原则可依据图3中描述的关系进行选择，
图3是采样电阻阻值与检测局放电流范围的关系图，采样电阻大小的不同会影响测量回路的测量范围与灵敏度，Rs较小时，测量范围大，灵敏度低；Rs较大时，测量范围小，灵敏度高。例如当Rs＝50Ω时，可以测量流过放电回路的最大电流为785mA，能够较大范围的测量充电电流与局放电流。当回路电流大于131mA时LD才开始工作，容易漏掉较小的局放电流；当Rs＝5kΩ时，可以测量的最大电流为42.5mA，最小电流为6.26mA，测量范围较小，但灵敏度较高。
图4是以冲击电压下油纸绝缘气隙试样为例的接线图，其中图4(a)为油纸绝缘纸板气隙模型，由三层80mm×80mm的圆角正方形绝缘纸板粘接组成，其中中间层绝缘纸板中心处有一直径为10mm的圆形孔洞；
图4(b)为油纸绝缘气隙模型实验装置，由一大一小两个平板电极组成，用有机玻璃粘接成25cm*25cm*20cm密闭盛油容器，玻璃壁厚8mm，同时装有顶端密封盖，减缓变压器油老化速度，保证一定密封性。高压平板电极10直径40mm，厚2mm；接地平板电极11直径75cm，厚2mm；高压引线7配有绝缘套管8，套管8长250mm。接地铜管与高压引线7间距90mm，在油中可以满足绝缘要求。所有部件均为圆柱形设计，避免存在尖端引发局部放电。将图4(a)所示的绝缘纸板放置在两个平板电极中间位置夹紧；
图4(c)为冲击电压下油纸绝缘气隙模型12的局放光电测量系统，冲击电压源13为两级高效率马克思回路，包含DC－直流电源；D－高压硅堆；R0－保护电阻；R'－充电电阻；Rf－波前电阻；Rt－波尾电阻；C0－各级主电容；C－负荷电容；G0～G1－球隙；C1、C2－弱阻尼电容分压器的高、低压臂电容；r－分压器高压臂的弱阻尼电阻。电容分压器的分压比为2000:1。光纤测量模块4的高压端1连接冲击电压源输出，光纤测量模块4的试样2端连接油纸气隙模型12，光电转换装置5的输出通过50Ω匹配电阻连接到数据采集装置6，此处选用示波器。
图5为测得的冲击电压下油纸绝缘气隙局部放电波形。CH1黄色信号为2000:1电容分压器输出的冲击源13的波形，CH2为光电检测系统里数据采集装置6输出的局部放电信号。可以发现波尾部分出现大量不同强度的带有微弱振荡的正方向放电脉冲，进一步可以通过不断的实验与探索，得到油纸绝缘气隙试样在冲击电压下的放电起始电压、放电熄灭电压、放电脉冲频率、放电脉冲峰值等主要参量。
图6是以冲击电压下油楔试样为例的接线图。其中图6(a)为油楔纸板模型，由三层120mm×120mm的圆角正方形绝缘纸板粘接组成。图6(b)为油楔模型实验装置，由高压端的球电极14与接地平板电极11组成，将干燥粘接好的三层绝缘纸板夹在球电极14与接地平板电极11中间。用有机玻璃粘接成25cm*25cm*20cm密闭盛油容器，玻璃壁厚8mm，同时装有顶端密封盖，减缓变压器油老化速度，保证一定密封性。高压球电极直径25mm，接地平板电极直径75cm，高压引线7配有绝缘套管8，套管8长250mm。接地铜管与高压引线7间距90mm，在油中可以满足绝缘要求。所有部件均为圆柱形设计，避免存在尖端引发局部放电，将图6(a)所示的绝缘纸板放置在球电极14与平板电极中间位置夹紧；
图6(c)为冲击下油楔模型15的局放光电测量系统，冲击电压源13为一级马克思回路，包含DC－直流电源；D－高压硅堆；R0－保护电阻；Rf－波前电阻；Rt－波尾电阻；C0－主电容；G0－球隙；C1、C2－弱阻尼电容分压器的高、低压臂电容；r－分压器高压臂的弱阻尼电阻。电容分压器的分压比为2000:1。冲击电压波头时间为1μs，波尾时间为50μs，满足实验要求。数据采集装置6的输出通过50Ω匹配电阻连接到数据采集装置6，此处选用示波器。
图7为测得的冲击电压下油楔模型的局部放电波形。CH1黄色信号为2000:1电容分压器输出的冲击源13的波形，CH2为光电检测模块输出的局部放电信号。可以发现波尾部分出现大量不同强度的带有微弱振荡的正方向放电脉冲，进一步可以通过不断的实验与探索，得到油楔试样在冲击电压下的放电起始电压为25.6KV、放电熄灭电压为25.6KV、放电脉冲频率、放电脉冲峰值等主要参量。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 (3)
1.一种基于激光二极管的局部放电检测系统，包含光电测量模块、光纤、光电转换装置和数据采集装置，其特征在于：
所述光电测量模块放置于试样高压端，有两个接线端，分别接高压和试样；光电测量模块包含无感采样电阻、带尾纤激光二极管(LD)及保护回路，光纤从激光二极管连接至光电转换装置，传输过程中避免空间电磁的干扰，隔离地线干扰；光电转换装置放置于无干扰区域，接收来自光电测量模块的局部放电光信号，将不同强弱的光信号转换为相应大小的电信号，直接输出到数据采集装置中；数据采集装置为示波器、计算机或笔记本电脑；
所述保护回路包含压敏电阻、双向抑制二极管、保护电阻R1和保护电阻R2，能防止激光二极管大电流损坏，保护回路中的压敏电阻与无感采样电阻并联，带尾纤二极管和保护电阻R1串联后与双向抑制二极管并联后，再与保护电阻R2串联，最后并接于压敏电阻两端；
所述无感电阻的阻值可变，无感电阻的阻值范围为50Ω～5KΩ，能够测量的试样高压端的局放电流大小为6.26mA～785mA；
所述带尾纤激光二极管根据其流过局放电流大小的不同而发出不同强度的光，通过尾部光纤进行传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光二极管的局部放电检测系统，其特征在于：所述光电测量模块应用于油纸绝缘气隙试样或油楔试样，能够得到局部漏放电的放电起始电压、放电熄灭电压、放电脉冲频率和放电脉冲峰值。
3.一种基于权利要求1所述检测系统的激光二极管的局部放电检测方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1，将光电测量模块放置于试样高压端，根据高压端局放电流的大小及灵敏度选定采样电阻的阻值；
步骤2，为激光二极管连接保护回路；
步骤3，光电测量模块中带尾纤的激光二极管根据局放电流大小的不同发出不同强度的光；
步骤4，光电测量模块的输出通过光纤传输至光电转换装置，避免了空间电磁干扰的影响；
步骤5，光电转换装置将光纤传输的光信号转换为电信号，输出到数据采集装置；
步骤6，数据采集装置通过示波器、计算机或笔记本电脑的显示设备经过统计计算出局放电流的大小、放电起始电压、放电熄灭电压、放电脉冲频率和放电脉冲峰值。
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