CN104297642B - 一种光纤局部放电检测系统 - Google Patents

Abstract

一种光纤局部放电检测系统，包括光源、声光调制器、传感光路、解调系统四部分，利用声光调制器对光源发出的光进行移频并延时，传感光路与参考光路中只有光程相同的两路光才能发生干涉，当外界出现局部放电信号时，其产生的声波作用在传感光路中，引起干涉信号的相位发生变化，通过解调这一变化量，即可得到外界局部放电信号的相关信息(强度和位置等)。本发明采用光纤传感，相对于传统的电磁传感与压电传感，从本质上与电磁绝缘，可将传感光纤置于变压器的绝缘油中，进一步提高检测局部放电信号的灵敏度，而且易于形成多路复用，能够对局部放电信号进行精确定位。

Description

一种光纤局部放电检测系统

技术领域

本发明属于电力系统自动化领域，特别涉及一种光纤局部放电检测系统。

背景技术

随着国民经济的发展，电力系统可靠运行的要求越来越高。电气设备是组成电力系统的基本元件，一旦发生事故，不但会波及邻近设备，还会给用户造成重大经济损失。大型电气设备多采用矿物油、绝缘纸或环氧树脂等各种有机合成绝缘材料组成复合结构，大量资料表明，绝缘失效是造成电气设备故障的主要原因。

局部放电既是造成绝缘故障的主要原因，也是绝缘劣化的重要征兆和表现形式，与绝缘材料的劣化和击穿过程密切相关。局部放电能有效地反映电气设备的绝缘状况，尤其对早期发现突发性故障与介质损失(简称介损，指绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗。)测量、色谱分析等方法相比效果要好得多。因此，进行局部放电检测对于电力设备安全运行具有重要意义。

目前，局部放电检测方法归纳起来，可分为两大类，即电测法和非电测法。其中电测法按检测信号的频段，又可分为脉冲电流法和超高频(UHF)法；非电测法包括：超声波检测法，化学检测法，荧光光学检测法等。脉冲电流法的测试频率f低(一般f<1MHz)，频带窄，应用于现场测量时易受外界干扰和噪声的影响，抗干扰能力差，因此这种方法仅适合在实验室使用；超高频法实际应用较多，但其造价昂贵，定位精度不高(±0.1m)，且使用天线接收局部放电的电磁脉冲信号强度较低、有时无法对局部放电源进行定位；非电测法中的化学检测法与荧光光学检测法由于灵敏度差、精度低、不能长期工作，在实际检测中的应用较少；超声波法易于定位，但多个传感器布置不易，灵敏度不高,且定位精度易受到影响。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种新型的光纤局部放电检测系统，相对于传统的电磁传感与压电传感，从本质上与电磁绝缘，可将传感光纤置于变压器的绝缘油中，进一步提高检测局部放电信号的灵敏度，而且易于形成多路复用，能够对局部放电信号进行精确定位。

本发明的技术解决方案是：一种光纤局部放电检测系统，所涉及的部件包括窄带光源、光纤隔离器2、光纤耦合器3、声光调制器4、声光调制器5、同步驱动源、信号发生器、光纤延时环8、光纤耦合器9、光纤环形器10、光纤耦合器11、光纤延时环12、光纤耦合器13、光纤延时环14、光纤耦合器15、光纤延时环16、光纤耦合器17、光纤延时环18、法拉第旋转镜19、法拉第旋转镜20、法拉第旋转镜21、法拉第旋转镜22、法拉第旋转镜23、局部放电信号源、光电探测器25、光纤环形器26、光纤耦合器27、光纤延时环28、法拉第旋转镜29、法拉第旋转镜30、光电探测器31、高速信号采集处理系统32、电脑实时显示与处理33。

实现过程的特征在于：窄带光源发出的窄带光经光纤隔离器2到达光纤耦合器3，分为两路，由信号发生器控制的同步驱动源驱动的声光调制器4和声光调制器5对两路光分别进行移频，两路光的表达形式为：

C cos[2π(f+f₁)t+φ₁]

C cos[2π(f+f₂)t+φ₂]

其中f为光波频率，f₁为声光调制器4产生的移频，f₂为声光调制器5产生的移频，φ₁，φ₂分别为两路光的初相位。

将声光调制器4移频后的光信号通过长度为2L的光延时环8进行延时，另一路光信号不作延时，两路光信号先后到达光纤耦合器9；光信号再次分为两路，一路通过光纤环形器10进入传感端，另一路通过光纤环形器26进入参考端，通过光纤环形器10进入传感端的光信号经过光纤环形器11，分别到达长度为L的光延时环12与法拉第旋转镜19，到达法拉第旋转镜19的光信号被反射回去并经光纤环形器10进入光电探测器25，到达光纤延时环12的光信号再次经过光纤耦合器13分别进入长度为L的光纤延时环14与法拉第旋转镜20，同理，到达法拉第旋转镜20的光信号被反射至光电探测器25，到达光纤延时环14的光信号再经光纤耦合器15分别进入长度为L的光纤延时环16与法拉第旋转镜21，同理，到达法拉第旋转镜21的光信号被反射至光电探测器25，到达光纤延时环16的光信号经过光纤耦合器17分别进入长度为L的光纤延时环18与法拉第旋转镜22，同理，到达法拉第旋转镜22的光信号被反射至光电探测器25，到达光纤延时环18的光信号最终进入法拉第旋转镜23，并被反射至光电探测器25，到达光电探测器25的光信号只有满足干涉条件的才能发生干涉，当外界没有局部放电信号时，干涉信号为：

C cos(2πΔft+φ_r+φ_n)

其中，C为常数，t为时间，Δf＝f₁-f₂为声光调制器4和声光调制器5产生的频差，φ_r＝φ₁-φ₂为两路光的初相位差，φ_n为噪声。

当外界局部放电信号出现时，其发出的声波经由绝缘油传递到水听器阵列，引起光纤延时环12、光纤延时环14、光纤延时环16、光纤延时环18的长度发生变化，继而引起光电探测器25处干涉信号的相位发生变化。光电转换后的干涉信号为：

其中，A为常数，φ_s为局部放电信号引起的相位变化，n为光纤折射率，c为真空中光速，Δl为局部放电信号引起的光纤长度的最大变化量，f_s为局部放电信号的频率。

同理，进入光纤环形器26的光信号经光纤耦合器27分别进入法拉第旋转镜29与长度为L的光纤延时环28，到达法拉第旋转镜29的光信号反射至光电探测器31，到达光纤延时环28的光信号进入法拉第旋转镜30，并被反射至光电探测器31，只有满足干涉条件的光信号才能在光电探测器31处发生干涉，而且没有受到外界信号干扰，可以作为参考信号；光信号经由光电探测器25、光电探测器31转换为电信号，经高速信号采集处理系统32，进入电脑实时显示与处理，即可得到局部放电信号φ_s(t)的强度(振幅)和频率，位置信息由DSP进行波导不变量的被动定位方法信号处理得到，解调的流程如图2所示：

在FPGA中进行预处理，将参考信号Ccos(2πΔft+φ_r+φ_n)移相π/2，变换为Csin(2πΔft+φ_r+φ_n)。含局部放电信息的信号Acos[2πΔft+φ_r+φ_n+φ_s(t)]分为两路，分别与参考信号及移相信号相乘，之后进行低通滤波去除高频信号，可得：

两路信号相除，通过反正切查找表可解得输出信号为

其中，U₁，U₂为初相位不同的两路参考载波相位信号，φ′_r为初相位引起的低频慢变信号，之后经过高通滤波器可得局部放电信号φ_s(t)。

窄带光源线宽10kHz以内，功率稳定性小于等于0.1dB/h，强度噪声小于等于-100dB/Hz。

光纤隔离器隔离度大于等于50dB。

光纤耦合器3、光纤耦合器9、光纤耦合器27均为2x2型光纤耦合器，插入损耗小于等于0.2dB，分光比为1:1。

声光调制器4、声光调制器5均为TeO2，消光比大于等于50dB，插入损耗小于等于5dB。

光纤延时环8、光纤延时环12、光纤延时环14、光纤延时环16、光纤延时环18、光纤延时环28所用光纤为抗弯曲光纤，芯径为80μm。

光纤环形器10、光纤环形器26均为1x2型光纤环形器，隔离度大于等于50dB。

光纤耦合器11、光纤耦合器13、光纤耦合器15、光纤耦合器17均为2x2型光纤耦合器，插入损耗小于等于0.2dB，分光比需满足反射至光电探测器25处的各路光信号功率相同。

法拉第旋转镜19、法拉第旋转镜20、法拉第旋转镜21、法拉第旋转镜22、法拉第旋转镜23、法拉第旋转镜29、法拉第旋转镜30旋转角为45°±1°，插入损耗小于等于0.3dB，直径2.5mm，长度10mm。

光电探测器25、光电探测器31带宽大于等于300MHz，增益700A/W，等效噪声压小于等于100pw/Hz^1/2。

所述高速信号采集处理系统采样频率大于等于100MSPS，14位精度，采用FPGA与DSP联合处理。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明涉及一种新型的光纤局部放电检测系统，由于采用光纤传感互联，本质上与电磁绝缘，不受电磁干扰，自噪声小，单探头体积为可将光纤探头置于变压器的绝缘油中；该系统检测局部放电信号的灵敏度高，采用4个探头的系统灵敏度可达-130dB re1rad/μPa，几乎不受介质衰减的影响；可有效识别放电点10m内的尖板放电、板板放电、内部放电、沿面放电以及悬浮放，放电量和定位误差小，并且通过增加复用探头可得到更高的识别率和准确度；本系统多路复用方便，多个传感器可使用一根光缆串接，布线简单，且不需增加解调系统，成本较低。

附图说明

图1为本发明光纤局部放电检测系统示意图。

图2为本发明中信号处理流程图。

具体实施方式

如图2所示，为本发明的系统组成框图，包括窄带光源1、光纤隔离器2、光纤耦合器3、声光调制器4、声光调制器5、同步驱动源6、信号发生器7、光纤延时环8、光纤耦合器9、光纤环形器10、光纤耦合器11、光纤延时环12、光纤耦合器13、光纤延时环14、光纤耦合器15、光纤延时环16、光纤耦合器17、光纤延时环18、法拉第旋转镜19、法拉第旋转镜20、法拉第旋转镜21、法拉第旋转镜22、法拉第旋转镜23、局部放电信号源24、光电探测器25、光纤环形器26、光纤耦合器27、光纤延时环28、法拉第旋转镜29、法拉第旋转镜30、光电探测器31、高速信号采集处理系统32、电脑实时显示与处理33。

窄带光源1发出的窄带光经光纤隔离器2到达光纤耦合器3，分为两路，由信号发生器7控制的同步驱动源6驱动的声光调制器4和声光调制器5对两路光分别进行移频，其调制频率差为Δf，将声光调制器4移频后的光信号通过长度为2L的光延时环8进行延时，另一路光信号不作延时，两路光信号先后到达光纤耦合器9；光信号再次分为两路，一路通过光纤环形器10进入传感端，另一路通过光纤环形器26进入参考端，通过光纤环形器10进入传感端的光信号经过光纤环形器11，分别到达长度为L的光延时环12与法拉第旋转镜19，到达法拉第旋转镜19的光信号被反射回去并经光纤环形器10进入光电探测器25，到达光纤延时环12的光信号再次经过光纤耦合器13分别进入长度为L的光纤延时环14与法拉第旋转镜20，同理，到达法拉第旋转镜20的光信号被反射至光电探测器25，到达光纤延时环14的光信号再经光纤耦合器15分别进入长度为L的光纤延时环16与法拉第旋转镜21，同理，到达法拉第旋转镜21的光信号被反射至光电探测器25，到达光纤延时环16的光信号经过光纤耦合器17分别进入长度为L的光纤延时环18与法拉第旋转镜22，同理，到达法拉第旋转镜22的光信号被反射至光电探测器25，到达光纤延时环18的光信号最终进入法拉第旋转镜23，并被反射至光电探测器25，到达光电探测器25的光信号只有满足干涉条件的才能发生干涉，当外界局部放电信号24出现时，其发出的声波经由绝缘油传递到水听器阵列，引起光纤延时环12、光纤延时环14、光纤延时环16、光纤延时环18的长度发生变化，继而引起光电探测器25处干涉信号的相位发生变化，同理，进入光纤环形器26的光信号经光纤耦合器27分别进入法拉第旋转镜29与长度为L的光纤延时环28，到达法拉第旋转镜29的光信号反射至光电探测器31，到达光纤延时环28的光信号进入法拉第旋转镜30，并被反射至光电探测器31，只有满足干涉条件的光信号才能在光电探测器31处发生干涉，而且没有受到外界信号干扰，可以作为参考信号；光信号经由光电探测器25、光电探测器31转换为电信号，经高速信号采集处理系统32，进入电脑实时显示与处理33，即可得到局部放电信号的强度、位置等信息，其中局部放电信号的强度由解调信号的幅值直接求得，位置信息需要对四个探头解调信号进行算法处理给出。

本发明所用的窄带光源1为窄线宽光纤激光器，其原理为在掺铒光纤上刻蚀一对π相移光纤光栅进行激光选模，采用半导体980nm激光器进行泵浦。窄线宽光纤激光器的线宽小于等于10kHz，功率稳定性小于等于0.1dB/h，强度噪声小于等于-100dB/Hz。

本发明所用的光纤隔离器2为双极隔离器，它只允许光沿一个方向传输，反方向的光会被抑制，其隔离度大于等于50dB。

本发明所用的光纤耦合器3、光纤耦合器9、光纤耦合器27均为2x2型光纤耦合器，可将一路进入的光在另一端分成两路输出，其插入损耗小于等于0.2dB，分光比为1:1。所用的光纤耦合器11、光纤耦合器13、光纤耦合器15、光纤耦合器17均为2x2型光纤耦合器，插入损耗小于等于0.2dB，分光比需满足反射至光电探测器25处的各路光信号功率相同。

本发明所用的声光调制器4、声光调制器5均为TeO2，可对光信号进行移频，工作原理为利用超声波在光波导中产生光弹效应，引起光波导折射率发生周期性变化，使双折射光纤中偏振模之间发生耦合。本发明所用的声光调制器消光比大于等于50dB，插入损耗小于等于5dB。

本发明所用的光纤延时环8、光纤延时环12、光纤延时环14、光纤延时环16、光纤延时环18、光纤延时环28所用光纤为抗弯曲光纤，其损耗0.2dB/km，芯径为80μm，在使用时绕制为直径小于等于20mm的光纤环探头。

本发明所用的光纤环形器10、光纤环形器26均为1x2型光纤环形器，它只允许光沿一个方向传输，即光从port1进入时，只能从port2输出；光从port2进入时，只能从port3输出；光从port3进入时，光被隔离。其隔离度大于等于50dB。

本发明所用的法拉第旋转镜19、法拉第旋转镜20、法拉第旋转镜21、法拉第旋转镜22、法拉第旋转镜23、法拉第旋转镜29、法拉第旋转镜30旋转角为45°±1°，其工作原理为利用磁光晶体的法拉第效应改变光纤中传输光的偏振态，法拉第旋转镜克服了干涉光偏振态随机变化导致的偏振态诱导干涉信号衰落，抵消了传输光的偏振态的变化。本发明所用的法拉第旋转镜插入损耗小于等于0.3dB，直径2.5mm，长度10mm。

本发明所用的光电探测器25、光电探测器31为铟镓砷PIN，带宽大于等于300MHz，增益700A/W，等效噪声压小于等于100pw/Hz^1/2。

本发明所用的高速信号采集处理系统采样频率大于等于100MSPS，14位精度，采用FPGA与DSP联合处理，信号处理流程图见图2，说明如下：

(1)在FPGA中利用两路参考信号与局部放电载波信号进行相乘和低通滤波，去除光源和声光调制噪声，得到连续的调相信号。之后两路信号相处采用反正切算法完成信号从载波相位上的提取，得到局部放电信号的幅度和频率；

(2)将局部放电信号数据通过FPGA发送至DSP，在DSP中采用超短基线定位算法(可以参考[1]田坦，刘国枝，孙大军.声呐技术[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，1999:P256-262；[2]喻敏.长程超短基线系统研制[D].哈尔滨工程大学博士论文2006，4；[3]查雨，张俊，顾亚平，范晓英，孙洋.基于正交阵的超短基线定位原理及系统实现[J].仪器仪表学报，2005，26(8):P127-128等。)

完成局部放电定位处理；超短基线定位算法原理为测量信号到达接收传感器阵列阵元之间的相位差和测量目标到传感器阵列中心的斜距实现定位。

(3)DSP处理后通过PCI接口将局部放电信号的幅度，频率和位置信息发送至上位机。通过Labview/Matlab将放电信号与存储的不同模式的放电信号进行对比(在上位机中预存储不同模式的放电信号)，完成模式识别，最后在Labview界面中进行结果显示。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种光纤局部放电检测系统，其特征在于包括：窄带光源(1)、光纤隔离器(2)、第一光纤耦合器(3)、第一声光调制器(4)、第二声光调制器(5)、同步驱动源(6)、信号发生器(7)、第一光纤延时环(8)、第二光纤耦合器(9)、第一光纤环形器(10)、第三光纤耦合器(11)、第二光纤延时环(12)、第四光纤耦合器(13)、第三光纤延时环(14)、第五光纤耦合器(15)、第四光纤延时环(16)、第六光纤耦合器(17)、第五光纤延时环(18)、第一法拉第旋转镜(19)、第二法拉第旋转镜(20)、第三法拉第旋转镜(21)、第四法拉第旋转镜(22)、第五法拉第旋转镜(23)、局部放电信号源(24)、第一光电探测器(25)、第二光纤环形器(26)、第七光纤耦合器(27)、第六光纤延时环(28)、第六法拉第旋转镜(29)、第七法拉第旋转镜(30)、第二光电探测器(31)、高速信号采集处理系统(32)和电脑实时显示与处理系统(33)；窄带光源(1)发出的窄带光经光纤隔离器(2)到达第一光纤耦合器(3)分为两路，由信号发生器(7)控制的同步驱动源(6)驱动的第一声光调制器(4)和第二声光调制器(5)对两路光分别进行移频，其调制频率差为Δf，将第一声光调制器(4)移频后的光信号通过长度为2L的第一光延时环(8)进行延时，另一路光信号不作延时，两路光信号先后到达第二光纤耦合器(9)；光信号再次分为两路，一路通过第一光纤环形器(10)进入传感端，另一路通过第二光纤环形器(26)进入参考端，通过第一光纤环形器(10)进入传感端的光信号经过第三光纤耦合器(11)，分别到达长度为L的第二光纤 延时环(12)与第一法拉第旋转镜(19)，到达第一法拉第旋转镜(19)的光信号被反射回去并经第一光纤环形器(10)进入第一光电探测器(25)，到达第二光纤延时环(12)的光信号再次经过第四光纤耦合器(13)分别进入长度为L的第三光纤延时环(14)与第二法拉第旋转镜(20)，同理，到达第二法拉第旋转镜(20)的光信号被反射至第一光电探测器(25)，到达第三光纤延时环(14)的光信号再经第五光纤耦合器(15)分别进入长度为L的第四光纤延时环(16)与第三法拉第旋转镜(21)，同理，到达第三法拉第旋转镜(21)的光信号被反射至第一光电探测器(25)，到达第四光纤延时环(16)的光信号经过第六光纤耦合器(17)分别进入长度为L的第五光纤延时环(18)与第四法拉第旋转镜(22)，同理，到达第四法拉第旋转镜(22)的光信号被反射至第一光电探测器(25)，到达第五光纤延时环(18)的光信号最终进入第五法拉第旋转镜(23)，并被反射至第一光电探测器(25)，到达第一光电探测器(25)的光信号只有满足干涉条件的才能发生干涉，当外界局部放电信号源(24)出现时，其发出的声波经由绝缘油传递到水听器阵列，引起第二光纤延时环(12)、第三光纤延时环(14)、第四光纤延时环(16)、第五光纤延时环(18)的长度发生变化，继而引起第一光电探测器(25)处干涉信号的相位发生变化，同理，进入第二光纤环形器(26)的光信号经第七光纤耦合器(27)分别进入第六法拉第旋转镜(29)与长度为L的第六光纤延时环(28)，到达第六法拉第旋转镜(29)的光信号反射至第二光电探测器(31)，到达第六光纤延时环(28)的光信号进入第七法拉第旋转镜(30)，并被反射至第二光电探测器(31)，只有满足干涉条件的光信号才能在第二光电探测器(31)处发生干涉，而且没有受到外界信号干扰，作为参考信号；光信号经由第一光电探测器(25)、第二光电探测器(31)转换为电信号，经高速信号采集处理系统(32)，进入电脑实时显示与处理系统(33)，即得到局部放电信号源(24)的相关信息,所述相关信息包括强度、频率和位置。

2.根据权利要求1所述的光纤局部放电检测系统，其特征在于：所述窄带光源(1)线宽10kHz以内，功率稳定性小于等于0.1dB/h，强度噪声小于等于-100dB/Hz。

3.根据权利要求1所述的光纤局部放电检测系统，其特征在于：所述光纤隔离器(2)隔离度大于等于50dB。

4.根据权利要求1所述的光纤局部放电检测系统，其特征在于：所述第一光纤耦合器(3)、第二光纤耦合器(9)、第七光纤耦合器(27)均为2x2型光纤耦合器，插入损耗小于等于0.2dB，分光比为1:1。

5.根据权利要求1所述的光纤局部放电检测系统，其特征在于：所述第一声光调制器(4)、第二声光调制器(5)均为TeO2，消光比大于等于50dB，插入损耗小于等于3dB。

6.根据权利要求1所述的光纤局部放电检测系统，其特征在于：所述第一光纤延时环(8)、第二光纤延时环(12)、第三光纤延时环(14)、第四光纤延时环(16)、第五光纤延时环(18)、第六光纤延时环(28)所用光纤为抗弯曲光纤，芯径为80μm。

7.根据权利要求1所述的光纤局部放电检测系统，其特征在于：所述第一光纤环形器(10)、第二光纤环形器(26)均为1x2型光纤环形器，隔离度大于等于50dB。

8.根据权利要求1所述的光纤局部放电检测系统，其特征在于：所述第三光纤耦合器(11)、第四光纤耦合器(13)、第五光纤耦合器(15)、第六光纤耦合器(17)均为2x2型光纤耦合器，插入损耗小于等于0.2dB，分光比需满足反射至光电探测器(25)处的各路光信号功率相同。

9.根据权利要求1所述的光纤局部放电检测系统，其特征在于所述第一法拉第旋转镜(19)、第二法拉第旋转镜(20)、第三法拉第旋转镜(21)、第四法拉第旋转镜(22)、第五法拉第旋转镜(23)、第六法拉第旋转镜(29)、第七法拉第旋转镜(30)旋转角为45°±1°，插入损耗小于等于0.3dB，直径2.5mm，长度10mm。

10.根据权利要求1所述的光纤局部放电检测系统，其特征在于：所述第一光电探测器(25)、第二光电探测器(31)带宽大于等于300MHz，增益700A/W，等效噪声压小于等于100pw/Hz^1/2。