CN105929312B - 一种电气设备局放源测向装置 - Google Patents
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Abstract
一种电气设备局放源测向装置，包括正方形传感器阵列和光学测量系统，所述传感器阵列的每个阵元包括球形外壳、设置于球形外壳中心的正方体重块和六个缠有光纤的弹性柱体，六个弹性柱体平均分为三组，每组的两个弹性柱体同轴，三组弹性柱体的轴线两两垂直且经过球形外壳的中心，其中两组弹性柱体的轴线分别平行于传感器阵列的两条垂直边，每个弹性柱体的一端粘结在正方体重块的一个面上，另一端顶在球形外壳的内壁上，每个弹性柱体上的光纤的一端设有法拉第旋转镜，另一端与光学测量系统连接。本发明采用光纤同振式矢量阵列传感器对局放进行测向，不仅频率响应好、抗电磁干扰能力强、测量精度高，而且具有体积小，适应性强，对设备影响小等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检测电气设备绝缘油中局部放电点方向的装置，属于检测技术领域。
背景技术
电力系统与人们的生活息息相关，因此电力系统运行的可靠性至关重要。电力系统中很多电气设备的电压等级比较高，往往采用绝缘油进行绝缘。在电气设备运行过程中，电极之间的绝缘材料往往会由于缺陷，老化，运行过电压等原因使局部区域绝缘能力弱化，进而导致局部放电的发生。虽然局部放电一般并不会立即发展成绝缘击穿，但是长时间的局部放电将导致局放处的绝缘能力下降，极有可能引发严重的短路事故。因此有必要实时监测电气设备内部是否发生局部放电以及局放的具体方位角，以便为后续的检修提供参考。
目前已有很多学者对电气设备局部放电的检测进行了探究，理论上有较大突破，也有很多检测装置出现。现有的电气设备局部放电定位方法主要有光定位法、电气定位法、特高频电磁波定位法、X射线激励定位法以及超声波定位法等。其中超声波定位法是根据局部放电产生的超声波的传播方向和时间来确定放电源的空间位置，由于该方法原理简单、抗电磁干扰能力强、成本低、能实现直接几何定位，因此应用较为广泛。
已有的比较成熟的方法是采用标量声压传感器组成一定的阵列，通过测量超声波到达各个阵元时的相位差，再利用一定的定向和定位算法实现局放源的定位。标量声压传感器的缺陷是灵敏度很低，无声场的方位信息，不能确定目标，在声强处理中，各向同性噪声不能相互抵消，信噪比较低；并且利用普通超声定位装置在变压器油中检测局放时，由于干扰较多，噪声影响较大，声波可能发生反射，导致检测出与实际不相符的多个局放源，造成定位失败。
目前比较前沿的是采用矢量传感器来确定局放源的方向或位置。矢量阵列传感器可以探测到超声波引起的振动，由传感器记录三个速度分量大小，进而根据一定的算法确定局放源的方位角及位置。这种方法在同性噪声的抵消和信噪比的提高方面有较大进步，但是仍然采用了压电式传感器，在变压器内部复杂的电磁场环境中面临严重的干扰，因此检测效果仍不够理想。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种频率响应效果好、抗电磁干扰能力强、能够对电气设备局部放电位置进行精确测向的装置。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种电气设备局放源测向装置，包括正方形传感器阵列和光学测量系统，所述正方形传感器阵列的每个阵元包括球形外壳、设置于球形外壳中心的正方体重块和六个缠有光纤的弹性柱体，六个弹性柱体平均分为三组，每组的两个弹性柱体同轴，三组弹性柱体的轴线两两垂直且经过球形外壳的中心，其中两组弹性柱体的轴线分别平行于正方形传感器阵列的两条垂直边，每个弹性柱体的一端粘结在正方体重块的一个面上，另一端顶在球形外壳的内壁上，每个弹性柱体上的光纤的一端设有法拉第旋转镜，另一端与光学测量系统连接。
上述电气设备局放源测向装置，所述正方形传感器阵列的每个阵元的球形外壳外部均设有弹性支架，所述弹性支架包括三个与球形外壳同心且所在平面两两相互垂直的圆环，不同圆环在交点处固定连接，每个圆环交点通过一个弹簧与球形外壳连接。
上述电气设备局放源测向装置，所述光学测量系统包括波形发生器、波分复用传输装置、计算机以及与每个阵元中的每组弹性柱体相对应的多个测量单元，每个测量单元包括窄线宽激光器、光隔离器和光耦合器，多个测量单元中的窄线宽激光器的波长各不相同，所述波形发生器对所有测量单元的窄线宽激光器进行调制，每个窄线宽激光器的输出光依次经光隔离器和光耦合器后，同时进入对应的一组弹性柱体上的两根光纤，两根光纤中的光信号先由法拉第旋转镜调整偏振态，再返回光耦合器中发生干涉，产生干涉光，多个测量单元的光耦合器输出的干涉光经波分复用传输装置送入计算机，由计算机采用MUSIC算法或前向空间平滑算法对波达方向进行估计。
上述电气设备局放源测向装置，所述波分复用传输装置包括合波器、后置光放大器、前置光放大器、分波器、数据采集卡及与各个测量单元相对应的多个光电转换器，所述合波器的多个输入端分别接多个测量单元的光耦合器的输出光口，合波器的输出端依次经后置光放大器、光纤线路、前置光放大器接分波器的输入端，每个光电转换器的输入端接分波器的一个输出端，输出端经一个带通滤波器接数据采集卡的一个输入端，所述数据采集卡的信号输出端接计算机。
上述电气设备局放源测向装置，相邻阵元的球形外壳的中心距为所测声波的半波长。
上述电气设备局放源测向装置，所述球形外壳与其内部元件的平均密度与电气设备内绝缘油的密度相等。
上述电气设备局放源测向装置，所述正方形传感器阵列为3×3阵列。
本发明采用放置在电气设备绝缘油中的光纤同振式矢量阵列传感器对局部放电的位置进行测向，提升了侧向灵敏度，而且，其灵敏度随频率的增大而增大；本发明的抗电磁干扰能力强大，由于变压器内部有很强和很复杂的的电磁场环境，普通测量传感器很容易在这种电磁环境中感应电压，从而干扰传感器的正常运行，而本发明采用光纤来感应声波，并由光来传输信号，不易被强大的电磁场所影响。本发明的测量精度高，在相同的实验条件和相同的波达估计算法下，传统的标量传感器仿真误差的标准差一般在1度以内，实验误差的标准差一般在5度以内，而本发明光纤矢量传感器的仿真误差的标准差一般在0.5度以内，实验误差的标准差一般在4.1度以内。除此之外，本发明还具有体积小，适应性强，对电气设备的正常运行影响小等优点。
附图说明
图1为正方形传感器阵列的结构示意图；
图2为正方形传感器阵列单阵元结构示意图；
图3为正方形传感器阵列单阵元内部结构示意图；
图4为弹性柱体结构示意图；
图5为光学测量系统框图；
图6为本发明在应用过程中的仿真结果图。
图中各标号表示为：1.圆环，2.弹簧，3.球形外壳，4.弹性柱体，5.正方体重块，6.光纤孔，7.光纤，8.法拉第旋转镜；OBA、后置光放大器；OPA、前置光放大器；λ1、λ27、光波长。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明包括正方形传感器阵列和光学测量系统。
所述正方形传感器阵列部分设置在电气设备的绝缘油中，用于感应局放源产生的超声波信号。正方形传感器阵列部分为一个3×3的阵列，共9个传感器单元(阵元)，每个传感器单元外部设有弹性支架，弹性支架由三个所在平面两两相互垂直的圆环1和六个软弹簧2组成，三个圆环1共有六个交点，每个弹簧2的一端固定在一个圆环交点上，另一端与球形外壳3相连；圆环1的半径为6mm，由环氧树脂材料制作，弹簧长2mm，中间的球形外壳3由铝合金制造，半径为4mm。由于所测量超声波频率为50～80KHZ，行列之间的阵元间距(中心距)选择为12mm。每个传感器单元为一个封闭的球体，其平均密度与电气设备内绝缘油近似相等，本发明中设计为0.9g/cm3，重心位于球形外壳3的球心处。每个阵元中心处为一个铜块做的正方体重块5，边长为2.5mm；六个弹性柱体4的一端与正方体重块5的一个面相连接，另一端与球形外壳3内壁紧贴，弹性柱体4采用硅橡胶材料制造，底面直径为2.5mm，高为2.55mm。位于一条直线上的两个(一组)弹性柱体上缠有光纤，构成一对光纤臂，球形外壳3与弹性柱体接触位置附近设置有光纤孔6，光纤孔6的直径与光纤7外径相同，使光纤7刚好通过，光纤7为单模光纤，型号为8/125um。
阵列传感器的主要制作步骤包括：
1、在弹性柱体上刻上光纤槽，并将光纤缠绕在弹性柱体上，用JL-499胶水把弹性柱体和正方体重块5粘在一起；
2、球形外壳3由两个半球拼成，先将弹性柱体4和正方体重块5放在其中一个半球中，把所有光纤的两端从光纤小孔中穿出；再把两个半球对合，接缝处和光纤孔处使用JL-499胶水密封；
3、将弹簧2和球形外壳3用JL-499胶水粘在三个圆环上，三个圆环所在平面相互垂直，每个圆环内都有四个与其共面的弹簧；
4、按照此步骤完成所有阵元的制作，再将9个阵元固定成图1所示的正方形阵列，所有阵元内部的两对光纤臂的轴线分别与正方形传感器阵列的两条垂直边平行；
5、按照光学测量系统框图完成光纤的连接，除正方形传感器阵列以外，其余光信号元件均设置在电气设备外部。
当电气设备内部发生局部放电时，发出的超声波传播到正方形传感器阵列上，正方形传感器阵列上的每一个阵元按照一定的相位差规律随着超声波做同频率的振动，球形外壳内部的六个弹性柱体在随着球形外壳振动的同时，与位于球心处的正方体重块发生挤压，弹性柱体发生形变并对弹性柱体上的光纤产生作用力，致使光纤轴向长度、折射率以及波导归一化频率发生变化，光通过位于一条直线上的弹性柱体的两光纤臂后经法拉第旋转镜反射，在光耦合器处发生干涉并输出；同一个阵元上的空间相互垂直的三对光纤臂可以分别测出球形外壳在三个相互垂直的方向上的振动速度分量；干涉光相位的变化情况对应速度分量的大小。
光学测量系统包括波形发生器，27种波长的窄线宽激光器，光隔离器，光耦合器，单模光纤，法拉第旋转镜，波分复用传输装置和计算机，波形发生器对所有的窄线宽激光器进行调制，经调制的激光通过光隔离器，光耦合器进入两个光纤臂，采用法拉第旋转镜对光的偏振态进行调整，防止偏振衰落现象对干涉光强度的影响。光耦合器输出的干涉光通过由合波器、后置光放大器、前置光放大器、分波器、光电转换器、带通滤波器和数据采集卡组成的波分复用传输装置送到计算机。从光耦合器输出的相位干涉信号经过合波器进入一条光纤中，在经过后置光放大器进行放大，进入光纤线路，经过较长距离的传输后进入控制室，在控制室内首先经过前置光放大器放大光信号，再由控制室内的分波器将各个波长的干涉信号分开，经过光电转换后，由带通滤波器将50～80KHZ的超声波信号提取出来，采用MUSIC算法或前向空间平滑算法等其他波达方向估计算法对波达方向进行估计。
本实施例中所采用的光器件名称与型号为：
采用NP Photonics公司生产的窄线宽激光器；光耦合器采用四脚线性光耦PC817A----C；单模光纤选用8/125um规格；法拉第旋转镜型号为IFR-1，由莜晓光子技术有限公司生产；波形发生器为QA212D；光放大器型号为YDFA+18dBm掺镱光纤放大器。
本发明的测量步骤为:
①首先对光耦合器输出的干涉光通过法拉第旋转镜进行调试，使输出的干涉光强度达到最大；
②将阵列传感器放入电气设备绝缘油内部并固定，将正方形阵列的任意一个角的位置处的阵元作为坐标原点，正方形的两条垂直边所在直线作为X轴和Y轴，建立直角坐标系，传感器固定位置的选择和坐标轴的建立以便于测量局放源位置为原则；
③对9个阵元依次进行编号，原点位置处阵元为1号，再沿X轴方向依次编号2，3……，对电气设备内部局放信号进行数据采集，在一次采样中设所有阵元采集到的信号为X1，X2，……X27，组成列向量X，本实施例中设计快拍数T为1024，本实施例采用MUSIC算法；对每一次的采样信号求解协方差：R’＝X*XH，再将1024次的计算结果求平均值，得到R；
④对R进行分解并构造谱函数，进行谱峰搜索，可以得到局放源的方位角和俯仰角；
⑤如果在电气设备的不同位置处再增加一个或一个以上的正方形传感器阵列，则可以实现局放源的定位，估计出局放源的坐标。
图6为采用本实施例方法得到的测向仿真结果图，信噪比设置为0dB，局放源方位角设置为120°，俯仰角为45°，采用MUSIC算法。通过谱峰搜索得到的局放源方位角为120°，俯仰角为45°，与仿真设置一致，说明测向方法比较可靠。
由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
本发明的光纤同振式矢量阵列传感器可直接放置在电气设备绝缘油中，利用波分复用原理实现矢量信号的传输，进而实现对局部放电源方位的测定，该装置具有体积小，适应性强，对电气设备的正常运行影响小的显著优点。9个阵元分别通过软弹簧固定在相应的位置，相互之间基本没有干扰，有助于局放源的精确测量。单个矢量传感器阵元已具有测向能力，组成阵列后使测向的稳定性、可靠性和准确性提高。实现了传感器测量传输部分的全光纤化，基本不受电磁场对传感器的干扰，有利于后续信号的处理。和已有的压差式矢量传感器相比，由于采用了同振式结构，避免了压差式传感器在求压强差时的近似过程，测量结果更准确。如果能采用两个或两个以上的阵列，并将其放置于电气设备不同位置处，还可以实现局放源的定位，为电气设备的快速准确的检修提供参考。
Claims (7)
1.一种电气设备局放源测向装置，其特征是，构成中包括正方形传感器阵列和光学测量系统，所述正方形传感器阵列的每个阵元包括球形外壳(3)、设置于球形外壳(3)中心的正方体重块(5)和六个缠有光纤(7)的弹性柱体(4)，六个弹性柱体(4)平均分为三组，每组的两个弹性柱体(4)同轴，三组弹性柱体(4)的轴线两两垂直且经过球形外壳(3)的中心，其中两组弹性柱体(4)的轴线分别平行于正方形传感器阵列的两条垂直边，每个弹性柱体(4)的一端粘结在正方体重块(5)的一个面上，另一端顶在球形外壳(3)的内壁上，每个弹性柱体(4)上的光纤(7)的一端设有法拉第旋转镜，另一端与光学测量系统连接。
2.根据权利要求1所述的一种电气设备局放源测向装置，其特征是，所述正方形传感器阵列的每个阵元的球形外壳(3)外部均设有弹性支架，所述弹性支架包括三个与球形外壳(3)同心且所在平面两两相互垂直的圆环(1)，不同圆环(1)在交点处固定连接，每个圆环交点通过一个弹簧(2)与球形外壳(3)连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种电气设备局放源测向装置，其特征是，所述光学测量系统包括波形发生器、波分复用传输装置、计算机以及与每个阵元中的每组弹性柱体(4)相对应的多个测量单元，每个测量单元包括窄线宽激光器、光隔离器和光耦合器，多个测量单元中的窄线宽激光器的波长各不相同，所述波形发生器对所有测量单元的窄线宽激光器进行调制，每个窄线宽激光器的输出光依次经光隔离器和光耦合器后，同时进入对应的一组弹性柱体(4)上的两根光纤，两根光纤中的光信号先由法拉第旋转镜(8)调整偏振态，再返回光耦合器中发生干涉，产生干涉光，多个测量单元的光耦合器输出的干涉光经波分复用传输装置送入计算机，由计算机采用MUSIC算法或前向空间平滑算法对波达方向进行估计。
4.根据权利要求3所述的一种电气设备局放源测向装置，其特征是，所述波分复用传输装置包括合波器、后置光放大器(OBA)、前置光放大器(OPA)、分波器、数据采集卡及与各个测量单元相对应的多个光电转换器，所述合波器的多个输入端分别接多个测量单元的光耦合器的输出光口，合波器的输出端依次经后置光放大器(OBA)、光纤线路、前置光放大器(OPA)接分波器的输入端，每个光电转换器的输入端接分波器的一个输出端，输出端经一个带通滤波器接数据采集卡的一个输入端，所述数据采集卡的信号输出端接计算机。
5.根据权利要求4所述的一种电气设备局放源测向装置，其特征是，相邻阵元的球形外壳(3)的中心距为所测声波的半波长。
6.根据权利要求5所述的一种电气设备局放源测向装置，其特征是，所述球形外壳(3)与其内部元件的平均密度与电气设备内绝缘油的密度相等。
7.根据权利要求6所述的一种电气设备局放源测向装置，其特征是，所述正方形传感器阵列为3×3阵列。
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