CN106093715A - 一种电气设备局放源定位装置及定位方法 - Google Patents

Abstract

一种电气设备局放源定位装置及定位方法，装置包括六个圆柱形声压传感基元（1），圆柱形声压传感基元端部设有光纤小孔（2）；圆柱形声压传感基元端部固定弹性膜片（3）；圆柱形声压传感基元内部为同轴空心圆柱体，内部有固定在底面的弹性柱体（4）；弹性柱体上缠有光纤；光纤末端镀有高反射率的铝膜；所述激光二极管发出的激光经过光隔离器输入到光耦合器；反射的干涉光进入光电探头。本发明装置采用的压差式结构，从原理上抵消了电气设备内部的各向同性噪声，提高了信噪比。本发明采用测向线最小切球球心原理确定局放源位置的方法。本发明对于能量较弱的超声波信号也能做出响应，具有灵敏度高，大动态范围，抗电磁干扰、可靠性高的优点。

Description

一种电气设备局放源定位装置及定位方法

技术领域

本发明涉及一种电气设备局放源定位装置及定位方法，属电气设备检测技术领域。

背景技术

很多电气设备采用油作为绝缘介质，这样的优点是可以提高电气设备的绝缘强度，对大电流流过的电气设备起到散热冷却的作用，在设备内部产生电弧时可以灭弧。然而在电气设备长时间的运行过程中由于绝缘老化、过电压或者电气设备绝缘层结构不均匀等问题，容易导致局部绝缘性能下降，这些绝缘弱化的部位会率先发生各种类型的放电，从而导致绝缘的进一步受损，使电气设备内部发生各种短路故障。如果能在电气设备发生局部放电的初期及早发现问题，便可以对电气设备进行及时的维护，从而避免更大事故的发生。

目前对于电气设备局部放电检测已有大量的基础研究和应用开发工作。当前进行局部放电检测的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传播的方向和时间来确定放电源的空间位置，由于其原理简单、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。

已有的方法一般是采用标量传感器组成一定的阵型，利用超声波到达阵列中的每个阵元的相位差再结合一定的定位手段实现局放源的定位。这种方法能在一定程度上获得较理想的结果，但是由于现场有较大的各向同性噪声，信噪比较低，所以常常会发生定位失败的问题。

近年来一些学者已经提出了使用矢量传感器对电气设备内部局放源进行定位的思路，矢量传感器输出本身已蕴含了空间目标的方向信息，矢量传感器分为同振式和压差式两种，已有的用于电气设备局放检测的矢量传感器都是基于压电陶瓷的压电效应来测量超声波信号，压电陶瓷传感器的主要缺点是灵敏度较低、存在电磁干扰问题等。这使得矢量传感器的潜在优势性能得不到充分发挥。

发明内容

本发明的目的是，为了克服现有技术中缺陷，本发明提供一种具有高灵敏度、大动态范围、抗电磁干扰、可靠性更高、能够对电气设备局放位置进行准确定位的一种电气设备局放源定位装置及定位方法。

实现本发明的技术方案，本发明电气设备局放源定位装置即为光纤压差式超声矢量传感器，光纤压差式超声矢量传感器包括声波振动感应模块、光学系统测量模块和信号处理模块。

声波振动感应模块，用于感知局放源处发射的超声波信号。

光学系统测量模块，用于将声波振动模块的信号转化为光信号的相位差，然后再将光信号的相位差信号转化为电信号。

信号处理模块，用于提取声波信号。

所述声波振动感应模块的输出端连接光学系统测量模块输入端，光学系统测量模块输出端再连接信号处理模块。

所述声波振动感应模块包括陶瓷外壳、弹性柱体和振动膜片；所述陶瓷外壳为六个空心柱体构成的结构，六个空心柱体为六个圆柱形声压传感基元；空心柱体内部放有弹性柱体；圆柱形声压传感基元端部设置有固定弹性膜片，圆柱形声压传感基元端部侧边设有光纤小孔。

所述六个圆柱形声压传感基元分为三组，每组两个位于一条直线上，三组圆柱形声压传感基元的轴对称线空间上两两垂直。

所述圆柱形声压传感基元半径为0.9mm，高度为1mm，每组两个声压传感基元的中心距离为2.8mm。

所述光纤小孔为直径等于光纤直径的圆形孔或边长等于光纤直径长度的方形孔。

所述弹性膜片为半径0.9mm的圆形超薄不锈钢薄片。

所述弹性柱体为半径0.8mm，高度为1mm的圆柱体，侧面刻有半圆形螺纹。

所述弹性柱体上所缠光纤为单模保偏弯曲不敏感光纤。

所述光学系统测量模块包括激光二极管，光隔离器，光耦合器，保偏光纤，光电探头；所述保偏光纤缠绕在所述弹性柱体上，保偏光纤末端镀有高反射率的铝膜；所述激光二极管发出的激光经过光隔离器输入到光耦合器；光耦合器连接保偏光纤，从保偏光纤反射的干涉光进入光电探头；所述激光二极管连接信号处理模块的波形发生器。

所述激光二极管用于产生窄频带的激光；所述光隔离器可以防止光纤中反射光对激光光源的干扰；所述光耦合器用于将光源分束，反射光经过并发生干涉；所述保偏光纤可以防止偏振衰落导致的干涉光减弱；光电探头将干涉光相位变化转换为电信号。

所述信号处理模块包括波形发生器，倍频器，混频器，低通滤波器，微分器，乘法器，差分器，积分器和高通滤波器；波形发生器依交连接倍频器和混频器，混频器分别将一倍频和二倍频的信号输出依次通过低通滤波器、微分器和乘法器，将一倍频和二倍频的信号输出至差分器，由差分器通过积分器和高通滤波器，输出声波信号；光电探头将干涉光相位变化转换电信号的一倍频和二倍频信号分别依次通过混频器、低通滤波器、微分器和乘法器，到差分器，再由差分器通过积分器和高通滤波器输出声波信号。

一种电气设备局放源定位装置的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)制造六个圆柱形声压传感基元的基本模型，使用陶瓷作为材料，每个圆柱形声压传感基元圆柱内半径为0.9mm，高度为1mm，每组的两个圆柱形声压传感基元中心间距为2.8mm；

(2)在圆柱形声压传感基元的端部开小孔，尺寸为光纤的直径大小；

(3)把硅橡胶材料做成半径0.8mm，高度为1mm的圆形弹性柱体，在硅橡胶表面刻半圆形螺纹，半圆形螺纹直径为光纤的直径；

(4)将光纤绕在弹性柱体上，光纤一端镀高反射率铝膜；

(5)把弹性柱体放入圆柱形声压传感基元中，并粘在底部；

(6)光纤另一端从圆柱形声压传感基元的小孔中穿出，用弹性膜片把圆柱形声压传感基元的端部盖住，弹性膜片与弹性柱体和圆柱形声压传感基元的边缘粘接；

(7)将光纤与光学系统测量模块及信号处理模块连接。

本发明一种电气设备局放源的定位方法采用测向线最小切球球心原理确定局放源的位置，方法如下：

在电气设备上选择一个位置作为原点，建立直角坐标系，将三个光纤压差式矢量传感器固定在电气设备内部，浸泡在电气设备绝缘油中，其中光纤压差式矢量传感器的三个坐标轴均与直角坐标系的三个轴分别平行。设传感器t(t＝1,2,3)位置坐标为A_t(x_t,y_t,z_t)，三个矢量传感器测量得到的方位角和俯仰角为局放源放电位置为S(x,y,z)，在XOY平面上的投影为S"，传感器t对应的切线方程为：

设与三条空间异面直线相切的最小切球的圆心为(x,y,z)，到三条直线的距离为d_t，则

即在空间上寻找一点(x,y,z)，在d₁＝d₂＝d₃的条件下，使得d₁最小，该点即为局放源坐标，可以使用现有的搜索算法对该点进行搜索。

本发明的工作原理是，本发明的压差式光纤矢量传感器可直接放在电气设备的绝缘油中，当电气设备内部发生局部放电时，产生的超声波信号传播到光纤矢量传感器的六个声压基元上，从而缠绕在弹性柱体上的光纤受到声波的物理扰动而发生物理参数的变化，使得每组的光纤上的反射光的干涉相位发生变化，由光电探头把相位差信号转换为电信号。具有灵敏度高，大动态范围，抗电磁干扰、可靠性高的优点。

本发明的有益效果是，本发明采用的压差式结构，从原理上抵消了电气设备内部的各向同性噪声，提高了信噪比。与传统的声压传感器相比，由于单个压差式光纤矢量传感器已经具有测向能力，即使不组成阵列，也可以实现精确的测向，可以避免组阵造成的距离误差和复杂的调试校正过程；与传统的采用压电陶瓷传感器的矢量传感器相比，由于传感器采用的是光信号测量，在电气设备内复杂的电磁场环境下基本不受电磁干扰，大大提高了传感器工作的可靠性。本发明由于采用了光纤干涉技术，对于能量较弱的超声波信号也能做出响应，具有灵敏度高，大动态范围，抗电磁干扰、可靠性高的优点。

附图说明

图1为本发明声波振动感应模块的结构示意图；

图2为本发明圆柱形声压传感基元结构示意图；

图3为本发明所述弹性柱体结构示意图；

图4为本发明光纤连接结构示意图；

图5为本发明信号处理模块结构框图；

图6为本发明局放源定位原理示意图；

图中，1为圆柱形声压传感基元；2为光纤小孔；3为弹性膜片；4为弹性柱体；5为保偏光纤；6为高反射率铝膜；7为激光二极管；8为光隔离器；9为光耦合器；10为光电探头；11为波形发生器。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

本发明实施例一种电气设备局放源定位装置，即为光纤压差式超声矢量传感器，光纤压差式超声矢量传感器包括传感器声波振动感应模块以及光学系统测量模块。

本实施例的传感器声波振动感应模块包括陶瓷外壳，弹性柱体以及振动膜片。陶瓷外壳为六个空心柱体构成的结构，六个空心柱体为六个圆柱形声压传感基元1；空心柱体内部放有弹性柱体4；圆柱形声压传感基元端部设置有固定弹性膜片3，圆柱形声压传感基元端部侧边设有光纤小孔2。如图1和图2所示。

本实施例光学系统包括激光二极管7，光隔离器8，光耦合器9，保偏光纤5，光电探头10。保偏光纤缠绕在所述弹性柱体上，保偏光纤末端镀有高反射率的铝膜；所述激光二极管发出的激光经过光隔离器输入到光耦合器；光耦合器连接保偏光纤，从保偏光纤反射的干涉光进入光电探头；所述激光二极管连接信号处理模块的波形发生器。如图3和图4所示。

本实施例所述激光二极管7用于产生窄频带的激光；所述光隔离器8可以防止光纤中反射光对激光光源的干扰；所述光耦合器9用于将光源分束，反射光经过并发生干涉；所述保偏光纤5可以防止偏振衰落导致的干涉光减弱；光电探头将干涉光相位变化转换为电信号。

光纤压差式超声矢量传感器包括六个圆柱形声压传感基元1，圆柱形声压传感基元端部设有光纤小孔2；圆柱形声压传感基元端部固定弹性膜片3；圆柱形声压传感基元内部为同轴空心圆柱体，内部有固定在底面的弹性柱体4；弹性柱体上缠有光纤5；光纤末端镀有高反射率的铝膜6；所述激光二极管7发出的激光经过光隔离器8输入到光耦合器9；反射的干涉光进入光电探头10。

本实施例中，六个圆柱形声压传感基元分为三组，每组两个位于一条直线上，三组圆柱形声压传感基元的轴对称线空间上两两垂直，圆柱形声压传感基元半径为0.9mm，高度为1mm，每组两个圆柱形声压传感基元的中心距离为2.8mm，采用陶瓷材料铸造，六个圆柱形声压传感基元做成一个整体。

本实施例中，光纤小孔为边长为光纤的直径长度的方形孔。

本实施例中，弹性膜片采用半径0.9mm的圆形超薄不锈钢薄片。

本实施例中，弹性柱体为半径0.8mm，高度为1mm的圆柱体，圆柱侧面刻有半圆形螺纹，半圆形螺纹和螺纹间距均为光纤的直径。

本实施例中，弹性柱体上所缠光纤为单模保偏弯曲不敏感光纤。

本实施例在制备时按如下步骤进行：

第一步：制造六个圆柱形声压传感基元的基本模型，每个圆柱形声压传感基元圆柱内半径为0.9mm，高度为1mm，每组的两个圆柱形声压传感基元中心间距为2.8mm，可以将六个圆柱形声压传感基元进行整体制作；

第二步：在圆柱形声压传感基元的端部开小孔，方形孔边长为光纤的直径大小；

第三步：把硅橡胶材料做成半径0.8mm，高度为1mm的圆柱体，在硅橡胶表面刻半圆形螺纹，半圆形螺纹直径为光纤的直径；

第四步：将光纤绕在圆柱体上，光纤一端镀高反射率铝膜；

第五步：把弹性柱体放入圆柱形声压传感基元中，并粘在底部；

第六步：光纤另一端从圆柱形声压传感基元的小孔中穿出，用弹性膜片把圆柱形声压传感基元的端部盖住，弹性膜片与弹性柱体和圆柱形声压传感基元的边缘粘接；

第七步：将光纤与激光二极管、光隔离器、光耦合器、按照光路结构图5所示框图连接。

本实施例采用测向线最小切球球心原理确定局放源的位置，方法如下：

实施局放源定位时，直接将压差式光纤矢量传感器放置在电气设备的绝缘油中，以使声压传感基元获取最大强度的超声波信号。

压差式光纤矢量传感器在工作时，电气设备绝缘油内的声场会引起绝缘油内声压变化，进而会引起光纤臂差的变化，产生相位差，光纤臂的相位差为：

$\mathrm{\φ}=\frac{2\mathrm{\π}nlv}{c}$

式中，φ为两光纤臂的相位差，n为纤芯的折射率，l为干涉臂和传感臂的长度差，v为光频率，c是真空中光速，由外界导致的输出相位差为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}=\frac{2\mathrm{\π}nlv}{c}(\frac{\mathrm{\Δ}n}{n}+\frac{\mathrm{\Δ}l}{l}+\frac{\mathrm{\Δ}v}{v})$

式中，Δφ为外界物理量引起的光纤耦合器输出的相位差，Δn为光纤受到弹性柱体挤压作用时由光弹效应产生应力双折射引起受力部分的折射率变化；Δl为弹性柱体长度发生变化时引起光纤轴向长度变化；Δv为光纤纤芯受力时直径发生变化导致波导归一化频率的变化量。

波形发生器产生高频载波信号对激光光源进行调制，同时高频载波信号经过倍频器生成一倍频和二倍频信号，光电探头上输出的信号分别与一倍频和二倍频信号经过混频器，低通滤波器，微分器，乘法器，差分器，积分器和高通滤波器的运算后解调出声波信号。

以易于测量为原则，在电气设备上选择一个位置作为原点，建立直角坐标系，将三个光纤压差式矢量传感器固定在电气设备内部，浸泡在电气设备绝缘油中，其中光纤压差式矢量传感器的三个坐标轴均与直角坐标系的三个轴分别平行。设传感器t(t＝1,2,3)位置坐标为A_t(x_t,y_t,z_t)，三个矢量传感器测量得到的方位角和俯仰角为局放源放电位置为S(x,y,z)，在XOY平面上的投影为S"，传感器t对应的切线方程为：

设与三条空间异面直线相切的最小切球的圆心为(x,y,z)，到三条直线的距离为d_t，则

即在空间上寻找一点(x,y,z)，在d₁＝d₂＝d₃的条件下，使得d₁最小，该点即为局放源坐标，可以使用现有的搜索算法对该点进行搜索。定位原理示意图如图6所示。

式中p_t表示最小切球与测向线的切点，S为局放源位置，表示切点到球心的向量，表示测向线对应的向量。

Claims (8)

1.一种电气设备局放源定位装置，其特征在于，所述装置即为光纤压差式超声矢量传感器，光纤压差式超声矢量传感器装置包括：

传感器声波振动感应模块，用于感知局放源处发射的超声波信号；

光学系统测量模块，用于将声波振动模块的信号转化为光信号的相位差，然后再将光信号的相位差信号转化为电信号；

信号处理模块，用于提取声波信号；

所述声波振动感应模块的输出端连接光学系统测量模块输入端，光学系统测量模块输出端再连接信号处理模块。

2.根据权利要求1所述一种电气设备局放源定位装置，其特征在于，所述传感器声波振动感应模块包括陶瓷外壳、弹性柱体和振动膜片；所述陶瓷外壳为六个空心柱体构成的结构，六个空心柱体为六个圆柱形声压传感基元；空心柱体内部放有弹性柱体；圆柱形声压传感基元端部设置有固定弹性膜片，圆柱形声压传感基元端部侧边设有光纤小孔。

3.根据权利要求1所述一种电气设备局放源定位装置，其特征在于，所述光学系统测量模块包括激光二极管，光隔离器，光耦合器，保偏光纤和光电探头；所述保偏光纤缠绕在所述弹性柱体上，保偏光纤末端镀有高反射率的铝膜；所述激光二极管发出的激光经过光隔离器输入到光耦合器；光耦合器连接保偏光纤，从保偏光纤反射的干涉光进入光电探头；所述激光二极管连接信号处理模块的波形发生器。

4.根据权利要求1所述一种电气设备局放源定位装置，其特征在于，所述信号处理模块包括波形发生器，倍频器，混频器，低通滤波器，微分器，乘法器，差分器，积分器和高通滤波器；波形发生器依交连接倍频器和混频器，混频器分别将一倍频和二倍频的信号输出依次通过低通滤波器、微分器和乘法器，将一倍频和二倍频的信号输出至差分器，由差分器通过积分器和高通滤波器，输出声波信号；光电探头将干涉光相位变化转换电信号的一倍频和二倍频信号分别依次通过混频器、低通滤波器、微分器和乘法器，到差分器，再由差分器通过积分器和高通滤波器输出声波信号。

5.根据权利要求2所述一种电气设备局放源定位装置，其特征在于，所述六个圆柱形声压传感基元分为三组，每组两个位于一条直线上，三组声压传感基元的轴对称线在空间上两两垂直；

所述圆柱形声压传感基元半径为0.9mm，高度为1mm，每组两个声压传感基元的中心距离为2.8mm；

所述光纤小孔为直径等于光纤直径的圆形孔或边长等于光纤直径长度的方形孔；

所述弹性膜片为半径0.9mm的圆形超薄不锈钢薄片；

所述弹性柱体为半径0.8mm，高度为1mm的圆柱体，侧面刻有半圆形螺纹；

所述弹性柱体上所缠光纤为单模保偏弯曲不敏感光纤。

6.根据权利要求3所述一种电气设备局放源定位装置，其特征在于，所述激光二极管用于产生窄频带的激光；所述光隔离器可以防止光纤中反射光对激光光源的干扰；所述光耦合器用于将光源分束，反射光经过并发生干涉；所述保偏光纤可以防止偏振衰落导致的干涉光减弱；光电探头将干涉光相位变化转换为电信号。

7.根据权利要求1所述一种电气设备局放源定位装置，其特征在于，所述装置的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)制造六个圆柱形声压传感基元的基本模型，使用陶瓷作为材料，每个圆柱形声压传感基元圆柱内半径为0.9mm，高度为1mm，每组的两个圆柱形声压传感基元中心间距为2.8mm；

(2)在圆柱形声压传感基元的端部开小孔，尺寸为光纤的直径大小；

(3)把硅橡胶材料做成半径0.8mm，高度为1mm的圆形弹性柱体，在硅橡胶表面刻半圆形螺纹，半圆形螺纹直径为光纤的直径；

(4)将光纤绕在弹性柱体上，光纤一端镀高反射率铝膜；

(5)把弹性柱体放入圆柱形声压传感基元中，并粘在底部；

(6)光纤另一端从圆柱形声压传感基元的小孔中穿出，用弹性膜片把圆柱形声压传感基元的端部盖住，弹性膜片与弹性柱体和圆柱形声压传感基元的边缘粘接；

(7)将光纤与光学系统测量模块及信号处理模块连接。

8.一种电气设备局放源的定位方法，其特征在于，所述方法采用测向线最小切球球心原理确定局放源的位置，方法如下：

在电气设备上选择一个位置作为原点，建立直角坐标系，将三个光纤压差式矢量传感器固定在电气设备内部，浸泡在电气设备绝缘油中，其中光纤压差式矢量传感器的三个坐标轴均与直角坐标系的三个轴分别平行；设传感器t的位置坐标为A_t(x_t,y_t,z_t)，三个矢量传感器测量得到的方位角和俯仰角为局放源放电位置为S(x,y,z)，在XOY平面上的投影为S"，传感器t对应的切线方程为：

设与三条空间异面直线相切的最小切球的圆心为(x,y,z)，到三条直线的距离为d_t，则

即在空间上寻找一点(x,y,z)，在d₁＝d₂＝d₃的条件下，使得d₁最小，该点即为局放源坐标，可以使用现有的搜索算法对该点进行搜索；

式中p_t表示最小切球与测向线的切点，S为局放源位置，表示切点到球心的向量，表示测向线对应的向量。