CN106093732A

CN106093732A - 用于高压电气设备局部放电检测的光纤方向传感器

Info

Publication number: CN106093732A
Application number: CN201610607733.0A
Authority: CN
Inventors: 王伟; 高超飞; 刘晗; 商超; 刘旭
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2016-07-28
Filing date: 2016-07-28
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2036-07-28
Also published as: CN106093732B

Abstract

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种用于高压电气设备局部放电检测的光纤方向传感器，包括光纤磁场传感器和光纤电场传感器；光纤磁场传感器包括依次相连的：第一单模光纤、第一起偏器、传感光纤环、第一检偏器、第一光电探测器；感器包括依次相连的：第二单模光纤、第一准直透镜、第二起偏器、四分之一波片、电光晶体、第二检偏器、第二准直透镜、第二光电探测器；第一单模光纤和第二单模光纤均与光源相连，第一光电探测器和第二光电探测器均与信号处理单元相连。信号处理单元通过光纤磁场传感器和光纤电场传感器分别检测到的脉冲信号磁场和电场的极性，来判断脉冲信号传播的方向。

Description

用于高压电气设备局部放电检测的光纤方向传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种用于高压电气设备局部放电检测的光纤方向传感器。

背景技术

目前国内外大型电力设备诸如：变压器、GIS等的局部放电在线监测有多种方法，主要包括甚高频(VHF)脉冲电流检测法、超高频(UHF)电磁波检测法和压电传感器超声波检测法，其中VHF和UHF检测法检测的是电信号，容易受到电磁干扰信号的干扰；压电超声法检测的是超声波信号，但传感器是贴在设备外壳上检测设备内部局部放电产生的超声波信号，虽然不易受到电磁噪声的干扰，但灵敏度不高。也有将压电传感器放置在设备外壳的内部，在油中检测局部放电，但由于压电超声传感器在油中检测灵敏度不高，同时不能放在高电位处进行测量，使其检测方法受到限制。

光学方法测量高压电气设备局部放电的技术主要有三种——直接探测可见光法、法拉第磁光效应法和光-超声波法。直接探测可见光法只适合于用透明电介质作为绝缘材料的高压电器设备，不适用于以固体电介质、液体电介质作为绝缘材料的高压电器设备的局部放电检测；光-超声波法传感器具有抗干扰能力强、绝缘性能好等优点，但其存在传感器精度要求高、加工困难，且受温度变化影响较大，超声信号存在较多折反射而衰减严重等不足；基于法拉第磁光效应原理的光纤电流传感器初期只适合固定形状的高压电器设备的局部放电检测，得益于光纤技术的发展，具有就好应用前景。

发明内容

针对目前大型电力设备内部局部放电检测技术存在的不足，本发明提出了一种用于高压电气设备局部放电检测的光纤方向传感器，包括光纤磁场传感器和光纤电场传感器；

其中，光纤磁场传感器包括依次相连的：第一单模光纤、第一起偏器、传感光纤环、第一检偏器、第一光电探测器；

光纤电场传感器包括依次相连的：第二单模光纤、第一准直透镜、第二起偏器、四分之一波片、电光晶体、第二检偏器、第二准直透镜、第二光电探测器；

第一单模光纤和第二单模光纤均与光源相连，第一光电探测器和第二光电探测器均与信号处理单元相连。

所述传感光纤环套在被测导体上，用于检测起偏器产生的线偏振光在局部放电信号所产生的磁场的作用下所发生的方位角偏转。

所述电光晶体设置在被测导体旁，用于检测四分之一波片产生的圆偏振光在外部电压干扰下的光信号。

所述第二检偏器将光分成两束光波后经过第二准直透镜进入第二光电探测器，由第二光电探测器解调出两个干涉信号从而获得外部干扰电压。

所述信号处理单元通过光纤磁场传感器和光纤电场传感器分别检测到的脉冲信号磁场和电场的极性，来判断脉冲信号传播的方向。

本发明的有益效果在于：

1、本发明具有灵敏度高，方向性好，抗干扰能力强的特点，能大大减少了外界自然光的干扰和光路传输损耗。

2、本发明的传感器现场安装方便，可以作为一种点式传感器，很方便安装在变压器、GIS、高压电缆等电力设备的重点部位进行局部放电方向性的在线检测。

3、本发明可以灵敏地测量高频信号，由于用光测法测量局部放电，避免了设备运行现场的强电磁干扰，用于高压电气设备的局部放电在线监测。

附图说明

图1光纤磁场传感器工作原理图。

图2光纤电场互感器工作原理图。

图3用于高压电气设备局部放电检测的光纤方向传感器示意图。

图4a和4b分别为沿相反方向传播的脉冲A和B产生的电场和磁场示意图，E为电场，F为磁场，正极性的脉冲从左向右传播时产生的电场和磁场定义为正向。

具体实施方式

下面结合附图，详细说明实施方案。

一种用于高压电气设备局部放电在线检测的光纤方向传感器，该传感器系统由光纤磁场传感器和光纤电场传感器两部分组成，通过联合检测来判断所测局放信号的传播方向。

光纤磁场传感器如图1所示，包括：第一单模光纤、第一起偏器、传感光纤环、第一检偏器、第一光电探测器。

光纤电场传感器如图2所示，包括：第二单模光纤、第一准直透镜、第二起偏器、四分之一波片、电光晶体、第二检偏器、第二准直透镜、第二光电探测器。

如图3所示，所述传感光纤环套在被测导体上，用于检测起偏器产生的线偏振光在局部放电信号所产生的磁场的作用下所发生的方位角偏转。

光纤磁场传感器的工作方式为：

由光源发出一束光，经起偏器后成变成线偏振光，在高压电气设备中高频率局部放电信号产生的磁场作用下发生方位角偏转，光经由检偏器入射到光探测器，光探测器接收到光强信号，再由光电转换模块将带有被测信号的光信息通量转换为可用计算机测的电信号。

光纤电场传感器的工作方式为：

由光源发出的光，经准直透镜后成为平行光，经起偏器后变为线偏振光，之后被1/4波片转换为圆偏振光。如果电光晶体附近导体受到外部电压干扰，则光波经过电光晶体后将由圆偏振光变为椭圆偏振光，这一变代过程与电光晶体受到干扰电压信号的频率、幅值有关，后经过偏振光分束器分成2束光波，分别经输出透镜进入光电探测器。观点探测器可以接收到2个线偏振光波经过电光晶体后的干涉信号，同时解调出2个干涉信号，就可以获得施加在电光晶体上的被测电压。

光纤方向传感器的工作原理如下：

把电磁波在导线上的传播过程看作一无损耗单导线线路中的波过程时，在某时刻t，母线上的电压和电流满足如下关系：

i_{q} (t - \frac{x}{v}) = \frac{1}{z} \cdot u_{q} (t - \frac{x}{v}) - - - (1)

i_{f} (t + \frac{x}{v}) = - \frac{1}{z} \cdot u_{f} (t + \frac{x}{v}) - - - (2)

从式1和式2中，我们可以得出如下结论：前行电压波u_q与前行电流波i_q极性相同，反行电压波u_f与反行电流波i_f极性相反。我们知道，电压行波是与此波的电场相联系的，而电流行波是与此波的磁场相联系的。因此上面的结论也可以表达为：前行波电场与磁场的极性相同，反行波电场与磁场的极性相反。对于沿导线传播的脉冲信号来说，其电场和磁场也是相互关联的。如图4所示，对于沿相反方向传播的正极性脉冲来说，其电场都为正极性，而磁场的极性则正好相反；对负极性脉冲来说，也有类似的情形。总之，如果某正极性的脉冲从某一方向传播时，测得此脉冲电场和磁场的极性都为正极性，而把此时脉冲的传播方向定义为正向，那么对于所有正向传播的脉冲，无论其极性如何，其电场和磁场总是同极性的；而对于从另一方向即反向传播的脉冲，其电场和磁场的极性则总是相反的。

根据脉冲信号的电场极性和磁场极性的这种对应关系，我们提出的这种方向传感器，通过光纤磁场传感器和光纤电场传感器这两个传感器所输出脉冲信号初始峰的极性，就可以判断出所测得脉冲的传播方向。这种新型的方向传感器简单易行，并且在检测信号时，与导线没有直接的电磁连接。

对于光纤磁场传感器实施步骤为：

1)波长定在1310nm的单色光源，由光谱仪发出单色波长为1310nm光源。

2)光纤选用单模光纤，其中心玻璃芯直径9um，包层外直径125um。光纤采用保偏单模光纤。

3)光源发出的光束经过起偏器后成为线偏振光，在磁场的作用下发生方位角偏转，经过检偏器入射到光探测器。

4)光电探测器选择PIN光电二极管。

5)计算机信号处理单元。

对于光纤电场传感器实施步骤为：

2)光纤选用保偏单模光纤。

3)光源发出的光束经过准直透镜后，变为线偏振光。

4)光束变为线偏振光以后，再经过1/4波片转换为圆偏振光。

5)光路再通过电光晶体。

6)偏振光分束器。

7)输出透镜。

8)光电转换器选择PIN光电二极管。

9)计算机信号处理单元。

此实施例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

1.一种用于高压电气设备局部放电检测的光纤方向传感器，其特征在于，包括光纤磁场传感器和光纤电场传感器；

2.根据权利要求1所述传感器，其特征在于，所述传感光纤环套在被测导体上，用于检测起偏器产生的线偏振光在局部放电信号所产生的磁场的作用下所发生的方位角偏转。

3.根据权利要求1所述传感器，其特征在于，所述电光晶体设置在被测导体旁，用于检测四分之一波片产生的圆偏振光在外部电压干扰下的光信号。

4.根据权利要求1所述传感器，其特征在于，所述第二检偏器将光分成两束光波后经过第二准直透镜进入第二光电探测器，由第二光电探测器解调出两个干涉信号从而获得外部干扰电压。

5.根据权利要求1所述传感器，其特征在于，所述信号处理单元通过光纤磁场传感器和光纤电场传感器分别检测到的脉冲信号磁场和电场的极性，来判断脉冲信号传播的方向。