CN107728030A - 局部放电特高频、超声波、光脉冲联合检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种局部放电特高频、超声波、光脉冲联合检测系统及方法，用于对侵入式变压器中局部放电特高频、超声波、光脉冲信号进行检测，所述的系统包括局部放电特高频检测模块、局部放电超声波检测模块、局部放电光脉冲检测模块、局部放电超声波检测用光源模块、局部放电超声波检测用3dB耦合器模块、双通道光电转换和放大装置模块、滤波和放大装置、三通道数据同步采集装置模块、控制与显示装置模块、以及打印模块。与现有技术相比，本发明具有简单、实用、降低电磁和外部可见光干扰问题等优点。

Description

局部放电特高频、超声波、光脉冲联合检测系统及方法

技术领域

本发明涉及侵入式变压器油中局部放电检测技术，尤其是涉及一种侵入式变压器油中局部放电特高频、超声波、光脉冲联合检测系统及方法。

背景技术

局部放电的测量是以局部放电所产生的各种现象为依据，通过能表述该现象的物理量来表征局部放电的状态。局部放电的过程除了伴随着电荷的转移和电能的损耗之外，还会产生电磁辐射、超声波、发光、发热以及出现新的生成物等。因此与这些现象相对应，局部放电的检测方法可分为电气测量法和非电测量法两大类。非电测量法主要包括超声波检测法、光测法、红外检测法、化学检测法等。这些方法的优点是测量中不受电气的干扰，抗干扰能力强。

目前，特高频检测法其通过耦合局部放电产生的电磁波信号，测量中心频率通常选择为300MHz以上，带宽为几MHz或更宽，避开了现场的许多外部电磁干扰，因而能较为有效地提高信噪比。据此，特高频测量已开始应用在变压器的局部放电测量中，并取得了较好的效果。检测所使用的传感器性能也正在逐步改进。超声波测量主要传感器是压电式声传感器，应用时将传感器固定在变压器壳体之外。此种测量方法不但存在信号的电磁干扰问题，同时也有声波沿变压器壳体传播影响定位的问题。光测法是通过检测局部放电产生的光辐射作为测量依据的。通过局放光脉冲本身或光电转换后，可以进行局部放电光谱分析、局放光脉冲检测、局放定位、电气绝缘老化机理以及局放电磁波传播特性等各种研究，但其易容受可见光等干扰问题，导致测量信号不准确。尽管如此，特高频、超声波、光脉冲局部放电检测的方法和技术已在在线监测中广泛使用，但均是独立分开的系统，或者是独立的传感器，联合使用时效率低、信号分析时需人为介入判断。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种局部放电特高频、超声波、光脉冲联合检测系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种局部放电特高频、超声波、光脉冲联合检测系统，用于对侵入式变压器中局部放电特高频、超声波、光脉冲信号进行检测，其特征在于，所述的系统包括局部放电特高频检测模块、局部放电超声波检测模块、局部放电光脉冲检测模块、局部放电超声波检测用光源模块、局部放电超声波检测用3dB耦合器模块、双通道光电转换和放大装置模块、滤波和放大装置、三通道数据同步采集装置模块、控制与显示装置模块、以及打印模块；

所述的局部放电特高频检测模块、滤波和放大装置、三通道数据同步采集装置模块依次连接后，构成了基于套筒单极子天线的局部放电特高频电磁波信号检测回路；

所述的局部放电超声波检测模块、局部放电超声波检测用3dB耦合器模块、局部放电超声波检测用光源模块依次连接，所述的局部放电超声波检测模块、双通道光电转换和放大装置模块和三通道数据同步采集装置模块依次连接，构成了基于Fabry-Perot干涉原理的局部放电超声波信号检测回路；

所述的局部放电光脉冲检测模块、双通道光电转换和放大装置模块和三通道数据同步采集装置模块依次连接后，构成基于荧光光纤技术的局部放电光脉冲检测回路；

所述的三通道数据同步采集装置模块、控制与显示装置模块、以及打印模块依次连接。

优选地，所述的系统还包括侵入式一体化传感器封装外壳模块，该侵入式一体化传感器封装外壳模块将局部放电特高频检测模块、局部放电超声波检测模块、局部放电光脉冲检测模块封装在一起，形成了一体化的具备同时测量特高频、超声波、光脉冲信号的侵入式变压器油中局部放电传感器。

优选地，所述的侵入式一体化传感器封装外壳模块通过变压器放油阀模块固定在变压器壳体模块，所述的侵入式一体化传感器封装外壳模块深入变压器放油阀模块中，并与变压器壳体模块形成设定距离。

优选地，所述的局部放电特高频检测模块通过同轴电缆传输模块与滤波和放大装置连接。

优选地，所述的局部放电超声波检测用3dB耦合器模块通过光纤传输模块与双通道光电转换和放大装置模块连接.

优选地，所述的局部放电光脉冲检测模块通过光纤传输模块与双通道光电转换和放大装置模块。

一种局部放电特高频、超声波、光脉冲联合检测系统的方法，包括以下步骤：

步骤1，基于微机电设计和加工技术，将局部放电特高频、超声波、光脉冲信号测量模块封装成一体化传感器；

步骤2，将一体化传感器利用变压器壳体上的放油阀模块进行安装，深入于变压器外壳模块内，被变压器油包围；

步骤3，局部放电特高频电磁波信号采用套筒单极子天线，通过滤波和放大装置转化为电压波形信号；

局部放电超声波信号通过基于Fabry-Perot干涉原理的薄膜腔体探头，经光纤传输，通过光电转换和放大后转化为电压波形信号；

局部放电光脉冲信号则通过多根普通光纤并联形成的探头，经光纤传输，通过光电转换和放大后转化为电压波形信号；

步骤4，利用三通道数据同步采集装置对局部放电特高频、超声波、光脉冲信号进行同步采集、存储和传输；

步骤5，局部放电特高频、超声波、光脉冲信号显示和对比分析，打印结果。

与现有技术相比，本发明客服现有局部放电特高频、超声波、光信号检测传感器相互独立使用存在的缺点，提出一种侵入式变压器油中局部放电特高频、超声波、光脉冲信号联合检测方法；即使用微机电设计和加工技术，针对变压器放油阀，设计成具备同时测量特高频、超声波、光脉冲信号的一体化侵入式局部放电传感器。其中，特高频传感器采用常规的套筒单极子天线，通过滤波和放大装置，将局部放电的电磁波信号转化为电压波形信号(mV)；超声波传感器采用基于Fabry-Perot干涉原理的薄膜腔体探头，采用光纤传输，通过光电转换和放大装置，将局部放电的超声波信号转化为电压波形信号(mV)；光脉冲传感器，则利用多根荧光光纤进行并联作为探头，通过光电转换和放大装置，也将局部放电的光脉冲信号转化为电压波形信号(mV)。利用多通道数据同步采集装置记录三路电压模拟量信号，形成一种能够同时测量变压器油中局部放电特高频、超声波、光脉冲信号的联合检测方法。且具有简单、实用、降低电磁和外部可见光干扰问题等优点，可用于变压器内部局部放电信号分析、定位和模式识别等。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例的系统方框示意图，其中1为变压器壳体模块、2为变压器放油阀模块、3为变压器油模块、4为侵入式一体化传感器封装外壳模块、5为局部放电特高频检测模块、6为局部放电超声波检测模块、7为局部放电光脉冲检测模块、8为局部放电超声波检测用光源模块、9为局部放电超声波检测用3dB耦合器模块、10为光纤传输模块、11为同轴电缆传输模块、12为双通道光电转换和放大装置模块、13为滤波和放大装置、14为三通道数据同步采集装置模块、15为控制与显示装置模块、16为打印模块。

图2为本发明一较佳实施例的方法流程图；

图3为本发明一较佳实施例的一体化传感器装置的示意图，其中17为联结器、18为荧光光纤、19为有机玻璃。

图4为本发明一较佳实施例的同步采集单个放电脉冲示意图。

图5为图3A部放大结构示意图，其中20为金属环、21硅胶套、22为密封气体腔、23硅膜薄片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明力图从实际应用出发，客服现有局部放电特高频、超声波、光信号检测传感器相互独立使用存在的缺点，提出一种侵入式变压器油中局部放电特高频、超声波、光脉冲信号联合检测方法。即使用微机电设计和加工技术，针对变压器放油阀，设计成具备同时测量特高频、超声波、光脉冲信号的一体化侵入式局部放电传感器。其中，特高频传感器采用常规的套筒单极子天线，通过滤波和放大装置，将局部放电的电磁波信号转化为电压波形信号(mV)；超声波传感器采用基于Fabry-Perot干涉原理的薄膜腔体探头，采用光纤传输，通过光电转换和放大装置，将局部放电的超声波信号转化为电压波形信号(mV)；光脉冲传感器，则利用多根荧光光纤进行并联作为探头，通过光电转换和放大装置，也将局部放电的光脉冲信号转化为电压波形信号(mV)。利用多通道数据同步采集装置记录三路电压模拟量信号，形成一种能够同时测量变压器油中局部放电特高频、超声波、光脉冲信号的联合检测方法。且具有简单、实用、降低电磁和外部可见光干扰问题等优点，可用于变压器内部局部放电信号分析、定位和模式识别等。

本发明的具体结果可参照附图，图1是本发明一较佳实施例的侵入式变压器油中局部放电特高频、超声波、光脉冲信号检测方法的主要模块方框图。如图1所示，该侵入式变压器油中局部放电特高频、超声波、光脉冲信号检测方法至少包括：变压器壳体模块1、变压器放油阀模块2、变压器油模块3、侵入式一体化传感器封装外壳模块4、局部放电特高频检测模块5、局部放电超声波检测模块6、局部放电光脉冲检测模块7、局部放电超声波检测用光源模块8、局部放电超声波检测用3dB耦合器模块9、光纤传输模块10、同轴电缆传输模块11、双通道光电转换和放大装置模块12、滤波和放大装置13、三通道数据同步采集装置模块14、控制与显示装置模块15和打印模块16。

模块之间联接关系：侵入式一体化传感器封装外壳模块4利用微机电设计和加工技术将局部放电特高频检测模块5、局部放电超声波检测模块6和局部放电光脉冲检测模块7封装在一起，形成了一体化的具备同时测量特高频、超声波、光脉冲信号的侵入式变压器油中局部放电传感器；

侵入式一体化传感器封装外壳模块4基于变压器壳体模块1上的变压器放油阀模块2进行安装，安装时基于工艺的设计和尺寸的配合，可以实现不漏油安装，此外，为确保传感器的测量精度，侵入式一体化传感器封装外壳模块4按照电场计算要求深入于变压器放油阀模块2中，与变压器壳体模块1形成一定距离L；

侵入式一体化传感器封装外壳模块4通过光纤传输模块10连接于双通道光电转换和放大装置模块12，通过同轴电缆传输模块11连接与滤波和放大装置13；

侵入式一体化传感器封装外壳模块4中的局部放电特高频检测模块5和同轴电缆传输模块11、滤波和放大装置13、三通道数据同步采集装置模块14组成了基于套筒单极子天线的局部放电特高频电磁波信号检测回路；

侵入式一体化传感器封装外壳模块4中的局部放电超声波检测模块6和局部放电超声波检测用光源模块8、局部放电超声波检测用3dB耦合器模块9、光纤传输模块10、双通道光电转换和放大装置模块12、三通道数据同步采集装置模块14组成了基于Fabry-Perot干涉原理的局部放电超声波信号检测回路，采用光纤传输，通过光电转换和放大装置，将局部放电的超声波信号转化为电压波形信号送入三通道数据同步采集装置模块14；

侵入式一体化传感器封装外壳模块4中的局部放电光脉冲检测模块7和光纤传输模块10、双通道光电转换和放大装置模块12、三通道数据同步采集装置模块14组成了基于荧光光纤技术的局部放电光脉冲检测回路，采用光纤传输，通过光电转换和放大装置，将局部放电的光脉冲信号转化为电压波形信号送入三通道数据同步采集装置模块14；

三通道数据同步采集装置模块14同时采集经过双通道光电转换和放大装置模块块12双通道光电转换和放大装置输出的2路电压波形信号和滤波和放大装置3滤波和放大输出的1路电压波形信号，将数据送入控制与显示装置模块15进行显示和控制，以及打印模块16进行打印，供技术人员分析和存档；控制与显示装置模块15可以通过数据线对双通道光电转换和放大装置模块12、滤波和放大装置13、三通道数据同步采集装置模块14进行参数设置。

本发明提供了一种侵入式变压器油中局部放电特高频、超声波、光脉冲信号的联合检测方法，使用微机电设计和加工技术，设计成一体化的具备同时测量特高频、超声波、光脉冲信号的侵入式局部放电传感器，通过变压器壳体上的放油阀，深入变压器箱体内的变压器油中。其中，局部放电特高频电磁波信号采用常规的套筒单极子天线，通过滤波和放大装置转化为电压波形信号；局部放电超声波信号通过基于Fabry-Perot干涉原理的薄膜腔体探头，经光纤传输，通过光电转换和放大后转化为电压波形信号；局部放电光脉冲信号则通过多根荧光光纤并联形成的探头，经光纤传输，通过光电转换和放大后转化为电压波形信号。形成的三路电压波形信号，经同步数据采集送至控制和显示装置。形成了一种能够同时测量变压器油中局部放电特高频、超声波、光脉冲信号的检测方法。

本发明提供了一种基于侵入式传感器，同时测量变压器油中局部放电特高频、超声波、光脉冲信号的联合检测方法。

本发明提供了一种比传统局部放电超声波信号更加有效的侵入式检测方法，其不但解决了电磁干扰问题，同时也避免了原超声波沿变压器壳体传播影响定位的问题。

本发明提供了一种比传统局部放电光脉冲信号更加有效的侵入式检测方法，其不但解决了电磁干扰问题，同时也避免了原检测受外部可见光影响准确度的问题。此外，采用多根荧光光纤并联形成探头，增强了检测信号强度和增大了局部放电光信号探测角度。

本发明提供了一种新型的局部放电信号特高频、超声波、光脉冲检测相互佐证即电—声—光联合分析方法。

本发明的上述技术问题主要是通过以下技术方案的得以解决的：

如图2所示，一种侵入式变压器油中局部放电特高频、超声波、光脉冲信号联合检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，基于微机电设计和加工技术，将局部放电特高频、超声波、光脉冲信号测量模块封装成一体化传感器；

步骤2，将一体化传感器利用变压器壳体上的放油阀进行安装，深入于变压器箱体内，被变压器油包围；

步骤3，局部放电特高频电磁波信号采用常规的套筒单极子天线，通过滤波和放大装置转化为电压波形信号；局部放电超声波信号通过基于Fabry-Perot干涉原理的薄膜腔体探头，经光纤传输，通过光电转换和放大后转化为电压波形信号；局部放电光脉冲信号则通过多根普通光纤并联形成的探头，经光纤传输，通过光电转换和放大后转化为电压波形信号；

步骤4，利用三通道数据同步采集装置对局部放电特高频、超声波、光脉冲信号进行同步采集、存储和传输；

步骤5，局部放电特高频、超声波、光脉冲信号显示和对比分析，打印结果。

侵入式变压器油中局部放电特高频、超声波、光脉冲信号联合检测方法形成的一体化传感器装置的示意图如图3所示。

利用有机玻璃将套特高频传感器、超声波传感器和荧光光纤封装成一体式集成传感器。

特高频电磁波信号检测：采用套筒单极子天线，周围布置的超声波传感器和荧光光纤以及封装的有机玻璃均为非金属材质，不影响电磁波信号的探测。

超声波信号检测：采用基于Fabry-Perot干涉原理的薄膜腔体探头(见放大图)，基于光纤传输完成信号转换。工作原理：从光源发射出的单色光经过3dB耦合器沿着光纤传入薄膜腔体探头，入射光在光纤纤芯-气体交界面上发生第一次反射，入射光约96％进入密封气体腔后，在涂有金属层的硅薄膜片上发生二次反射，且几乎是全反射。根据双光束相干原理，可以得出，反射回来的光信号是密封气体腔长度的函数。薄膜腔体探头返回的光信号随着局部放电产生的超声波压力信号挤压硅薄膜片产生的空气间隙的变化而产生变化，变现为干涉条纹。连续干涉条纹的连续相位的变换能够反映密封气体腔间隙变化的信息。因此输出的光信号符合实际输入的超声波信号。

光脉冲信号检测：使用4根对称分布的荧光光纤并联检测局部放电光脉冲信号。采用多根光纤并联形成探头，不仅可以增强检测信号强度，还可以增大局部放电光信号探测角度。单根荧光光纤长度与超声波检测传感器套管长度一致。

检测方法涉及的传感器、数据采集和显示分析等典型参数分别如下定义：

(1)特高频模块

检测频带：300MHz～1500MHz；

检测通道：1CH；

滤波带宽：500MHz～1500MHz；

动态范围：-80～15dBm；

采样率：3GS/s。

(2)超声波模块

检测频带：10kHz～2MHz；

检测通道：1CH；

滤波带宽：20kHz～200kHz；

灵敏度：≤3dB；

采样率：2MS/s。

(3)光脉冲模块

光谱频段：500-1000nm；

检测通道：1CH；

灵敏度：≤3dB；

采样率：3GS/s。

(4)薄膜腔体探头

密封气体腔半径：200μm；

密封气体腔厚度：45μm。

(5)显示和分析

显示：单个脉冲波形、峰值-时间序列以及PRPD谱图；

分析：信号趋势分析、模式识别、定位等。

一种侵入式变压器油中局部放电特高频、超声波、光脉冲信号联合检测方法基于图3得到的局部放电特高频、超声波、光脉冲信号单个电压波形示例如图4所示。

就1)一体化传感器设计和加工定义、2)信号采集方式、3)光脉冲传感器结构布置和4)薄膜腔体探头结构布置，二个环节做以下说明：

1)一体化传感器设计和加工定义

本发明采用基于微机电设计和加工技术，将局部放电特高频、超声波、光脉冲信号测量模块封装成一体化传感器，也可以采用其他设计或加工方法。

2)信号采集方式

图2中描述的三通道数据采集装置对局部放电特高频、超声波、光脉冲信号进行采集、存储和传输，也可以利用多通道采集实现，或分布式采集方式实现监测网络。

3)光脉冲传感器结构布置

图3中描述的光脉冲传感器利用4根按封装圆周对称分布，也可以多根按圆周对称方式布置。

4)薄膜腔体探头结构布置

图3中描述的薄膜腔体探头结构布置中的硅膜薄片与硅套管为相互垂直，也可以有一定的夹角，见图5。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种局部放电特高频、超声波、光脉冲联合检测系统，用于对侵入式变压器中局部放电特高频、超声波、光脉冲信号进行检测，其特征在于，所述的系统包括局部放电特高频检测模块(5)、局部放电超声波检测模块(6)、局部放电光脉冲检测模块(7)、局部放电超声波检测用光源模块(8)、局部放电超声波检测用3dB耦合器模块(9)、双通道光电转换和放大装置模块(12)、滤波和放大装置(13)、三通道数据同步采集装置模块(14)、控制与显示装置模块(15)、以及打印模块(16)；

所述的局部放电特高频检测模块(5)、滤波和放大装置(13)、三通道数据同步采集装置模块(14)依次连接后，构成了基于套筒单极子天线的局部放电特高频电磁波信号检测回路；

所述的局部放电超声波检测模块(6)、局部放电超声波检测用3dB耦合器模块(9)、局部放电超声波检测用光源模块(8)依次连接，所述的局部放电超声波检测模块(6)、双通道光电转换和放大装置模块(12)和三通道数据同步采集装置模块(14)依次连接，构成了基于Fabry-Perot干涉原理的局部放电超声波信号检测回路；

所述的局部放电光脉冲检测模块(7)、双通道光电转换和放大装置模块(12)和三通道数据同步采集装置模块(14)依次连接后，构成基于荧光光纤技术的局部放电光脉冲检测回路；

所述的三通道数据同步采集装置模块(14)、控制与显示装置模块(15)、以及打印模块(16)依次连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括侵入式一体化传感器封装外壳模块(4)，该侵入式一体化传感器封装外壳模块(4)将局部放电特高频检测模块(5)、局部放电超声波检测模块(6)、局部放电光脉冲检测模块(7)封装在一起，形成了一体化的具备同时测量特高频、超声波、光脉冲信号的侵入式变压器油中局部放电传感器。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的侵入式一体化传感器封装外壳模块(4)通过变压器放油阀模块(2)固定在变压器壳体模块(1)，所述的侵入式一体化传感器封装外壳模块(4)深入变压器放油阀模块(2)中，并与变压器壳体模块(1)形成设定距离。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的局部放电特高频检测模块(5)通过同轴电缆传输模块(11)与滤波和放大装置(13)连接。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的局部放电超声波检测用3dB耦合器模块(9)通过光纤传输模块(10)与双通道光电转换和放大装置模块(12)连接。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的局部放电光脉冲检测模块(7)通过光纤传输模块(10)与双通道光电转换和放大装置模块(12)。

7.一种采用权利要求1所述的局部放电特高频、超声波、光脉冲联合检测系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，基于微机电设计和加工技术，将局部放电特高频、超声波、光脉冲信号测量模块封装成一体化传感器；

步骤2，将一体化传感器利用变压器壳体上的放油阀模块进行安装，深入于变压器外壳模块内，被变压器油包围；

步骤3，局部放电特高频电磁波信号采用套筒单极子天线，通过滤波和放大装置转化为电压波形信号；

局部放电超声波信号通过基于Fabry-Perot干涉原理的薄膜腔体探头，经光纤传输，通过光电转换和放大后转化为电压波形信号；

局部放电光脉冲信号则通过多根普通光纤并联形成的探头，经光纤传输，通过光电转换和放大后转化为电压波形信号；

步骤4，利用三通道数据同步采集装置对局部放电特高频、超声波、光脉冲信号进行同步采集、存储和传输；

步骤5，局部放电特高频、超声波、光脉冲信号显示和对比分析，打印结果。