CN108414906A - 采用Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电的系统及方法 - Google Patents

采用Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种采用Mach‑Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电的系统及方法，该系统包括变压器壳体模块、变压器绕组模块、变压器油模块、测量臂模块、第一3db耦合器模块、第二3db耦合器模块、分光器模块、光源模块、多通道光电转换和放大装置模块、多通道数据同步采集装置模块和控制与显示装置模块；所述的测量臂模块布置于变压器壳体模块内，所述的测量臂模块淹没于变压器油模块中并紧靠变压器绕组模块，所述的多通道光电转换和放大装置模块、多通道数据同步采集装置模块和控制与显示装置模块依次连接。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以及定位放电源位置等优点。

Description

采用Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电的系统及 方法
技术领域
本发明涉及局部放电超声信号检测领域，尤其是涉及一种采用Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电的系统及方法。
背景技术
目前，广泛用于高压电器设备局部放电的超声波检测法是用固定在高压电器设备(如电力变压器)箱壁上的压电超声波传感器接收其内部局部放电产生的超声波信号，由此来进行局部放电的检测和定位。由于该方法受到环境噪声比如电磁干扰(EMI)等，以及超声波在高压电器设北中传播的多路径问题导致不能准确定位放电源。为了消除或尽量避免上述存在的问题，需要一种不受环境噪声干扰，甚至能够在高压电器设备内部(如电力变压器绕组间)可靠工作,探测微弱的超声波信号，从而对局部放电进行检测和定位。当然，这类传感器还需要满足如下苛刻的条件：在高压设备内部特定条件下与绝缘油或气体不发生化学反应、高绝缘性能、长久稳定工作以及很小的尺寸。国内外研究表明，光纤传感器具有安全、绝缘和抗电磁干扰等优点，适合安装在设备内部进行在线监测。
目前用于局部放电测量的光纤传感器，按敏感对象可分为光、温度、气体、声波等。其中超声波光纤传感器具有局放源定位准确的优点，已成为一个研究热点。基于超声波光纤传感器检测局部放电技术始于20世纪80年代，国内外的许多学者和单位对此作了大量的研究。根据光纤传感器的不同，将该技术分为Mach-Zehnder型、Michelson型、Fabry-perot型以及Sagnac型，也有基于光纤Bragg光栅的局放检测技术提出。
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采用Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电的系统及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种采用Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电的系统，该系统包括变压器壳体模块、变压器绕组模块、变压器油模块、测量臂模块、第一3db耦合器模块、第二3db耦合器模块、分光器模块、光源模块、多通道光电转换和放大装置模块、多通道数据同步采集装置模块和控制与显示装置模块；
所述的测量臂模块布置于变压器壳体模块内，所述的测量臂模块淹没于变压器油模块中并紧靠变压器绕组模块，所述的多通道光电转换和放大装置模块、多通道数据同步采集装置模块和控制与显示装置模块依次连接；
所述的测量臂模块分别与第一3db耦合器模块、第二3db耦合器模块连接，所述的第一3db耦合器模块分别与分光器模块、第二3db耦合器模块连接，所述的第二3db耦合器模块与多通道光电转换和放大装置模块连接，所述的光源模块与分光器模块连接，实现了基于Mach-Zehnder光纤干涉原理的超声波光纤传感器检测局部放电信号测量回路。
优选的，所述的测量臂模块通过单模光纤模块分别与第一3db耦合器模块、第二3db耦合器模块连接，所述的第一3db耦合器模块通过单模光纤模块分别与分光器模块、第二3db耦合器模块连接，所述的第二3db耦合器模块通过单模光纤模块与多通道光电转换和放大装置模块连接。
优选的，所述的变压器壳体模块上设有专用通道，所述的连接测量臂模块和第一3db耦合器模块的单模光纤，以及连接测量臂模块和第二3db耦合器模块的单模光纤均穿过专用通道并保证变压器油不泄露。
优选的，所述的分光器模块为使用棱镜、反射镜、透镜和专用光纤接头制作而成的分光器。
优选的，所述的变压器绕组模块的变压器绕组数与测量臂模块的测量臂数、第一3db耦合器模块的耦合器数、第二3db耦合器模块的耦合器数、分光器模块的分光器分路数和多通道光电转换和放大装置模块的回路数均相同。
优选的，所述的控制与显示装置模块的显示和分析内容包括：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、模式识别和定位。
优选的，所述的测量臂模块为光纤探头测量模块，其测量臂光纤匝半径和匝数根据所需测量灵敏度而变化。
优选的，所述的控制与显示装置模块对多通道光电转换和放大装置模块和多通道数据同步采集装置模块进行参数设置，所述的控制与显示装置模块对多通道数据同步采集装置模块输入的超声波局部放电信号进行显示和分析。
一种采用所述的采用Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电的系统的方法，包括以下步骤：
步骤1，将光源、分光器、耦合器的光回路形成的Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电超声信号的三路测量回路连接；
步骤2，变压器出厂安装调试期间，利用专用通道将3个测量臂紧挨变压器绕组进行安装布置，并进行编号设置；
步骤3，变压器运行后，变压器绕组中存在局部放电产生的超声波信号，同时作用于3个测量臂，3个测量回路光强均发生变化，经光纤传输、光电转换和放大后转化为电压波形信号；
步骤4，利用多通道数据同步采集装置模块对局部放电超声波信号进行同步采集、存储和传输；
步骤5，局部放电超声波信号显示和对比分析，并给出定位结果，其中电压信号幅值大的测量探头所在位置为具有局部放电的变压器绕组。
优选的，所述的步骤5中的定位算法具体包括：
如果U1＞U2,且U1＞U3，则回路1紧靠的绕组附近存在局部放电；
如果U2＞U1,且U2＞U3，则回路2紧靠的绕组附近存在局部放电；
如果U3＞U1,且U3＞U2，则回路3紧靠的绕组附近存在局部放电；
U1,U2,U3分别为三个测量回路采集到电压波形信号的峰峰值(mV)。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供了一种采用Mach-Zehnder光纤干涉原理的变压器内部局部放电超声波信号的检测方法和系统。
2、本发明提供一种能够利用一个光源，同时实现三个Mach-Zehnder光纤干涉回路进行局部放电超声波信号检测的方法。
3、本发明提供一种能够利用棱镜、反射镜和透镜以及专用光纤接头实现光源三分路的分光器。
4、本发明提供一种能够按照变压器三绕组布置方式，利用多通道数据同步采集装置记录局部放电产生的超声波信号，实现局部放电源定位的方法。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明的方法流程图。
图3为本发明的Mach-Zehnder光纤干涉超声光纤传感原理图。
具体实施方式
下面将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，客服现有超声波光纤传感器检测局部放电信号使用存在的缺点，提出一种采用Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电超声信号方法及系统。即针对变压器3绕组布置，设计专用的光源三分路分光器，基于Mach-Zehnder光纤干涉原理，利用多通道数据同步采集装置记录三路光电转换电压模拟量信号，实现检测变压器油中局部放电超声波信号并进行定位的传感测量系统。
本发明的工作原理如图1所示：一种采用Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电的系统，该系统包括变压器壳体模块1、变压器绕组模块2、变压器油模块3、测量臂模块4、第一3db耦合器模块51、第二3db耦合器模块52、分光器模块6、光源模块7、多通道光电转换和放大装置模块9、多通道数据同步采集装置模块10和控制与显示装置模块11；
所述的测量臂模块4布置于变压器壳体模块1内，所述的测量臂模块4淹没于变压器油模块3中并紧靠变压器绕组模块2，所述的多通道光电转换和放大装置模块9、多通道数据同步采集装置模块10和控制与显示装置模块11依次连接；
所述的测量臂模块4分别与第一3db耦合器模块51、第二3db耦合器模块52连接，所述的第一3db耦合器模块51分别与分光器模块6、第二3db耦合器模块52连接，所述的第二3db耦合器模块52与多通道光电转换和放大装置模块9连接，所述的光源模块7与分光器模块6连接，实现了基于Mach-Zehnder光纤干涉原理的超声波光纤传感器检测局部放电信号测量回路。
所述的测量臂模块4通过单模光纤模块8分别与第一3db耦合器模块51、第二3db耦合器模块52连接，所述的第一3db耦合器模块51通过单模光纤模块8分别与分光器模块6、第二3db耦合器模块52连接，所述的第二3db耦合器模块52通过单模光纤模块8与多通道光电转换和放大装置模块9连接。
所述的变压器壳体模块1上设有专用通道，所述的连接测量臂模块4和第一3db耦合器模块51的单模光纤，以及连接测量臂模块4和第二3db耦合器模块52的单模光纤均穿过专用通道并保证变压器油不泄露。
所述的分光器模块6为使用棱镜、反射镜、透镜和专用光纤接头制作而成的分光器。
所述的变压器绕组模块2的变压器绕组数与测量臂模块4的测量臂数、第一3db耦合器模块51的耦合器数、第二3db耦合器模块52的耦合器数、分光器模块6的分光器分路数和多通道光电转换和放大装置模块9的回路数均相同。
所述的控制与显示装置模块11的显示和分析内容包括：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、模式识别和定位。
所述的测量臂模块4为光纤探头测量模块，其测量臂光纤匝半径和匝数根据所需测量灵敏度而变化。
所述的控制与显示装置模块11对多通道光电转换和放大装置模块9和多通道数据同步采集装置模块10进行参数设置，所述的控制与显示装置模块11对多通道数据同步采集装置模块10输入的超声波局部放电信号进行显示和分析。
本发明提供一种采用Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电超声信号方法及系统，针对变压器3绕组布置，设计专用的光源三分路分光器，基于Mach-Zehnder光纤干涉原理，利用多通道数据同步采集装置记录三路光电转换电压模拟量信号，实现检测变压器油中局部放电超声波信号并进行定位的传感测量系统。
其中，分光器利用棱镜、反射镜和透镜以及专用光纤接头设计成实现利用一个光源实现三个Mach-Zehnder光纤干涉回路。
按照变压器内部三绕组布置方式，三个Mach-Zehnder光纤干涉回路的测量臂(光纤探头)按编号紧挨绕组布置。利用多通道数据同步采集装置记录三路电压模拟量信号，根据三路信号幅值的对比分析实现局部放电超声波信号的定位。其具有简单实用、降低电磁和外部可见光干扰问题、以及定位放电源位置等优点，可用于变压器内部局部放电信号分析和定位等。
如图2所示，一种采用Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电超声信号方法，包括以下步骤：
步骤1，将光源、分光器、耦合器等光回路形成的Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电超声信号的三路测量回路连接；
步骤2，变压器出厂安装调试期间，利用专用通道将3个测量臂(光纤探头)紧挨变压器绕组进行安装布置，并进行编号设置；
步骤3，变压器运行后，变压器绕组中存在局部放电产生的超声波信号，同时作用于3个测量臂，3个测量回路光强均发生变化，经光纤传输、光电转换和放大后转化为电压波形信号；
步骤4，利用多通道数据同步采集装置对局部放电超声波信号进行同步采集、存储和传输；
步骤5，局部放电超声波信号显示和对比分析，并给出定位结果，其中电压信号幅值大的测量探头所在位置为具有局部放电的变压器绕组。
采用Mach-Zehnder光纤干涉检测超声波信号，其单一回路原理图如图3所示：
从光源发射出的相干光通过3dB耦合器分成两个相等的光束，一束在测量臂光纤中传输，另一束在参考臂光纤中传输，外界信号作用于测量臂的光纤绕圈探头(超声波挤压光纤)，第二个3dB耦合器把两束光再耦合，并又分成两束光经光纤传送到两个探测器中。根据双光束相干原理，两个光探测器收到的光强分别为：
I1＝I0(1+αcosφ)/2
I2＝I0(1-αcosφ)/2
式中：I0为光源发出的光强；α为耦合系数；φ为测量臂与参考臂之间的相位差，其中包括外界待测信号引起的相位差。
上两式表明Mach-Zehnder干涉将外界信号引起的相位变化变换成了光信号强度变化。只要经过适当的信号处理系统就能将外界信号从光强信号中解调出来。
检测方法涉及的传感器、数据采集和显示分析等参数分别如下定义：
(1)测量臂
光纤匝数：20；
光纤匝半径：5cm。
(2)光源及光纤等
光源：LED激光器，波长1350nm，功率5mW；
光纤：单模，波长1350nm，纤芯9μm；
耦合器：波长1350nm，各种损耗均大于50dB；
光电转换：光电二极管，波长1350nm，受光面积2mm，灵敏度1mA/mW。
(3)电压数据采集
采样率：1MS/s；
模拟带宽：500kHz。
(4)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。
(5)定位算法
如果U1＞U2,且U1＞U3，则回路1紧靠的绕组附近存在局部放电；
如果U2＞U1,且U2＞U3，则回路2紧靠的绕组附近存在局部放电；
如果U3＞U1,且U3＞U2，则回路3紧靠的绕组附近存在局部放电。
U1,U2,U3分别为三个测量回路采集到电压波形信号的峰峰值(mV)。
本发明采用的测量臂光纤匝半径和匝数可以变化。
本发明描述的光源、光纤、耦合器和光电转换的相关参数均可以变化。
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 (10)

1.一种采用Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电的系统，其特征在于，该系统包括变压器壳体模块(1)、变压器绕组模块(2)、变压器油模块(3)、测量臂模块(4)、第一3db耦合器模块(51)、第二3db耦合器模块(52)、分光器模块(6)、光源模块(7)、多通道光电转换和放大装置模块(9)、多通道数据同步采集装置模块(10)和控制与显示装置模块(11)；
所述的测量臂模块(4)布置于变压器壳体模块(1)内，所述的测量臂模块(4)淹没于变压器油模块(3)中并紧靠变压器绕组模块(2)，所述的多通道光电转换和放大装置模块(9)、多通道数据同步采集装置模块(10)和控制与显示装置模块(11)依次连接；
所述的测量臂模块(4)分别与第一3db耦合器模块(51)、第二3db耦合器模块(52)连接，所述的第一3db耦合器模块(51)分别与分光器模块(6)、第二3db耦合器模块(52)连接，所述的第二3db耦合器模块(52)与多通道光电转换和放大装置模块(9)连接，所述的光源模块(7)与分光器模块(6)连接，实现了基于Mach-Zehnder光纤干涉原理的超声波光纤传感器检测局部放电信号测量回路。
2.根据权利要求1所述的一种采用Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电的系统，其特征在于：所述的测量臂模块(4)通过单模光纤模块(8)分别与第一3db耦合器模块(51)、第二3db耦合器模块(52)连接，所述的第一3db耦合器模块(51)通过单模光纤模块(8)分别与分光器模块(6)、第二3db耦合器模块(52)连接，所述的第二3db耦合器模块(52)通过单模光纤模块(8)与多通道光电转换和放大装置模块(9)连接。
3.根据权利要求1所述的一种采用Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电的系统，其特征在于：所述的变压器壳体模块(1)上设有专用通道，所述的连接测量臂模块(4)和第一3db耦合器模块(51)的单模光纤，以及连接测量臂模块(4)和第二3db耦合器模块(52)的单模光纤均穿过专用通道并保证变压器油不泄露。
4.根据权利要求1所述的一种采用Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电的系统，其特征在于：所述的分光器模块(6)为使用棱镜、反射镜、透镜和专用光纤接头制作而成的分光器。
5.根据权利要求1所述的一种采用Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电的系统，其特征在于：所述的变压器绕组模块(2)的变压器绕组数与测量臂模块(4)的测量臂数、第一3db耦合器模块(51)的耦合器数、第二3db耦合器模块(52)的耦合器数、分光器模块(6)的分光器分路数和多通道光电转换和放大装置模块(9)的回路数均相同。
6.根据权利要求1所述的一种采用Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电的系统：其特征在于，所述的控制与显示装置模块(11)的显示和分析内容包括：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、模式识别和定位。
7.根据权利要求1所述的一种采用Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电的系统，其特征在于：所述的测量臂模块(4)为光纤探头测量模块，其测量臂光纤匝半径和匝数根据所需测量灵敏度而变化。
8.根据权利要求1所述的一种采用Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电的系统，其特征在于：所述的控制与显示装置模块(11)对多通道光电转换和放大装置模块(9)和多通道数据同步采集装置模块(10)进行参数设置，所述的控制与显示装置模块(11)对多通道数据同步采集装置模块(10)输入的超声波局部放电信号进行显示和分析。
9.一种采用权利要求1～8中任一所述的采用Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电的系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将光源、分光器、耦合器的光回路形成的Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电超声信号的三路测量回路连接；
步骤2，变压器出厂安装调试期间，利用专用通道将3个测量臂紧挨变压器绕组进行安装布置，并进行编号设置；
步骤3，变压器运行后，变压器绕组中存在局部放电产生的超声波信号，同时作用于3个测量臂，3个测量回路光强均发生变化，经光纤传输、光电转换和放大后转化为电压波形信号；
步骤4，利用多通道数据同步采集装置模块对局部放电超声波信号进行同步采集、存储和传输；
步骤5，局部放电超声波信号显示和对比分析，并给出定位结果，其中电压信号幅值大的测量探头所在位置为具有局部放电的变压器绕组。
10.根据权利要求9所述的一种采用Mach-Zehnder光纤干涉检测变压器局部放电的系统的方法，其特征在于：所述的步骤5中的定位算法具体包括：
如果U1＞U2,且U1＞U3，则回路1紧靠的绕组附近存在局部放电；
如果U2＞U1,且U2＞U3，则回路2紧靠的绕组附近存在局部放电；
如果U3＞U1,且U3＞U2，则回路3紧靠的绕组附近存在局部放电；
U1,U2,U3分别为三个测量回路采集到电压波形信号的峰峰值(mV)。
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