CN108594086A - 全光纤Michelson变压器内部局部放电超声信号检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全光纤Michelson变压器内部局部放电超声信号检测系统及方法，该系统包括变压器壳体模块(1)、光纤布置专用通道模块(2)、变压器油模块(3)、变压器绕组模块(4)、光纤绕圈模块(5)、第一反射镜模块(6)、第一3db耦合器模块(71)、第二3db耦合器模块(72)、分光器模块(9)、光源模块(10)、反射镜盒模块(11)、多通道光电转换和放大装置模块(12)、多通道数据同步采集装置模块(13)，以及控制与显示装置模块(14)。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

全光纤Michelson变压器内部局部放电超声信号检测系统及 方法

技术领域

本发明涉及局部放电超声信号检测领域，尤其是涉及一种全光纤Michelson变压器内部局部放电超声信号检测系统及方法。

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全光纤Michelson变压器内部局部放电超声信号检测系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种全光纤Michelson变压器内部局部放电超声信号检测系统，该系统包括变压器壳体模块、光纤布置专用通道模块、变压器油模块、变压器绕组模块、光纤绕圈模块、第一反射镜模块、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、反射镜盒模块、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，以及控制与显示装置模块；

所述的光纤绕圈模块分别连接第一反射镜模块、第一3db耦合器模块、第二3db耦合器模块，所述的第一3db耦合器模块分别与光纤绕圈模块、反射镜盒模块和第二3db耦合器模块连接，所述的第二3db耦合器模块分别与分光器模块和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，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，以及控制与显示装置模块依次连接，实现了基于Michelson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，所述的光纤绕圈模块均匀缠绕布置在变压器绕组模块上，所述的光纤绕圈模块淹没在变压器油模块中。

优选的，所述的第一3db耦合器模块通过单模光纤模块分别与光纤绕圈模块、反射镜盒模块和第二3db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分别与分光器模块和多通道光电转换和放大装置模块连接。

优选的，所述的连接光纤绕圈模块和第一3db耦合器模块的单模光纤通过光纤布置专用通道模块布置在变压器壳体模块内。

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。

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光纤绕圈模块的测量臂数、第一反射镜模块的反射镜数、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、反射镜盒模块的分路数和放大装置模块的通道数均相同。

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，所述的光纤绕圈模块的测量臂光纤匝数根据所需测量灵敏度而变化。

一种所述的全光纤Michelson变压器内部局部放电超声信号检测系统的方法，包括以下步骤：

步骤1，将光源、分光器、耦合器、反射镜盒的光回路形成的Michelson光纤干涉检测变压器局部放电超声波信号的三个测量回路连接；

步骤2，变压器出厂安装调试期间，利用通道将3个测量臂按设计方案在变压器绕组进行缠绕安装布置；

步骤3，变压器运行后，变压器内部绕组或油中存在局部放电产生的超声波信号，同时作用于三个测量臂，三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，其中电压信号峰峰值大的测量臂所在位置为局部放电存在位置。

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。

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Michelson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Michelson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Michelson光纤干涉超声光纤传感原理图。

图4为本发明的Michelson光纤干涉相位调制光强信号示意图。

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，提出一种全光纤Michelson变压器内部局部放电超声信号检测方法及系统。即针对变压器三绕组布置，基于Michelson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，实现检测变压器内部绕组和油中局部放电超声波信号并进行定位的传感测量系统。

如图1所示，一种全光纤Michelson变压器内部局部放电超声信号检测系统，该系统包括变压器壳体模块1、光纤布置专用通道模块2、变压器油模块3、变压器绕组模块4、光纤绕圈模块5、第一反射镜模块6、第一3db耦合器模块71、第二3db耦合器模块72、分光器模块9、光源模块10、反射镜盒模块11、多通道光电转换和放大装置模块12、多通道数据同步采集装置模块13，以及控制与显示装置模块14；

所述的光纤绕圈模块5分别连接第一反射镜模块6、第一3db耦合器模块71、第二3db耦合器模块72，所述的第一3db耦合器模块71分别与光纤绕圈模块5、反射镜盒模块11和第二3db耦合器模块72连接，所述的第二3db耦合器模块72分别与分光器模块9和多通道光电转换和放大装置模块12连接，所述的光源模块10与分光器模块9连接，所述的多通道光电转换和放大装置模块12、多通道数据同步采集装置模块13，以及控制与显示装置模块14依次连接，实现了基于Michelson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，所述的光纤绕圈模块5均匀缠绕布置在变压器绕组模块4上，所述的光纤绕圈模块5淹没在变压器油模块3中。

所述的第一3db耦合器模块71通过单模光纤模块8分别与光纤绕圈模块5、反射镜盒模块11和第二3db耦合器模块72连接，所述的第二3db耦合器模块72通过单模光纤模块8分别与分光器模块9和多通道光电转换和放大装置模块12连接。

所述的连接光纤绕圈模块5和第一3db耦合器模块71的单模光纤通过光纤布置专用通道模块2布置在变压器壳体模块1内。

所述的控制与显示装置模块14对多通道光电转换和放大装置模块12和多通道数据同步采集装置模块13进行参数设置，所述的控制与显示装置模块14对多通道数据同步采集装置模块13输入的超声波局部放电信号进行显示和分析。

所述的分光器模块9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4的变压器绕组数与光纤绕圈模块5的测量臂数、第一反射镜模块6的反射镜数、第一3db耦合器模块71的耦合器数、第二3db耦合器模块72的耦合器数、分光器模块9的分光器分路数、反射镜盒模块11的分路数和放大装置模块12的通道数均相同。

如图2所示，一种采用Michelson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，包括以下步骤：

步骤1，将光源、分光器、耦合器、反射镜盒等光回路形成的Michelson光纤干涉检测变压器局部放电超声波信号的三个测量回路连接；

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(光纤绕圈)按设计方案在变压器绕组进行缠绕安装布置；

步骤3，变压器运行后，变压器内部绕组或油中存在局部放电产生的超声波信号，同时作用于三个测量臂，三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，其中电压信号峰峰值大的测量臂所在位置为局部放电存在位置。

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Michelson光纤干涉回路。

按照变压器内部三绕组布置方式，三个Michelson光纤干涉回路的测量臂(光纤绕圈)按设计方案缠绕在变压器绕组上。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。

采用Michelson光纤干涉检测超声波信号，其单一回路原理图如图3所示：

使用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，一束在信号臂光纤中传输，另一束在参考臂光纤中传输，变压器内部局部放电产生的超声波信号作用与信号臂的光纤绕圈探头，第二个3dB耦合器把两束光再耦合，沿光纤返回直至光电转换装置。检测系统一般使用单色光源，光电转换装置接收到的光强为：

式中：为信号臂与参考臂之间的相位差，其中包括超声波信号引起的相位差，I₁为光源入射光强。

检测系统使用所示的光脉冲信号如图4所示，由于超声波信号调制信号臂的光纤线圈，使得光电转换装置检测到频率差为f₁-f₂的相位调制光强信号，使用外差法的相位解调器就能恢复外部作用信号。

本发明的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：100；

光纤匝半径：按变压器绕组尺寸设计。

(2)光源及光纤等

光源：氦氖激光器，波长633nm，功率5mW；

光纤：单模，波长633nm，纤芯9μm；

耦合器：波长633nm，各种损耗均大于50dB；

光电转换：光电二极管，波长633nm，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数可以变化，用于改变测量灵敏度。

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)

1.一种全光纤Michelson变压器内部局部放电超声信号检测系统，其特征在于，该系统包括变压器壳体模块(1)、光纤布置专用通道模块(2)、变压器油模块(3)、变压器绕组模块(4)、光纤绕圈模块(5)、第一反射镜模块(6)、第一3db耦合器模块(71)、第二3db耦合器模块(72)、分光器模块(9)、光源模块(10)、反射镜盒模块(11)、多通道光电转换和放大装置模块(12)、多通道数据同步采集装置模块(13)，以及控制与显示装置模块(14)；

所述的光纤绕圈模块(5)分别连接第一反射镜模块(6)、第一3db耦合器模块(71)、第二3db耦合器模块(72)，所述的第一3db耦合器模块(71)分别与光纤绕圈模块(5)、反射镜盒模块(11)和第二3db耦合器模块(72)连接，所述的第二3db耦合器模块(72)分别与分光器模块(9)和多通道光电转换和放大装置模块(12)连接，所述的光源模块(10)与分光器模块(9)连接，所述的多通道光电转换和放大装置模块(12)、多通道数据同步采集装置模块(13)，以及控制与显示装置模块(14)依次连接，实现了基于Michelson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，所述的光纤绕圈模块(5)均匀缠绕布置在变压器绕组模块(4)上，所述的光纤绕圈模块(5)淹没在变压器油模块((3)中。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的第一3db耦合器模块(71)通过单模光纤模块(8)分别与光纤绕圈模块(5)、反射镜盒模块(11)和第二3db耦合器模块(72)连接，所述的第二3db耦合器模块(72)通过单模光纤模块(8)分别与分光器模块(9)和多通道光电转换和放大装置模块(12)连接。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的连接光纤绕圈模块(5)和第一3db耦合器模块(71)的单模光纤通过光纤布置专用通道模块(2)布置在变压器壳体模块(1)内。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的控制与显示装置模块(14)对多通道光电转换和放大装置模块(12)和多通道数据同步采集装置模块(13)进行参数设置，所述的控制与显示装置模块(14)对多通道数据同步采集装置模块(13)输入的超声波局部放电信号进行显示和分析。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的分光器模块(9)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。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的变压器绕组模块(4)的变压器绕组数与光纤绕圈模块(5)的测量臂数、第一反射镜模块(6)的反射镜数、第一3db耦合器模块(71)的耦合器数、第二3db耦合器模块(72)的耦合器数、分光器模块(9)的分光器分路数、反射镜盒模块(11)的分路数和放大装置模块(12)的通道数均相同。

7.根据权利要求1所述的系统：其特征在于，所述的控制与显示装置模块(14)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。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的光纤绕圈模块(5)的测量臂光纤匝数根据所需测量灵敏度而变化。

9.一种采用权利要求1～8任一所述的全光纤Michelson变压器内部局部放电超声信号检测系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将光源、分光器、耦合器、反射镜盒的光回路形成的Michelson光纤干涉检测变压器局部放电超声波信号的三个测量回路连接；

步骤2，变压器出厂安装调试期间，利用通道将3个测量臂按设计方案在变压器绕组进行缠绕安装布置；

步骤3，变压器运行后，变压器内部绕组或油中存在局部放电产生的超声波信号，同时作用于三个测量臂，三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，其中电压信号峰峰值大的测量臂所在位置为局部放电存在位置。

10.根据权利要求9所述的方法，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。