CN110988623A - 石英荧光光纤的局部放电传感探测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石英荧光光纤的局部放电传感探测系统，包括光纤传感器、传输光纤、光电探测器、示波器、数据采集卡和电脑。光纤传感器是在稀土元素掺杂的石英荧光光纤外部封装遮光套管，光纤传感器一端采用熔接方式或光纤法兰与传输光纤相连接；所述光电探测器与示波器或与数据采集卡及电脑通过数据信号线相连接组成瞬态光子计数模式的光电信号解调系统。本发明的光纤传感器是被动无源的，可以采用单点方式的一个传感探头或分布方式将一定长度的石英荧光光纤绕布在需要监测局部放电的电力装置腔内或腔壁，实时、高效、远程的实现对局部放电信号的监测，保证电力设施的运转安全。

Description

石英荧光光纤的局部放电传感探测系统
技术领域
本发明涉及一种光电传感器，特别是涉及一种石英荧光光纤传感探测系统，应用于光电技术领域。
背景技术
局部放电是高压电力设备在出现绝缘故障时的一种危及电力设备运转安全的随机偶发现象。对这种绝缘故障的实时、在线、快速的监测和相应的备用系统保护性的切换，可将放电对电力设备及整个供电系统的危害降到最低。出现局部放电的绝缘故障模型可以分为针尖电极或球形电极的放电、针板电极放电，但其物理机制都是失去绝缘保护的两个裸露点之间的空气或变压器油等介质被高压电击穿使得介质材料电离释放带电离子的过程，并伴随着相应的电磁波辐射、声效应、光效应现象。正是基于这些局部放电的伴生现象，所采取的放电检测也各有不同。可将其归类为以下三种：
1感生电流法。高压局部放电将产生高频感生电流，利用电流互感器件可以准确的实现对这种放电现象的检测。但局放尤其是高压甚至超高压的高频放电必定产生电磁辐射，而电磁辐射作用下依靠电磁感应的器件将受到信号干扰，严重的甚至直接对传感器系统造成损坏。
2超声检测法。利用声学方法的传感器可分为压电式和光纤式两种。压电式传感器是利用压电应变片感应超声信号所产生的声压变化。压电式的空间分辨率较低。而基于超声现象的光纤式传感器是将光纤绕在对超声敏感的陶瓷器件进而探测超声引起的光信号相位漂移。这种光纤传感方法属于主动探测，需要不间断的监测光路中的激光信号的改变量，成本较高，且受限于陶瓷器件的体积，空间分辨率较低，无法真正实现对放电的分布式传感。
3光学检测法。高压电源击穿周边介质使得介质材料电子的电离并发光，利用光学器件将绝缘介质电离过程中伴随的光信号传导至光电探测器进行监测是目前的一种新兴技术。直接贴放在电力设备的光电探测器同样无法实现高精度的空间分辨；而高分子聚合物光纤或塑料光纤的传输损耗较大对光信号的衰减也限制了其在该领域的进一步应用。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种石英荧光光纤的局部放电传感探测系统，在高压电力设备出现绝缘故障时能够实时监测局部放电并定位，利用稀土掺杂的石英荧光光纤作为传感器单元，直接将放电瞬间产生的电离能激发传感光纤内的稀土激活剂离子发光，再经由光电信号解调系统探测响应。本发明系统可实现远程被动监测，传感器单元无需供电，工作稳定，抗电磁干扰，且可通过对稀土离子的调控改变对不同放电模型的准确分辨。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：
一种石英荧光光纤的局部放电传感探测系统，包括光纤传感器、传输光纤、光电探测器、示波器、数据采集卡和电脑；光纤传感器是在稀土元素掺杂的石英荧光光纤外部封装遮光套管组成，光纤传感器的稀土元素掺杂的石英荧光光纤的一端采用熔接方式或光纤法兰与传输光纤相连接；所述光电探测器通过数据信号线分别与示波器和电脑相连接，其中在光电探测器还通过数据采集卡进行数据前处理后与电脑连接，从而组成瞬态光子计数模式的光电信号解调系统；光纤传感器根据局部放电监测的需要采用单点方式布设，或采用连续分布方式布设，从而将所需长度的光纤传感器的稀土元素掺杂石英荧光光纤绕布在局部放电的电力装置腔内或腔壁上；并根据局部放电类型的不同，更换稀土元素掺杂石英荧光光纤或多种稀土元素掺杂石英荧光光纤复用；当光纤传感器采用分布方式进行放电监测时，光纤传感器的稀土元素掺杂石英荧光光纤的另一端采用熔接方式或光纤法兰与具有光信号延迟作用的传输光纤相连接，具有光信号延迟作用的传输光纤再接入光电探测器；采用瞬态光子计数模式对石英荧光光纤内荧光材料受激发射出的荧光信号进行单光子计数，从而在示波器或经由数据采集卡前向处理的电脑显示出放电脉冲的幅值、频率信息；在高压电力设备出现绝缘故障时，石英荧光光纤的局部放电传感探测系统能够实时监测局部放电并进行定位。
作为本发明优选的技术方案，光纤传感器内的光纤为稀土元素掺杂石英荧光光纤，其激发光谱与放电源的电火花光谱相匹配，从而由放电源激发石英传感光纤的稀土激活剂离子，发射出与光电探测器光子探测波长范围相匹配的发射光；石英荧光光纤的发射光的光谱波长范围及光子寿命由掺杂的稀土元素决定，并与放电发光波段相匹配。
本发明系统的工作原理：
高压电力设备的局部放电现象电离周边介质发出多个波段的光，由于局部放电模型不同，其放电脉冲频率及发光光谱均有所不同。在本系统中，局部放电所发出的短波长紫外波段电火花的光信号作为激发源将石英荧光光纤内的稀土离子激发并发光，这些光信号经由传输光纤被光电信号解调系统获取并处理。光纤自身体积小，空间分辨率高于其他电子器件或体材料的器件。光纤传感单元可以以单点方式对在不破坏高压电力设备结构的前提下进行布放；也可以采用连续分布的方式将一定长度的石英荧光光纤绕布在高压电力设备腔内或腔壁，高压电力设备任意点的局部放电都可被石英荧光光纤测得并通过光信号时延差的形式进行定位。而光电探测器，例如光电倍增管、硅光二极管，又别于光谱和相位解调方式，是采用一种瞬态光子计数模式对石英荧光光纤内荧光材料受激发射出的荧光信号进行单光子计数，而石英荧光光纤内掺杂的稀土元素，如Ce3+，其荧光寿命仅有纳秒量级，可以实时响应高压放电源的高频、超高频电脉冲信号，从而在示波器或经由数据采集卡前向处理的电脑端显示出放电脉冲的幅值、频率信息。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明系统的传感单元被动无源布放，安全可靠，工作稳定；
2.本发明系统进行检测和定位的空间分辨率高，对待测设施无结构破坏；
3.本发明系统的监测精度高，响应速度快。
附图说明
图1为本发明优选实施例石英荧光光纤的局部放电传感探测系统结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
在本实施例中，参见图1，一种石英荧光光纤的局部放电传感探测系统，包括光纤传感器1、传输光纤2、光电探测器3、示波器4、数据采集卡5和电脑6；光纤传感器1是在稀土元素掺杂的石英荧光光纤外部封装遮光套管组成，光纤传感器1的稀土元素掺杂的石英荧光光纤的一端采用熔接方式或光纤法兰与传输光纤2相连接；；光电探测器3通过数据信号线7分别与示波器4和电脑6相连接，其中在光电探测器3还通过数据采集卡5进行数据前处理后与电脑6连接，从而组成瞬态光子计数模式的光电信号解调系统8；光纤传感器1根据局部放电监测的需要采用单点方式布设，或采用连续分布方式布设，从而将所需长度的光纤传感器1的稀土元素掺杂石英荧光光纤绕布在局部放电的电力装置腔内或腔壁上；并根据局部放电类型的不同，更换稀土元素掺杂石英荧光光纤或多种稀土元素掺杂石英荧光光纤复用；当光纤传感器1采用分布方式进行放电监测时，光纤传感器1的稀土元素掺杂石英荧光光纤的另一端采用熔接方式或光纤法兰与具有光信号延迟作用的传输光纤9相连接，具有光信号延迟作用的传输光纤9再接入光电探测器3；采用瞬态光子计数模式对石英荧光光纤内荧光材料受激发射出的荧光信号进行单光子计数，从而在示波器4或经由数据采集卡5前向处理的电脑6显示出放电脉冲的幅值、频率信息；在高压电力设备出现绝缘故障时，石英荧光光纤的局部放电传感探测系统能够实时监测局部放电并进行定位。
在本实施例中，参见图1，光纤传感器1内的光纤为稀土元素掺杂石英荧光光纤，其激发光谱与放电源的电火花光谱相匹配，从而由放电源激发石英传感光纤的稀土激活剂Ce3+离子，发射出与光电探测器3光子探测波长范围相匹配的发射光；石英荧光光纤的发射光的光谱波长范围及光子寿命由掺杂的稀土元素决定，并与放电发光波段相匹配。
参见图1，本实施例石英荧光光纤的局部放电传感探测系统的光纤传感器是在稀土元素掺杂的石英荧光光纤外部封装遮光套管，光纤传感器一端采用熔接方式或光纤法兰与传输光纤相连接；光电探测器与示波器或与数据采集卡及电脑通过数据信号线相连接组成瞬态光子计数模式的光电信号解调系统。本实施例系统的光纤传感器是被动无源的，采用单点方式的一个传感探头或分布方式将一定长度的石英荧光光纤绕布在需要监测局部放电的电力装置腔内或腔壁，实时、高效、远程的实现对局部放电信号的监测，保证电力设施的运转安全。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明石英荧光光纤的局部放电传感探测系统的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种石英荧光光纤的局部放电传感探测系统，其特征在于：包括光纤传感器(1)、传输光纤(2)、光电探测器(3)、示波器(4)、数据采集卡(5)和电脑(6)；所述光纤传感器(1)是在稀土元素掺杂的石英荧光光纤外部封装遮光套管组成，光纤传感器(1)的稀土元素掺杂的石英荧光光纤的一端采用熔接方式或光纤法兰与传输光纤(2)相连接；所述光电探测器(3)通过数据信号线(7)分别与示波器(4)和电脑(6)相连接，其中在光电探测器(3)还通过数据采集卡(5)进行数据前处理后与电脑(6)连接，从而组成瞬态光子计数模式的光电信号解调系统(8)；所述光纤传感器(1)根据局部放电监测的需要采用单点方式布设，或采用连续分布方式布设，从而将所需长度的所述光纤传感器(1)的稀土元素掺杂石英荧光光纤绕布在局部放电的电力装置腔内或腔壁上；并根据局部放电类型的不同，更换稀土元素掺杂石英荧光光纤或多种稀土元素掺杂石英荧光光纤复用；当所述光纤传感器(1)采用分布方式进行放电监测时，光纤传感器(1)的稀土元素掺杂石英荧光光纤的另一端采用熔接方式或光纤法兰与具有光信号延迟作用的传输光纤(9)相连接，具有光信号延迟作用的传输光纤(9)再接入光电探测器(3)；采用瞬态光子计数模式对石英荧光光纤内荧光材料受激发射出的荧光信号进行单光子计数，从而在示波器(4)或经由数据采集卡(5)前向处理的电脑(6)显示出放电脉冲的幅值、频率信息；在高压电力设备出现绝缘故障时，所述石英荧光光纤的局部放电传感探测系统能够实时监测局部放电并进行定位。
2.根据权利要求1所述石英荧光光纤的局部放电传感探测系统，其特征在于：光纤传感器(1)内的光纤为稀土元素掺杂石英荧光光纤，其激发光谱与放电源的电火花光谱相匹配，从而由放电源激发石英传感光纤的稀土激活剂离子，发射出与光电探测器(3)光子探测波长范围相匹配的发射光；石英荧光光纤的发射光的光谱波长范围及光子寿命由掺杂的稀土元素决定，并与放电发光波段相匹配。
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GR01 Patent grant
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