CN111220881A - 用于高压套管放电故障检测的光纤检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于高压套管放电故障检测的光纤检测装置，包括：光纤传感单元、光纤延迟单元、光电转换单元和信号采集处理单元；光纤传感单元包括传感光纤；光纤延迟单元包括延迟光纤、光源、耦合器；光电转换单元包括光电探测器；信号采集处理单元包括高通滤波器；延迟光纤连接耦合器；光源的输出端连接分光耦合器；光电探测器的输入端连接分光耦合器，输出端连接信号采集处理单元；合光耦合器连接传感光纤。在本发明中，通过在高压套管安装光纤传感探头，经由光纤延迟单元和光电转换单元采集到高压套管内由于放电故障引起的振动信息，判别高压套管发生放电故障与否并进行放电故障的检测和诊断，解决了传统高压套管中放电故障不易检测的难题。

Description

用于高压套管放电故障检测的光纤检测装置
技术领域
本发明涉及高压套管光学传感检测领域，尤其涉及一种用于高压套管放电故障检测的光纤检测装置。
背景技术
高压套管包括换流变压器套管、穿墙套管、变压器套管以及电抗器套管等，是高压与特高压输配电网络中的重要绝缘设备。高压韬光长时间工作于电-热耦合的复杂环境，易受到电、热以及机械应力的影响发生局部放电，威胁电网的安全稳定运行。
局部放电的检测方法依据检测量类型的区别可分为电检测与非电检测。其中电检测包括脉冲电流法，超高频检测法，特高频检测法以及无线电干扰电压方法等等，采用电气量对局部放电进行检测灵敏度高，测量结果较为精确，但由于现场高压套管结构通常较为复杂，导致电磁波传播时出现大量不必要折返射现象，同时造成较大干扰；而非电检测包括红外测温法，超声波法以及电化学方法等等。其中超声检测法由于所检测特征参量为超声信号，检测过程中信号免受电磁干扰，且能够实现局部放电的带电检测与放电源定位，在局部放电检测中具有明显优势。但超声检测法使用声发射探头接收局部放电所发出超声信号，由于声发射探头属于金属器件，无法安装至供电系统内部进行局部放电信号检测，同时由于套管内部结构紧凑，容易发生严重的超声信号衰减，借助声发射探头的超声检测法难以确保局部放电检测的灵敏度与准确性。
采用光学干涉结构能对电力变压器局部放电中的微弱振动进行监测，同时光纤不属于金属元器件，能够放置于变压器内部避免检测到的超声信号受变压器壳体影响衰减严重，且不影响变压器正常运行，实现设备绝缘状态的带电检测和在线监测。因此，基于干涉型光学结构的局部放电超声信号检测对变压器绝缘状态判别具有有效性。
传统光学传感探头分为有骨架与无骨架两种。有骨架传感探头不具有方向性，可靠性高，但由于骨架通常为金属材料，无法安装至套管内部进行检测。有骨架传感探头灵敏度高但由于不同角度的局部放电检测幅值不同，其检测可靠性差。因此在实际应用中光学检测仍存在弊端。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种用于高压套管放电故障检测的光纤检测装置。
为实现上述发明目的，本发明提供一种用于高压套管放电故障检测的光纤检测装置，包括：光纤传感单元、光纤延迟单元、光电转换单元和信号采集处理单元；
所述光纤传感单元包括用于绕制在高压套管上的传感光纤；
所述光纤延迟单元包括延迟光纤、光源、分光耦合器和合光耦合器；
所述光电转换单元包括光电探测器；
所述信号采集处理单元包括用以削弱低频背景噪声以及消除直流偏置的高通滤波器；
所述延迟光纤连接所述分光耦合器和所述合光耦合器；
所述分光耦合器连接所述合光耦合器；
所述光源的输出端连接所述分光耦合器；
所述光电探测器的输入端连接所述分光耦合器，输出端连接所述信号采集处理单元；
所述合光耦合器连接所述传感光纤。
根据本发明的一个方面，还包括用于反射所述传感光纤中传导的光信号的反射结构。
根据本发明的一个方面，所述反射结构为单程旋光45°的法拉第电磁旋镜。
根据本发明的一个方面，所述信号采集处理单元还包括示波器或者采集卡以及小波降噪与批处理程序。
根据本发明的一个方面，所述光纤检测装置为Michelson、Mach–Zehnder或者Sagnac型干涉结构，所述Michelson、所述Mach–Zehnder或者所述Sagnac型干涉结构为直线型结构、环型结构或者双环型结构；
其中，所述双环型结构为其中一种所述干涉结构的重复组合或者两种干涉结构的相互组合。
根据本发明的一个方面，所述传感光纤绕制在高压套管的平滑外表面上，并且沿着平滑表面的单一方向绕制；
所述传感光纤整体呈单螺旋状分布在高压套管的外表面，并且单螺旋状的所述传感光纤的两端在高压套管上固定。
根据本发明的一个方面，所述传感光纤绕制时光纤之间以及与高压套管之间紧密贴合。、光纤与待测设备之间均需紧密贴合。
根据本发明的一个方面，所述传感光纤绕制于高压套管芯子与导杆处用于检测高压套管内部微弱局部放电；
所述传感光纤绕制在高压套管外壳上用于检测高压套管中高能放电现象。
根据本发明的用于高压套管放电故障检测的光纤检测装置的具体方案，实际能够取得以下现有技术所取得不了的技术效果：
(1)抗电磁干扰：传统电气量传感器容易受到霍尔效应的影响，被高压套管工作环境中的强电磁场干扰，导致检测失效。本发明所采用的干涉型光学结构为光路拓扑，光电转换单元存在电信号但远离现场高压套管，因此整体检测不易受到电磁干扰，有效降低检测误差；
(2)安装位置不受限制：本发明所使用的光学检测技术由于靠近高压套管处的检测装置为非金属元器件，在其附近布置施加高电压时不会影响套管的正常运行，因此与其他检测方法相比，光学干涉结构的布置位置相对随意，不受到传感装置自身材料属性的限制；
(3)可靠性与灵敏度高：与传统干涉型光学结构中传感探头相比，本发明将光纤直接绕制于高压套管外壳或任意部位，排除了金属骨架对设备运行所造成的影响以及角度所引起的检测误差等因素，有助于提高系统的可靠性与检测精度。
根据本发明的用于高压套管放电故障检测的光纤检测装置的具体方案，通过在高压套管合理安装光纤传感探头，经由光纤延迟单元和光电转换单元采集到高压套管内由于放电故障引起的振动信息，进一步判别高压套管发生放电故障与否并进行放电故障的检测和诊断，解决了传统高压套管中放电故障不易检测的难题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性表示根据本发明的用于高压套管放电故障检测的光纤检测装置的结构框图；
图2示意性表示根据本发明的用于高压套管放电故障检测的光纤检测装置检测高压套管的结构图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
图1示意性表示根据本发明的用于高压套管放电故障检测的光纤检测装置的结构框图；如图1所示，根据本发明的用于高压套管放电故障检测的光纤检测装置包括光纤传感单元1、光纤延迟单元2、光电转换单元3和信号采集处理单元4。在本发明中，光纤传感单元1包括传感光纤101。光纤延迟单元2包括延迟光纤201、光源202、分光耦合器203和合光耦合器204。光电转换单元3包括光电探测器301。信号采集处理单元4包括用以削弱低频背景噪声以及消除直流偏置的高通滤波器以及示波器或者采集卡和小波降噪与批处理程序。
在本发明中，传感光纤101绕制在高压套管的平滑外表面(即平滑的外轮廓表面)上，并且沿着平滑表面的单一方向绕制。由此可知，传感光纤101整体是呈单螺旋状分布在高压套管的外表面上的，并且在本发明中，单螺旋状的传感光纤101的两端在高压套管上固定，而螺旋状的传感光纤101的中间部分可以不必固定，因为由固定的两端的挤压以及紧密绕制方式可以使其位置稳定牢靠。
在本发明中，传感光纤101绕制时各段光纤之间以及与高压套管之间紧密贴合。
此外，在本发明中，传感光纤101绕制于高压套管芯子与导杆处用于检测高压套管内部微弱局部放电，绕制在高压套管外壳上用于检测高压套管中高能放电现象，如严重局部放电或电弧放电。
以下以一种具体实施方式说明本发明。
图2示意性表示根据本发明的一种实施方式的用于高压套管放电故障检测的光纤检测装置检测高压套管的结构图。如图2所示，在本实施方式中，光纤传感单元1包括用于绕制在高压套管上的传感光纤101，如图1所示，传感光纤101绕制在高压套管的上端外表面，在本实施方式中，同时采用紫外胶将传感光纤101固定在高压套管的外表面上，套管正常运行发热以及故障发热时，不会对紫外胶的工作性能产生影响。这样一来，使得绕制了传感光纤101的高压套管的端部成为了光纤传探头。
如图1所示，在本实施方式中，光纤延迟单元2包括延迟光纤201、光源202、分光耦合器203和合光耦合器204。分光耦合器203连接合光耦合器204，延迟光纤201分别连接分光耦合器203和合光耦合器204。同时，光源202的输出端连接分光耦合器203，合光耦合器204连接传感光纤101。
在本实施方式中，光电转换单元3包括光电探测器301，其用于探测光信号强度并将其转化为电信号进行输出，在本发明的检测装置中，其输入端一般与耦合器连接，输出端连接信号采集处理单元4。
在本实施方式中，信号采集处理单元4包括用以削弱低频背景噪声的滤波器，以及示波器或者采集卡和小波降噪与批处理程序。在本实施方式中，小波降噪对光电探测器301中的干扰和噪声信号进行滤除，批处理程序建立特定频段内振动信号幅值与放电故障程度的对应数值关系。
进一步地，如图1所示，在本发明中，还包括反射结构5，反射结构5主要用于反射传感光纤101中传导的单路光信号，以构成光学回路，形成干涉现象。在本实施方式中，所述反射结构5为单程旋光45°的法拉第电磁旋镜501。其可防止光路中由于各种原因产生的背向传输光对光源以及光路系统产生的不良影响，还可消除光纤固有的双折射现象，以提高相干信噪比，实现对局部放电超声信号引发的振动的高精度测量。
在本发明中，光纤检测装置为Michelson、Mach–Zehnder或者Sagnac型干涉结构，Michelson、Mach–Zehnder或者Sagnac型干涉结构为图1中所示的直线型结构，当然还可以是本领域公知的环型结构或者双环型结构。其中，双环型结构为其中一种干涉结构的重复组合或者两种干涉结构的相互组合。Sagnac干涉结构可以使用宽带光源，其成本较低，同时具有短的相干长度，有助于抑制光路中瑞利散射，克尔效应等光路噪声对光纤陀螺的影响。
此外，延迟光纤201在不同干涉结构中作用不同，需分别讨论，在环型干涉结构中主要通过增加光纤长度以提高检测灵敏度，而在上述直线型干涉结构中光的干涉现象发生于2×2耦合器处，延迟光纤主要起到相位调制作用。
根据本发明的上述实施方式，具体应用时，由于本发明引例采用Sagnac干涉结构，对光源要求较低，因此可以使用宽带光源，该光源在节约检测成本的同时能够抑制瑞利散射、克尔效应及偏振交叉耦合引起的相干误差和噪声。宽带光源发出的光经过2×2耦合器被分成两束光，一束光经1500m延迟光纤传输至1×2耦合器，另一束光直接传输至1×2耦合器。1×2耦合器另一端即为光纤传感探头部分。将长度为3m的光纤紧密绕制于高压套管芯子处并进行固定，即构成用于接收或感应微弱振动所引起的超声波信号的光纤传感探头。与传统探头相比，采用高压套管芯子作为传输骨架，具有可靠性与检测精度高等优势。传感光纤与延迟光纤都为弯曲不敏感单模光纤，该光纤的工作波长为1260nm–1625nm，具有光的色散小，传输距离只受光纤衰减的影响等特点。传感光纤另一端为法拉第旋转镜，可消除光纤固有的双折射现象，以提高相干信噪比，实现对局部放电超声信号引发的振动的高精度测量。2×2耦合器所发出的顺逆2束光耦合器中发生干涉，由于两束光所经过的光路途径相同，在干涉仪不受外力作用时，顺逆时针传播的两束光程差为零。当Sagnac干涉结构外部存在振动引发的超声信号时，沿光纤传感探头的法向方向存在角速度，由于顺逆两束光到达扰动位置的时间不同，两束光之间形成相位差，进一步导致相应的干涉信号强度发生改变，通过光电二极管解调，检测干涉信号强度即可获知角速度大小，从而达到对超声信号进行检测的目的。
根据本发明的上述设置，考虑到随光纤长度增加，检测结构灵敏度更好以及资源的合理配置将光纤截取合适长度，紧密螺旋绕制于高压套管表面，对所绕制的光纤环进行固定，搭建基于干涉型光学原理的局部放电超声信号检测平台，对各类高压套管中的微弱局部放电进行检测，由于检测信号中存在背景噪声，为对局部放电进行精确分析，采用小波等程序对其进行降噪。本发明的提出能够提高光学方法检测局部放电的可靠性与检测精度。
同时，根据本发明的上述设置，能够取得以下现有技术所取得不了的技术效果：
(1)抗电磁干扰：传统电气量传感器容易受到霍尔效应的影响，被高压套管工作环境中的强电磁场干扰，导致检测失效。本发明所采用的干涉型光学结构为光路拓扑，光电转换单元存在电信号但远离现场高压套管，因此整体检测不易受到电磁干扰，有效降低检测误差；
(2)安装位置不受限制：本发明所使用的光学检测技术由于靠近高压套管处的检测装置为非金属元器件，在其附近布置施加高电压时不会影响套管的正常运行，因此与其他检测方法相比，光学干涉结构的布置位置相对随意，不受到传感装置自身材料属性的限制；
(3)可靠性与灵敏度高：与传统干涉型光学结构中传感探头相比，本发明将光纤直接绕制于高压套管外壳或任意部位，排除了金属骨架对设备运行所造成的影响以及角度所引起的检测误差等因素，有助于提高系统的可靠性与检测精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于高压套管放电故障检测的光纤检测装置，其特征在于，包括：光纤传感单元(1)、光纤延迟单元(2)、光电转换单元(3)和信号采集处理单元(4)；
所述光纤传感单元(1)包括用于绕制在高压套管上的传感光纤(101)；
所述光纤延迟单元(2)包括延迟光纤(201)、光源(202)、分光耦合器(203)和合光耦合器(204)；
所述光电转换单元(3)包括光电探测器(301)；
所述信号采集处理单元(4)包括用以削弱低频背景噪声以及消除直流偏置的高通滤波器；
所述延迟光纤(201)连接所述分光耦合器(203)和所述合光耦合器(204)；
所述分光耦合器(203)连接所述合光耦合器(204)；
所述光源(202)的输出端连接所述分光耦合器(203)；
所述光电探测器(301)的输入端连接所述分光耦合器(203)，输出端连接所述信号采集处理单元(4)；
所述合光耦合器(204)连接所述传感光纤(101)。
2.根据权利要求1所述的用于高压套管放电故障检测的光纤检测装置，其特征在于，还包括用于反射所述传感光纤(101)中传导的光信号的反射结构(5)。
3.根据权利要求2所述的用于高压套管放电故障检测的光纤检测装置，其特征在于，所述反射结构(5)为单程旋光45°的法拉第电磁旋镜(501)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于高压套管放电故障检测的光纤检测装置，其特征在于，所述信号采集处理单元(4)还包括示波器或者采集卡以及小波降噪与批处理程序。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的用于高压套管放电故障检测的光纤检测装置，其特征在于，所述光纤检测装置为Michelson、Mach–Zehnder或者Sagnac型干涉结构，所述Michelson、所述Mach–Zehnder或者所述Sagnac型干涉结构为直线型结构、环型结构或者双环型结构；
其中，所述双环型结构为其中一种所述干涉结构的重复组合或者两种干涉结构的相互组合。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的用于高压套管放电故障检测的光纤检测装置，其特征在于，所述传感光纤(101)绕制在高压套管的平滑外表面上，并且沿着平滑表面的单一方向绕制；
所述传感光纤(101)整体呈单螺旋状分布在高压套管的外表面，并且单螺旋状的所述传感光纤(101)的两端在高压套管上固定。
7.根据权利要求6所述的用于高压套管放电故障检测的光纤检测装置，其特征在于，所述传感光纤(101)绕制时光纤之间以及与高压套管之间紧密贴合。
8.根据权利要求7所述的用于高压套管放电故障检测的光纤检测装置，其特征在于，所述传感光纤(101)绕制于高压套管芯子与导杆处用于检测高压套管内部微弱局部放电；
所述传感光纤(101)绕制在高压套管外壳上用于检测高压套管中高能放电现象。
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