CN111239563A - 一种变压器局部放电光纤传感系统和方法 - Google Patents

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邹德旭
王山
洪志湖
万福
颜冰
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Abstract

本申请提供了一种变压器局部放电光纤传感系统和方法，包括：激光器、光纤耦合器、第一光纤光栅、第二光纤光栅、光电探测器和数据处理模块，其中，光纤耦合器的第一端口与激光器通过光纤连接，光纤耦合器的第二端口与第一光纤光栅通过传感光纤连接。光纤耦合器的第三端口与第二光纤光栅通过参考光纤连接。光纤耦合器的第四端口与所述光电探测器的输入端通过光纤连接。所述光电探测器的输出端与所述数据处理模块电连接。当局部放电产生的超声波作用于传感光纤后，传感光纤的光程和折射率发生变化，实现超声波信号的传感。本申请中，传感光纤的长度可根据要测量的变压器内部结构进行设置，有效地解决了压电式传感器监测范围窄的技术问题。

Description

一种变压器局部放电光纤传感系统和方法
技术领域
本申请涉及电气设备在线监测技术领域，尤其涉及一种变压器局部放电光纤传感系统和方法。
背景技术
变压器是电网实现升压、降压变换的核心设备，变压器的安全稳定运行对于电网安全具有重要意义。当变压器内部绝缘介质中局部区域击穿时，会出现局部放电现象，通过检测局部放电产生的超声波信号，可以确定局部放电的存在并定位放电点，对变压器的绝缘状态做出估计。
传统的压电式传感器是基于压电效应的传感器，是一种自发电式和机电转换式传感器。压电式传感器的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。
但是，压电式传感器仅敏感元件部位能够对外界的超声信号进行测量，敏感元件结构微小，造成压电式传感器监测范围窄，对监测范围以外的变压器放电现象存在漏检的可能。
发明内容
本申请提供了一种变压器局部放电光纤传感系统和方法，以解决压电式传感器监测范围窄的技术问题。
为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：
第一方面，本申请实施例公开了一种变压器局部放电光纤传感系统，包括：激光器、光纤耦合器、第一光纤光栅、第二光纤光栅、光电探测器和数据处理模块，其中，
所述光纤耦合器的第一端口与所述激光器通过光纤连接；
所述光纤耦合器的第二端口与所述第一光纤光栅通过传感光纤连接；
所述光纤耦合器的第三端口与所述第二光纤光栅通过参考光纤连接；
所述光纤耦合器的第四端口与所述光电探测器的输入端通过光纤连接；
所述光电探测器的输出端与所述数据处理模块电连接。
可选的，所述数据处理模块包括：滤波器、数据采集卡和处理器，
所述滤波器的输入端与所述光电探测器的输出端电连接；
所述滤波器的输出端所述数据采集卡的输入端电连接；
所述数据采集卡还与所述处理器电连接。
可选的，所述的变压器局部放电光纤传感系统还包括：压电晶体，所述压电晶体设于所述光纤耦合器与所述第二光纤光栅之间；所述压电晶体还与所述处理器电连接。
可选的，所述激光器为窄带激光器。
第二方面，本申请实施例公开了一种变压器局部放电光纤传感方法，包括：将传感光纤设置于变压器内部；
激光器输出的激光由光纤耦合器分光，生成第一激光束和第二激光束；
所述第一激光束沿传感光纤传输，并在第一光纤光栅处返回；
所述第二激光束沿参考光纤传输，并在第二光纤光栅处返回；
返回的第一激光束和返回的第二激光束，进行干涉，生成探测激光；
光电探测器接收到所述探测激光，将所述探测激光的强度变化信号转化为电信号；
将所述电信号传送至数据处理模块进行数据处理。
可选的，将所述电信号传送至数据处理模块进行数据处理包括：
利用滤波器对所述电信号进行滤波，滤除频率在20kHz以下的电信号；
数据采集卡采集滤波后的电信号；
处理器分析外界环境因素对光纤长度的影响，通过控制压电晶体，实时调制参考光纤长度。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
本申请提供了一种变压器局部放电光纤传感系统及方法，包括：激光器、光纤耦合器、第一光纤光栅、第二光纤光栅、光电探测器和数据处理模块，其中，所述光纤耦合器的第一端口与所述激光器通过光纤连接，所述光纤耦合器的第二端口与所述第一光纤光栅通过传感光纤连接。所述光纤耦合器的第三端口与所述第二光纤光栅通过参考光纤连接。所述光纤耦合器的第四端口与所述光电探测器的输入端通过光纤连接。所述光电探测器的输出端与所述数据处理模块电连接。测量时，将传感光纤螺旋缠绕在弹性棒上，传感光纤经变压器出油口引出，将第一光纤光栅置于温控箱中。激光器输出的激光由光纤耦合器分光，生成第一激光束和第二激光束。所述第一激光束沿传感光纤传输，并在第一光纤光栅处返回，所述第二激光束沿参考光纤传输，并在第二光纤光栅处返回。返回的第一激光束和返回的第二激光束，进行干涉，生成探测激光。返回的第一激光束和返回的第二激光束，形成干涉后生成探测激光；经过光纤耦合器输入光电探测器。光电探测器接收到所述探测激光，将所述探测激光的强度变化信号转化为电信号。将所述电信号传送至数据处理模块进行数据处理。当局部放电产生的超声波作用于传感光纤后，引起传感光纤的光程和折射率变化，并最终引起探测激光强度的变化。探测激光强度的变化通过光电探测器转换为电信号后输出至数据处理模块，实现超声波信号的传感。
本申请对基于Michelson干涉原理，设计了一种变压器局部放电的光纤传感方法。传感光纤的长度可根据要测量的变压器内部结构进行设置，监测范围广，有效地解决了压电式传感器监测范围窄的技术问题。基于光纤传感的无源、抗电磁干扰的特性，有利于将传感光纤内置于变压器内部，实现局部放电的高灵敏探测。采用光纤光栅代替了光学反射镜，使系统的结构得到了简化。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，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，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。
图1为本申请实施例提供的一种变压器局部放电光纤传感系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的另一种变压器局部放电光纤传感系统的结构示意图；；
其中：1-激光器，2-光纤耦合器，3-第一光纤光栅，4-第二光纤光栅，5-光电探测器，6-数据处理模块，61-滤波器，62-数据采集卡，63-处理器，7-压电晶体。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例一
如图1所示，本申请实施例提供了一种变压器局部放电光纤传感系统，包括：激光器1、光纤耦合器2、第一光纤光栅3、第二光纤光栅4、光电探测器5和数据处理模块6，其中，所述光纤耦合器2的第一端口与所述激光器1通过光纤连接。所述光纤耦合器2的第二端口与所述第一光纤光栅3通过传感光纤连接。所述光纤耦合器2的第三端口与所述第二光纤光栅4通过参考光纤连接。所述光纤耦合器2的第四端口与所述光电探测器5的输入端通过光纤连接。所述光电探测器5的输出端与所述数据处理模块6电连接。
激光器1输出的激光由光纤耦合器5分光，生成第一激光束和第二激光束。因所述光纤耦合器2的第二端口与所述第一光纤光栅3通过传感光纤连接；所述光纤耦合器2的第三端口与所述第二光纤光栅4通过参考光纤连接。所述第一激光束沿传感光纤传输，并经第一光纤光栅3反射后返回。所述第二激光束沿参考光纤传输，并在第二光纤光栅4反射后返回。
返回的第一激光束和返回的第二激光束形成干涉后，生成探测激光。探测激光经过光纤耦合器2输入光电探测器5。当局部放电产生的声波作用于传感光纤后，引起传感光纤的光程和折射率变化，并最终引起探测激光强度的变化。光电探测器5接收到所述探测激光，将所述探测激光的强度变化信号转化为电信号。所述电信号传输至数据处理模块进行数据处理。
实施例二
如图2所示，本申请实施例提供了另一种变压器局部放电光纤传感系统，包括：激光器1、光纤耦合器2、第一光纤光栅3、第二光纤光栅4、光电探测器5和数据处理模块6，其中，所述光纤耦合器2的第一端口与所述激光器1通过光纤连接。所述光纤耦合器2的第二端口与所述第一光纤光栅3通过传感光纤连接。所述光纤耦合器2的第三端口与所述第二光纤光栅4通过参考光纤连接。所述光纤耦合器2的第四端口与所述光电探测器5的输入端通过光纤连接。所述光电探测器5的输出端与所述数据处理模块6电连接。
其中：所述数据处理模块6包括：滤波器61、数据采集卡62和处理器63，所述滤波器61的输入端与所述光电探测器5的输出端电连接；所述滤波器61的输出端所述数据采集卡62电连接；所述数据采集卡62还与所述处理器63电连接。
变压器局部放电光纤传感系统还包括：压电晶体7，所述压电晶体7设于所述光纤耦合器2与所述第二光纤光栅4之间；所述压电晶体7还与所述处理器63电连接。
测量时，将传感光纤设置于变压器内部。具体的，将传感光纤螺旋缠绕在弹性棒上，传感光纤经变压器出油口引出，将第一光纤光栅置于温控箱中，以保证光纤光栅的中心波长稳定。弹性棒可通过悬挂线悬挂在变压器内部。
激光器1输出的激光由光纤耦合器分光，生成第一激光束和第二激光束。因所述光纤耦合器的第二端口与所述第一光纤光栅通过传感光纤连接；所述光纤耦合器的第三端口与所述第二光纤光栅通过参考光纤连接。所述第一激光束沿传感光纤传输，并经第一光纤光栅反射后沿传感光纤返回。所述第二激光束沿参考光纤传输，并在第二光纤光栅反射后沿参考光纤返回。
返回的第一激光束和返回的第二激光束形成干涉后，生成探测激光。探测激光经过光纤耦合器输入光电探测器。当局部放电产生的声波作用于传感光纤后，引起传感光纤的光程和折射率变化，并最终引起探测激光强度的变化。光电探测器接收到所述探测激光，将所述探测激光的强度变化信号转化为电信号。将所述电信号传送至数据处理模块进行数据处理。
将所述电信号传送至数据处理模块进行数据处理，包括：利用滤波器对所述电信号进行滤波，滤除频率在20kHz以下的电信号。数据采集卡采集滤波后的电信号。处理器分析外界环境因素对光纤长度的影响，通过控制压电晶体，实时调制参考光纤长度。
滤波器滤除20kHz以下的干扰噪声，提高了变压器局部放电光纤传感系统的准确性和灵敏度。数据采集卡采集光电探测器生成的对应局部放电超声波信号的电压信号，处理器分析传感系统的状态，通过控制压电晶体，实时调制参考光纤长度。
本实施例还集成了反馈控制功能，当外界温度等因素引起参考光纤或传感光纤长度变化时，通过处理器控制压电晶体调节参考光纤长度，抑制外界无关因素的干扰。通过对压电晶体注入电压信号，引起压电晶体形变，通过压电晶体的形变，带动光纤形变，以调制光纤长度，抑制外界无关因素的干扰，提高变压器局部放电光纤传感系统的准确性。
本实施例还提供了变压器局部放电光纤传感方法，包括：将传感光纤设置于变压器内部，激光器输出的激光由光纤耦合器分光，生成第一激光束和第二激光束。所述第一激光束沿传感光纤传输，并经第一光纤光栅反射后沿传感光纤返回；所述第二激光束沿参考光纤传输，并在第二光纤光栅反射后沿参考光纤返回。返回的第一激光束和返回的第二激光束进行干涉，生成探测激光。光电探测器接收到所述探测激光，将所述探测激光的强度变化信号转化为电信号。将所述电信号传送至数据处理模块进行数据处理。
将所述电信号传送至数据处理模块进行数据处理包括：利用滤波器对所述电信号进行滤波，滤除频率在20kHz以下的电信号。数据采集卡采集滤波后的电信号。处理器接收滤波后的电信号，分析外界环境因素对光纤长度的影响，通过控制压电晶体，实时调制参考光纤长度。
在本实施例中，具体参数如下：激光器为中心波长在1550nm的窄带激光器，带宽小于300kHz，光纤耦合器的耦合比为50:50，光纤光栅的中心波长为1550nm，传感光纤长度为30m，滤波器为20kHz-200kHz的带通滤波器。压电晶体为PZT陶瓷，呈圆柱形。一部分参考光纤缠绕于PZT陶瓷上，在每次需进行精确测量前，要对参考光纤的长度进行校正。
假设传感光纤和参考光纤中反射光的光强分别为I1、I2，则两束光的干涉强度可表示为
Figure BDA0002388324350000041
式(1)中，φ为两束激光的相位差，可表示为φ＝βL (2)
式(2)中，β＝2πnf/c为传输常量，其中n为光纤折射率、f为光频率、c为光速；L为光纤长度。
由式(1)(2)可见，随着光纤长度和折射率的变换，干涉光的光强出现变化。而当外界声学信号作用于传感光纤时，由于力学效应，会引起传感光纤长度的变化。由于弹光效应会引起光纤折射率的变化，这些变化最终体现在干涉光强度的变化上，从而实现了局部放电超声波信号的测量。
由弹光效应原理，在外界应力作用下，折射率变化量Δn与光纤应变量ε的关系为：
Figure BDA0002388324350000042
式(3)中，P11、P12为材料的弹光系数，ε1、ε2为光纤的横向应变，ε3为光纤的纵向应变。
在本实施例中，针对的是一台30kVA的S11-M型变压器，该变压器的外形尺寸为980×600×1020(mm)。故弹性棒长度设置为8m，半径为2.5cm，材料选择为硅橡胶，悬挂线为尼龙绳，悬挂线长度为5cm，悬挂线按等边三角形布置。
综上所述，本申请提供了一种变压器局部放电光纤传感系统及方法，包括：包括：激光器、光纤耦合器、第一光纤光栅、第二光纤光栅、光电探测器和数据处理模块，其中，所述光纤耦合器的第一端口与所述激光器通过光纤连接，所述光纤耦合器的第二端口与所述第一光纤光栅通过传感光纤连接。所述光纤耦合器的第三端口与所述第二光纤光栅通过参考光纤连接。所述光纤耦合器的第四端口与所述光电探测器的输入端通过光纤连接。所述光电探测器的输出端与所述数据处理模块电连接。测量时，将传感光纤螺旋缠绕在弹性棒上，传感光纤经变压器出油口引出，将第一光纤光栅置于温控箱中。激光器输出的激光由光纤耦合器分光，生成第一激光束和第二激光束。所述第一激光束沿传感光纤传输，并经第一光纤光栅反射后返回，所述第二激光束沿参考光纤传输，并在第二光纤光栅反射后返回。返回的第一激光束和返回的第二激光束，形成干涉后生成探测激光；经过光纤耦合器输入光电探测器。光电探测器接收到所述探测激光，将所述探测激光的强度变化信号转化为电信号。将所述电信号传送至数据处理模块进行数据处理。当局部放电产生的超声波作用于传感光纤后，引起传感光纤的光程和折射率变化，并最终引起探测激光强度的变化。探测激光强度的变化通过光电探测器转换为电信号后输出至数据处理模块，实现超声波信号的传感。
本申请对基于Michelson干涉原理，设计了一种变压器局部放电的光纤传感方法。传感光纤的长度可根据要测量的变压器内部结构进行设置，监测范围广，有效地解决了压电式传感器监测范围窄的技术问题。基于光纤传感的无源、抗电磁干扰的特性，有利于将传感光纤内置于变压器内部，实现局部放电的高灵敏探测。采用光纤光栅代替了光学反射镜，使系统的结构得到了简化。
由于以上实施方式均是在其他方式之上引用结合进行说明，不同实施例之间均具有相同的部分，本说明书中各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。在此不再详细阐述。
需要说明的是，在本说明书中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的电路结构、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种电路结构、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的电路结构、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。
以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (6)

1.一种变压器局部放电光纤传感系统，其特征在于，包括：激光器(1)、光纤耦合器(2)、第一光纤光栅(3)、第二光纤光栅(4)、光电探测器(5)和数据处理模块(6)，其中，
所述光纤耦合器(2)的第一端口与所述激光器(1)通过光纤连接；
所述光纤耦合器(2)的第二端口与所述第一光纤光栅(3)通过传感光纤连接；
所述光纤耦合器(2)的第三端口与所述第二光纤光栅(4)通过参考光纤连接；
所述光纤耦合器(2)的第四端口与所述光电探测器(5)的输入端通过光纤连接；
所述光电探测器(5)的输出端与所述数据处理模块(6)电连接。
2.根据权利要求1所述的变压器局部放电光纤传感系统，其特征在于，所述数据处理模块(6)包括：滤波器(61)、数据采集卡(62)和处理器(63)，
所述滤波器(61)的输入端与所述光电探测器(5)的输出端电连接；
所述滤波器(61)的输出端所述数据采集卡(62)电连接；
所述数据采集卡(62)还与所述处理器(63)电连接。
3.根据权利要求2所述的变压器局部放电光纤传感系统，其特征在于，还包括：压电晶体(7)，所述压电晶体(7)设于所述光纤耦合器(2)与所述第二光纤光栅(4)之间；所述压电晶体(7)还与所述处理器(63)电连接。
4.根据权利要求2所述的变压器局部放电光纤传感系统，其特征在于，所述激光器(1)为窄带激光器。
5.一种变压器局部放电光纤传感方法，其特征在于，包括：
将传感光纤设置于变压器内部；
激光器输出的激光由光纤耦合器分光，生成第一激光束和第二激光束；
所述第一激光束沿传感光纤传输，并经第一光纤光栅反射后沿传感光纤返回；
所述第二激光束沿参考光纤传输，并在第二光纤光栅反射后沿参考光纤返回；
返回的第一激光束和返回的第二激光束进行干涉，生成探测激光；
光电探测器接收到所述探测激光，将所述探测激光的强度变化信号转化为电信号；
将所述电信号传送至数据处理模块进行数据处理。
6.根据权利要求5所述的变压器局部放电光纤传感方法，其特征在于，将所述电信号传送至数据处理模块进行数据处理包括：
利用滤波器对所述电信号进行滤波，滤除频率在20kHz以下的电信号；
数据采集卡采集滤波后的电信号；
处理器分析外界环境因素对光纤长度的影响，通过控制压电晶体，实时调制参考光纤长度。
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CN113589114A (zh) * 2021-07-29 2021-11-02 重庆大学 一种电力设备局部放电传感装置及其加工方法、检测系统

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