CN111505468B - 光纤分布式局部放电检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种光纤分布式局部放电检测系统，包括基于Michelson干涉的光纤传感系统、快速光开关、光开关控制器、芯轴型光纤传感单元、绝缘子环绕型光纤传感单元，快速光开关的一个输入端口对应多个输出端口，基于Michelson干涉的光纤传感系统通过快速光开关对多个光纤传感单元进行时分复用，实现分布式传感测量；光开关控制器控制光开关各个输出端口自动循环切换。本发明的系统，通过光路切换系统实现了时分复用，使传感系统的分布式传感能力，实现同时对多个GIS绝缘子局放故障定位，并提出了光纤传感单元的设置原则，解决对于GIS局部放电的分布式定位的方向性问题。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感领域，特别涉及一种光纤分布式局部放电检测系统。
背景技术
气体绝缘开关设备(Gas Insualation Switchgear，GIS)以其结构紧凑、不易时候外界环境影响、可扩展性强、运行可靠性高、检修维护方便等优点成为高压电力系统中的主流设备。但是，在实际生产、运输、运行过程中不可避免地出现绝缘缺陷影响其长期可靠性。据统计，由绝缘水平降低而引起的GIS故障所占比重很大。局部放电是绝缘故障的重要表征形式，因此，对GIS局部放电进行有效检测具有重要意义。
针对局部放电产生的不同物理量，局部放电的检测方法主要有：脉冲电流法、特高频法、光测法、声测法，其中声测法以其传感器体积小，抗电磁干扰强，容易实现分布式传感的优点更加适合GIS局放检测。近年来，光纤传感技术发展迅速，光纤传感的成本低，绝缘性能好，灵敏度高，在电学传感方面具有优良的可靠性。光纤-超声传感相结合的方法，尤其是基于光干涉的传感方法在局部放电超声信号检测方面具有巨大应用潜力。
20世纪90年代以来，国内外学者对光纤传感技术在局部放电的检测方面进行了广泛而深入的探索，在Michelson干涉、Mach-Zehnder干涉、Fabry-Perot干涉、Sagnac干涉等基础干涉理论之上，研究人员通过传感单元优化，如石英膜和硅膜结构的非本征光纤F-P干涉传感器，在高弹柱形橡胶上绕制光纤等，均增大了该传感器灵敏度。目前，光纤超声传感系统在变压器油箱、实验室小模型、电缆接头等局部放电检测领域都取得了良好的检测效果，却在GIS局部放电检测领域检测效果较差且无法实现有效的定位。真实GIS的尺寸较大，内部局放超声信号传播规律复杂，具有明显的方向性；超声信号在不同介质中传播也会产生很大的衰减，使得传播到传感器的超声信号十分微弱，单一光纤超声传感器难以通过微弱超声信号对GIS局部放电故障进行准确的检测定位。所以，研究光纤分布式局部放电检测对于GIS设备的安全运行具有重要的意义。
发明内容
为了解决GIS局部放电超声信号传播复杂，单一传感器难以实现有效预警，无法实现一套系统对多个位置超声信号检测的分布式定位传感的技术问题和GIS局部放电分布式检测的方向性问题，本发明提出一种光纤分布式局部放电检测系统。该系统包括基于Michelson干涉的光纤传感系统、快速光开关、光开关控制器、芯轴型光纤传感单元、绝缘子环绕型光纤传感单元，其特征在于：所述快速光开关的一个输入端口对应多个输出端口，基于Michelson干涉的光纤传感系统通过快速光开关对多个光纤传感单元进行时分复用，实现分布式传感测量；光开关控制器控制光开关各个输出端口自动循环切换。
对于竖放GIS，将光纤直接紧密绕制于绝缘子表面制成绝缘子环绕型光纤传感单元，实现对超声信号的全方位高灵敏度检测。绝缘子环绕型光纤传感单元为普通单模光纤紧密盘绕在绝缘子圆周外表面制成，采用超声耦合胶水固定于绝缘子表面。
对于横放GIS，使用芯轴型光纤传感单元紧贴于GIS壳体底部检测超声信号。芯轴型光纤传感单元为普通单模光纤紧密缠绕在钢制芯轴上制成，表面涂有高超声耦合系数的胶水，芯轴半径为25mm，高度为60mm，采用固定装置紧贴固定于GIS腔体底部感测超声信号。固定装置为固定脚通过磁力的方式吸附到GIS外壳上，中间为螺纹紧固结构，通过旋转螺纹压紧传感器。
本发明具有以下优点：
本发明的一种光纤分布式局部放电检测系统，通过光路切换系统实现了时分复用，使传感系统的分布式传感能力，实现同时对多个GIS绝缘子局放故障定位，并提出了光纤传感单元的设置原则，解决对于GIS局部放电的分布式定位的方向性问题。
附图说明
图1是本发明提出的一种光纤分布式局部放电检测系统示意图；
图2是利用本发明的系统在4路传感单元下超声传感信号响应情况图；
图3是将本发明系统应用于真型GIS局放试验时，在加压40kV情况下，系统1s内的时域波形。
其中：1为绝缘子环绕型光纤传感单元；2为芯轴型光纤传感单元；3为快速光开关；4为光开关控制器；5为光纤干涉传感系统；6为芯轴型传感单元固定装置。
具体实施方式
下面结合附图，对实施例作详细说明。
本发明的一种光纤分布式局部放电检测系统，包括绝缘子环绕型光纤传感单元，芯轴型光纤传感单元，快速光开关，光开关控制器，以及基于Michelson干涉的光纤传感系统。快速光开关具有一个输入端口对应多个输出端口，光纤干涉传感系统可通过快速光开关在数十至数百微秒时间内对多个光纤传感单元进行切换，最多切换端口数目可达数百个。通过时分复用控制各个连接在光开关上的传感器，实现分布式测量。光开关控制器内置一块Arduino通用开发板，通过预先写入程序，可控制逻辑电平组合循环输出，从而控制光开关各个端口自动循环切换。
如图1所示，为本发明提出的一种光纤分布式局部放电检测系统一个实施例的示意图。其中，光纤干涉传感系统5输出光信号，该光信号通过快速光开关3分为4路(具体数量可根据需要扩展)，4路连接到GIS上的4个光纤传感单元。光开关控制器4可控制光开关3自动循环切换各个光纤传感单元进行时分复用，实现分布式传感。
在附图1中，在126kV GIS平台上的竖放1#和2#GIS腔体的绝缘子外表面用单模光纤紧密环绕并用超声耦合胶水固封，制成绝缘子环绕型光纤传感单元1。在横放3#和4#GIS壳体底部布置预制的芯轴型光纤传感单元2，并采用定制的芯轴型传感单元固定装置6紧密固定于横放GIS腔体底部。固定装置6为固定脚通过磁力的方式吸附到GIS外壳上，中间为螺纹紧固结构，通过旋转螺纹压紧传感器。
本发明中，综合采用芯轴型和绝缘子环绕型两种光纤传感单元针对不同放置形式的GIS局部放电。GIS局部放电大多由于金属微粒缺陷产生，不同摆放方式对于光纤传感器的要求和放置原则不同。对于竖放GIS，腔体内金属微粒由于重力散落于绝缘子表面，绝缘子表面的各个方位均可能有局部放电产生，所以将光纤直接紧密绕制于绝缘子表面制成绝缘子环绕型传感单元，实现对超声信号的全方位高灵敏度检测；对于横放GIS，金属微粒由于重力落于GIS壳体底部，超声信号在GIS壳体底部最大，所以使用芯轴型光纤传感单元紧贴于GIS壳体底部检测超声信号。
绝缘子环绕型光纤传感单元为普通单模光纤紧密盘绕在绝缘子圆周外表面制成，采用超声耦合胶水固定于绝缘子表面，增强对超声信号的耦合作用。
芯轴型光纤传感单元为普通单模光纤紧密缠绕在钢制芯轴上制成，并且表面涂有高超声耦合系数的胶水，芯轴半径为25mm，高度为60mm，采用专用固定装置紧贴固定于GIS腔体底部感测超声信号。
下面以具体的应用为例，来说明本发明系统的功能。以附图1中的光开关操纵4路传感臂为例，在第3号传感单元上作用50kHz的模拟超声信号，并使快速光开关处于自动模式，通道切换周期为100ms，结果如图2所示。仅有3号传感单元接受超声信号作用时，在属于3号通道的周期内传感系统可以检测出超声信号，持续100ms，在其他通道的周期内，无响应信号。表明本发明所提出的光纤分布式局部放电检测系统可实现时分复用。
将本发明的系统应用于真型GIS绝缘子局放检测试验，试验设置4节腔体，第3节腔体绝缘子上布置表面悬浮放电缺陷，4路传感单元分别置于腔体外壁，切换周期为100ms。图3为加压40kV时，Michelson干涉局放超声分布式传感系统1s内的时域波形。可以看到，在0～0.2s、0.3～0.6s和0.7～1s时间内系统无超声信号，在0.2～0.3s和0.6～0.7s时间内检测到超声信号，可证明3号腔体存在局部放电，与试验设置放电缺陷吻合。试验结果表明，本发明所提出的光纤分布式局部放电检测系统可实现GIS局放检测及定位的功能。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种光纤分布式局部放电检测系统，包括基于Michelson干涉的光纤传感系统、快速光开关、光开关控制器、两个芯轴型光纤传感单元、两个绝缘子环绕型光纤传感单元，其特征在于：所述快速光开关的一个输入端口对应多个输出端口，所述基于Michelson干涉的光纤传感系统通过所述快速光开关对多个光纤传感单元进行时分复用，实现分布式传感测量；所述光开关控制器控制所述光开关各个输出端口自动循环切换；对于竖放GIS，使用所述绝缘子环绕型光纤传感单元，实现对超声信号的全方位高灵敏度检测，所述绝缘子环绕型光纤传感单元为普通单模光纤紧密盘绕在GIS的绝缘子圆周外表面，采用超声耦合胶水固定于所述绝缘子表面；对于横放GIS，使用所述芯轴型光纤传感单元紧贴于GIS壳体底部检测超声信号。
2.根据权利要求1所述的一种光纤分布式局部放电检测系统，其特征在于：所述芯轴型光纤传感单元为普通单模光纤紧密缠绕在钢制芯轴上制成，表面涂有高超声耦合系数的胶水，芯轴半径为25mm，高度为60mm，采用固定装置紧贴固定于GIS腔体底部感测超声信号。
3.根据权利要求2所述的一种光纤分布式局部放电检测系统，其特征在于：所述固定装置为固定脚通过磁力的方式吸附到GIS外壳上，中间为螺纹紧固结构，通过旋转螺纹压紧传感器。
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