CN112595945A - 一种fbg温度补偿的光纤局部放电检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种FBG温度补偿的光纤局部放电检测装置及方法，包括光纤F‑P超声波传感器、光纤传感器解调仪、计算机和棒‑板电极局部放电系统，光纤F‑P超声波传感器靠近棒‑板电极局部放电系统放置，光纤F‑P超声波传感器的光纤接头与光纤传感器解调仪上的光学通道相连，光纤传感器解调仪的通信接口端与计算机相连。本发明光纤复用技术实现了传感器实时检测超声波信号的同时同步检测当前的环境温度，传感器因温度变化而引发的漂移，系统给予实时补偿，大大简化了传感器的结构，扩大了传感器使用环境温度的范围，提高了传感器的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于局部放电检测技术领域，具体地说，涉及一种FBG温度补偿的光纤局部放电检测装置及方法。
背景技术
随着电力系统的发展和电压等级的提高，电力系统的稳定运行显得尤为重要。绝缘问题是导致电力设备产生事故和故障的主要原因之一，局部放电是绝缘故障的重要征兆和表现形式，通过局部放电检测提前判断电力设备的绝缘状况可实现故障预警。局部放电已经成为电力设备绝缘劣化的重要原因,因而局部放电的监测和评价也就成为电力设备状态监测的重要手段。目前局部放电检测已成为电网巡检运维工作的重要测试方法之一，被广泛应用在变压器、电缆、气体绝缘开关(GIS)等电力设备的监测上。因此，进行局部放电检测对电力设备的安全运行具有重要的意义。
局部放电常用的检测方法包含超声波法、光测法、化学测量法等。超声波法采用传统的压电陶瓷(PZT)检测具有成本低、操作简单的优点，但其灵敏度较低且易受电磁干扰；光测法采用红外热像仪和紫外光成像可快速对电力设备外围及线路进行局部放电监测，但是难以用于设备内部检测；化学测量法是指对局部放电的气体生成物进行检测，该方法虽然比较稳定，但实时性较差。
目前，利用光纤干涉法检测局部放电有光纤迈克尔逊(Michelson)干涉法、光纤马赫-泽德尔干涉(Mach-Zehnder)法、法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉法等，其中迈克尔逊法检测系统的灵敏度不高，且存在超声波传播的多路径问题；光纤马赫-泽德尔干涉存在结构复杂和稳定性较低的问题。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种FBG温度补偿的光纤局部放电检测装置及方法，能准确有效的测量局部放电产生的信号；具有测量精度高、结构简单、抗干扰能力强、响应速度快、体积小等优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种FBG温度补偿的光纤局部放电检测装置，包括光纤F-P超声波传感器、光纤传感器解调仪、计算机和棒-板电极局部放电系统，光纤F-P超声波传感器靠近棒-板电极局部放电系统放置，光纤F-P超声波传感器的光纤接头与光纤传感器解调仪上的光学通道相连，光纤传感器解调仪的通信接口端与计算机相连。
本发明技术方案的特点还在于：
进一步地，棒-板电极局部放电系统包括水平放置的铜板电极，铜板电极上放置有绝缘材料，绝缘材料上垂直放置有棒电极，棒电极通过导线连接有高压电源，铜板电极与高压电源均接地。
进一步地，光纤F-P超声波传感器包括圆形套筒，圆形套筒的内腔设置有塑胶板，塑胶板的中心位置插接有陶瓷插针，陶瓷插针内插接有光纤，光纤插入到陶瓷插针的部分刻有光纤光栅FBG，圆形套筒远离光纤的一端设置有石英膜片，石英膜片中心镀有85％反射率的光反射膜。
进一步地，圆形套筒内陶瓷插针的端面与石英膜片的端面构成以空气为介质的法珀腔。
进一步地，法珀腔的初始腔长为0.5mm～0.6mm。
进一步地，光纤采用8/125单模光纤，其接口类型为FC/APC。
本发明还公开了第二个技术方案，一种FBG温度补偿的光纤局部放电检测方法，基于上述FBG温度补偿的光纤局部放电检测装置，具体为：
步骤1，高压电源通电，当棒电极-铜板电极局部放电时产生超声波信号时，光纤F-P超声波传感器检测到超声波信号，光纤F-P超声波传感器输出光谱特性发生相位变化，标定并解析其变化量，得到超声波信号值；
步骤2，当光纤光栅检测到温度变化时，光纤F-P超声波传感器输出的光谱特性发生波长变化，标定并解析其变化量，得到检测的温度值；
步骤3，采用光谱空间隔离技术，对同一时间内检测的超声波信号值和温度值进行提取和统计，在计算机上形成局部放电脉冲统计谱图。
本发明技术方案的特点还在于，
进一步地，步骤1中，具体为：
当棒电极-铜板电极局部放电产生超声波信号时，该信号作用在石英膜片上使其发生振动而发生形变，陶瓷插针端面和石英膜片上表面两个反射面间距发生变化，导致光的强度和干涉相位发生变化，其关系式如下：
式中：
为任意两束光的相位差，R为两端面反射率，且
n为F-P腔内介质的折射率，L为腔长，λ为入射光的波长，θ为反射光与反射平面法线夹角，I0为入射光光强；
产生变化的光信号，经光纤进行传输通过光纤传感器解调仪进行光电信号的转换，利用计算机进行数据的处理实现了传感器对超声波信号的检测。
进一步地，步骤2中，具体为：
温度的变化会影响局部放电信号的测量，光纤光栅可以检测当前的环境温度，传感器因温度变化而引发的漂移，系统给予实时补偿；
当环境温度发生变化时，光纤光栅的波长位移量ΔλB会随环境温度的变化而变化，故由温度引起光纤光栅波长的偏移可以表示为：
ΔλB＝λB(ath+ξ)·ΔT＝K′T·ΔT
式中，ΔλB为光纤光栅的波长位移量，λB为光纤光栅的中心波长，ath＝0.55×10-6/℃是热膨胀系数，ξ＝8.0×10-6/℃是热光系数，ΔT是温度的变化，K′T是FBG传感器的总温度灵敏度。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
本发明公开的FBG温度补偿的光纤局部放电检测装置及方法，通过在光纤尾端刻有光纤光栅FBG，使用了F-P、FBG传感器复用技术，实现了在同一根光纤同时传输超声波信号、温度两个参量的不同光谱模式的光信号；本发明光纤复用技术实现了传感器实时检测超声波信号的同时同步检测当前的环境温度，传感器因温度变化而引发的漂移，系统给予实时补偿，大大简化了传感器的结构，扩大了传感器使用环境温度的范围，提高了传感器的稳定性。
本发明装置中使用了陶瓷插针，把光纤插入陶瓷插针可以更方便的实现光纤端面和石英膜片端面的对准，更好的保证了光信号的传输。
本发明装置具有体积小、制作简单、精度高、稳定性好、抗干扰能力强等优点，可广泛应用于工程测量和科研领域，为各领域的研究提供良好的实验基础。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明公开的FBG温度补偿的光纤局部放电检测装置的结构示意图；
图2是本发明中光纤F-P超声波传感器的结构示意图；
图3是本发明中光纤F-P超声波传感器中的石英膜片的结构示意图；
图4是本发明中光纤F-P超声波传感器中插有光纤的陶瓷插针的结构示意图；
图5是本发明FBG温度补偿的光纤局部放电检测方法得到的复用技术光谱图。
图中，1、光纤F-P超声波传感器，101、圆形套筒，102、塑胶板，103、陶瓷插针，104、光纤，105、光纤光栅FBG，106、石英膜片，107、光反射膜，2、光纤传感器解调仪，3、计算机，4、棒电极，5、绝缘材料，6、铜板电极，7、高压电源。
具体实施方式
以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明公开了一种FBG温度补偿的光纤局部放电检测装置，结构如图1所示，包括光纤F-P超声波传感器1、光纤传感器解调仪2、计算机3和棒-板电极局部放电系统，光纤F-P超声波传感器1靠近棒-板电极局部放电系统放置，光纤F-P超声波传感器1的光纤接头与光纤传感器解调仪2上的光学通道相连，光纤传感器解调仪2的通信接口端与计算机3相连。
本发明使用了F-P、FBG传感器复用技术，实现了在同一根光纤同时传输超声波信号、温度两个参量的不同光谱模式的光信号；本发明光纤复用技术实现了传感器实时检测超声波信号的同时同步检测当前的环境温度，传感器因温度变化而引发的漂移，系统给予实时补偿，大大简化了传感器的结构，扩大了传感器使用环境温度的范围，提高了传感器的稳定性。
如图1所示，棒-板电极局部放电系统包括水平放置的铜板电极6，铜板电极6上放置有绝缘材料5，绝缘材料5上垂直放置有棒电极4，棒电极4通过导线连接有高压电源7，铜板电极6与高压电源7均接地。
如图2所示，光纤F-P超声波传感器1包括圆形套筒101，圆形套筒101的内径为18mm，外径为20mm，长度为25mm，圆形套筒101的内腔设置有塑胶板102，塑胶板102的中心位置插接有陶瓷插针103，陶瓷插针103内插接有光纤104，光纤104插入到陶瓷插针103的部分刻有光纤光栅FBG105，圆形套筒101远离光纤104的一端设置有石英膜片106，石英膜片106的直径为20mm，如图3所示，石英膜片106中心镀有85％反射率的光反射膜107。
圆形套筒104内陶瓷插针103的端面与石英膜片106的端面构成以空气为介质的法珀腔，法珀腔的初始腔长为0.5mm～0.6mm。
本发明装置中使用了陶瓷插针103，把光纤104插入陶瓷插针103中可以更方便的实现光纤端面和石英膜片端面的对准，更好的保证了光信号的传输。
光纤104采用8/125单模光纤，其接口类型为FC/APC，如图4所示，光纤104在末端的纤芯上刻有光纤光栅FBG105，光纤104刻有光纤光栅FBG105的部分插到陶瓷插针103里并用胶进行粘接固定。
温度的变化会影响局部放电信号的测量，在光纤超声波传感器上增加光纤光栅FBG105，构成一个FBG光纤传感器，也就是温度补偿模块，可以检测当前的环境温度，传感器因温度变化而引发的漂移，系统给予实时补偿。
当环境温度发生变化时，光纤光栅的波长位移量ΔλB会随环境温度的变化而变化，故由温度引起光纤光栅波长的偏移可以表示为：
ΔλB＝λB(ath+ξ)·ΔT＝K′T·ΔT；
式中，ΔλB为光纤光栅的波长位移量，λB为光纤光栅的中心波长，ath＝0.55×10-6/℃是热膨胀系数，ξ＝8.0×10-6/℃是热光系数，ΔT是温度的变化，K′T是FBG传感器的总温度灵敏度。
其中光纤F-P超声波传感器的制作方法，包括以下步骤：
步骤1，选择8/125单模光纤其接口类型为FC/APC，将光纤104尾端部分剥掉涂覆层露出光纤的纤芯部分，然后把光纤端面切平或抛光，在光纤末端的纤芯上刻上光纤光栅FBG105；
步骤2，将处理好的光纤104插入陶瓷插针103里并用胶将两者进行固定粘接；
步骤3，把塑胶板102裁剪成和圆心套筒内径相同的圆，用电钻在剪裁好的圆形塑胶板102中心钻孔(孔径和陶瓷插针103规格相同)，将陶瓷插针103插入钻好孔的塑胶板102上并将两者固定粘接；
步骤4，把带有陶瓷探针103的塑胶板102固定在圆形套筒101内，再将石英膜片106固定在圆形套筒101远离光纤104的一端，在保证石英膜片106和陶瓷插针103端面平行的前提下，用解调系统可获取由陶瓷插针103反射光和石英膜片反射光产生的干涉的信号，微调陶瓷插针103和石英膜片106的距离即腔长，在腔长为0.5mm～0.6mm之间取干涉信号质量最佳的腔长，用胶进行粘接固定，即完成光纤F-P超声波传感器的制作。
本发明FBG温度补偿的光纤局部放电检测装置，通过在光纤104尾端刻有光纤光栅FBG105，使用了F-P、FBG传感器复用技术，实现了在同一根光纤同时传输超声波信号、温度两个参量的不同光谱模式的光信号；本发明光纤复用技术实现了传感器实时检测超声波信号的同时同步检测当前的环境温度，传感器因温度变化而引发的漂移，系统给予实时补偿，大大简化了传感器的结构，扩大了传感器使用环境温度的范围，提高了传感器的稳定性。
本发明装置具有体积小、制作简单、精度高、稳定性好、抗干扰能力强等优点，可广泛应用于工程测量和科研领域，为各领域的研究提供良好的实验基础。
本发明还公开了一种FBG温度补偿的光纤局部放电检测方法，基于上述FBG温度补偿的光纤局部放电检测装置，具体为：
步骤1，接通高压电源，当棒电极-铜板电极局部放电时产生超声波信号时，光纤F-P超声波传感器检测到超声波信号，光纤F-P超声波传感器输出光谱特性发生相位变化，标定并解析其变化量，得到超声波信号值；
具体为：
当棒电极-铜板电极局部放电产生超声波信号时，该信号作用在石英膜片上使其发生振动而发生形变，陶瓷插针端面和石英膜片上表面两个反射面间距发生变化，导致光的强度和干涉相位发生变化，其关系式如下：
式中：
为任意两束光的相位差，R为两端面反射率，且
n为F-P腔内介质的折射率，L为腔长，λ为入射光的波长，θ为反射光与反射平面法线夹角，I0为入射光光强；
产生变化的光信号，经光纤进行传输通过光纤传感器解调仪进行光电信号的转换，利用计算机进行数据的处理实现了传感器对超声波信号的检测。
步骤2，当光纤光栅检测到温度变化时，光纤F-P超声波传感器输出的光谱特性发生波长变化，标定并解析其变化量，得到检测的温度值；
具体为：
温度的变化会影响局部放电信号的测量，光纤光栅可以检测当前的环境温度，传感器因温度变化而引发的漂移，系统给予实时补偿；
当环境温度发生变化时，光纤光栅的波长位移量ΔλB会随环境温度的变化而变化，故由温度引起光纤光栅波长的偏移可以表示为：
ΔλB＝λB(ath+ξ)·ΔT＝K′T·ΔT
式中，ΔλB为光纤光栅的波长位移量，λB为光纤光栅的中心波长，ath＝0.55×10-6/℃是热膨胀系数，ξ＝8.0×10-6/℃是热光系数，ΔT是温度的变化，K′T是FBG传感器的总温度灵敏度。
步骤3，采用光谱空间隔离技术，对同一时间内检测的超声波信号值和温度值进行提取和统计，在计算机上形成局部放电脉冲统计谱图，如图5所示。
本发明通过在光纤尾端刻有光纤光栅FBG，使用了F-P、FBG传感器复用技术，实现了在同一根光纤同时传输超声波信号、温度两个参量的不同光谱模式的光信号；本发明光纤复用技术实现了传感器实时检测超声波信号的同时同步检测当前的环境温度，传感器因温度变化而引发的漂移，系统给予实时补偿，大大简化了传感器的结构，扩大了传感器使用环境温度的范围，提高了传感器的稳定性。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种FBG温度补偿的光纤局部放电检测装置，其特征在于，包括光纤F-P超声波传感器(1)、光纤传感器解调仪(2)、计算机(3)和棒-板电极局部放电系统，所述光纤F-P超声波传感器(1)靠近所述棒-板电极局部放电系统放置，所述光纤F-P超声波传感器(1)的光纤接头与所述光纤传感器解调仪(2)上的光学通道相连，所述光纤传感器解调仪(2)的通信接口端与所述计算机(3)相连。
2.根据权利要求1所述的FBG温度补偿的光纤局部放电检测装置，其特征在于，所述棒-板电极局部放电系统包括水平放置的铜板电极(6)，所述铜板电极(6)上放置有绝缘材料(5)，所述绝缘材料(5)上垂直放置有棒电极(4)，所述棒电极(4)通过导线连接有高压电源(7)，所述铜板电极(6)与所述高压电源(7)均接地。
3.根据权利要求1或2所述的FBG温度补偿的光纤局部放电检测装置，其特征在于，所述光纤F-P超声波传感器(1)包括圆形套筒(101)，所述圆形套筒(101)的内腔设置有塑胶板(102)，所述塑胶板(102)的中心位置插接有陶瓷插针(103)，所述陶瓷插针(103)内插接有光纤(104)，所述光纤(104)插入到陶瓷插针(103)的部分刻有光纤光栅FBG(105)，所述圆形套筒(101)远离所述光纤(104)的一端设置有石英膜片(106)，所述石英膜片(106)中心镀有85％反射率的光反射膜(107)。
4.根据权利要求3所述的FBG温度补偿的光纤局部放电检测装置，其特征在于，所述圆形套筒(101)内所述陶瓷插针(103)的端面与所述石英膜片(106)的端面构成以空气为介质的法珀腔。
5.根据权利要求4所述的FBG温度补偿的光纤局部放电检测装置，其特征在于，所述法珀腔的初始腔长为0.5mm～0.6mm。
6.根据权利要求3所述的FBG温度补偿的光纤局部放电检测装置，其特征在于，所述光纤(104)采用8/125单模光纤，其接口类型为FC/APC。
7.一种FBG温度补偿的光纤局部放电检测方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的FBG温度补偿的光纤局部放电检测装置，具体为：
步骤1，高压电源通电，当棒电极-铜板电极局部放电时产生超声波信号时，光纤F-P超声波传感器检测到超声波信号，光纤F-P超声波传感器输出光谱特性发生相位变化，标定并解析其变化量，得到超声波信号值；
步骤2，当光纤光栅检测到温度变化时，光纤F-P超声波传感器输出的光谱特性发生波长变化，标定并解析其变化量，得到检测的温度值；
步骤3，采用光谱空间隔离技术，对同一时间内检测的超声波信号值和温度值进行提取和统计，在计算机上形成局部放电脉冲统计谱图。
8.根据权利要求7所述的FBG温度补偿的光纤局部放电检测方法，其特征在于，步骤1中，具体为：
当棒电极-铜板电极局部放电产生超声波信号时，该信号作用在石英膜片上使其发生振动而发生形变，陶瓷插针端面和石英膜片上表面两个反射面间距发生变化，导致光的强度和干涉相位发生变化，其关系式如下：
式中：
为任意两束光的相位差，R为两端面反射率，且
n为F-P腔内介质的折射率，L为腔长，λ为入射光的波长，θ为反射光与反射平面法线夹角，I0为入射光光强；
产生变化的光信号，经光纤进行传输通过光纤传感器解调仪进行光电信号的转换，利用计算机进行数据的处理实现了传感器对超声波信号的检测。
9.根据权要求7所述的FBG温度补偿的光纤局部放电检测方法，其特征在于，步骤2中，具体为：
温度的变化会影响局部放电信号的测量，光纤光栅可以检测当前的环境温度，传感器因温度变化而引发的漂移，系统给予实时补偿；
当环境温度发生变化时，光纤光栅的波长位移量ΔλB会随环境温度的变化而变化，故由温度引起光纤光栅波长的偏移可以表示为：
ΔλB＝λB(ath+ξ)·ΔT＝K′T·ΔT
式中，ΔλB为光纤光栅的波长位移量，λB为光纤光栅的中心波长，ath＝0.55×10-16/℃是热膨胀系数，ξ＝8.0×10-6/℃是热光系数，ΔT是温度的变化，K′T是FBG传感器的总温度灵敏度。
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