CN113447774A - 一种电缆局部放电检测传感器、系统及方法 - Google Patents

一种电缆局部放电检测传感器、系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力设备技术领域,具体为一种电缆局部放电检测传感器、系统及方法,包括上下依次抵靠装配在一起的玻璃膜片、玻璃底座、温度敏感玻璃和玻璃套管,玻璃膜片的下表面上连接有反射膜,温度敏感玻璃的上表面上连接有滤光膜,玻璃底座包括玻璃基体以及玻璃凸台,玻璃凸台上形成有上下贯通的法‑珀腔,玻璃套管中形成有上下贯通的用于供光纤尾纤向上插接后抵靠住温度敏感玻璃下表面并能使光纤尾纤将光向上引导的通光区域能同时穿过温度敏感玻璃、滤光膜、玻璃基体、法‑珀腔、反射膜和玻璃膜片的光纤安装通道,滤光膜对至少一种光的反射率大于95%且又对至少另一种光的反射率小于10%,适用于电缆固体绝缘局放信号和温度同时检测。

Description

一种电缆局部放电检测传感器、系统及方法
技术领域
本发明涉及电力设备技术领域,具体为一种电缆局部放电检测传感器、系统及方法。
背景技术
局部放电是造成电力设备绝缘破坏的重要因素之一,检测局部放电是评估电力设备健康状态的有效方法之一,但是对于交联聚乙烯(XLPE)电缆尚无十分有效的局放检测手段。
目前在电力工业领域,运行电缆局放的检测主要有高频电流传感器、地线电流检测或者温度检测间接检测方法。高频电流传感方法理论上可有效探测局放的脉冲电流信号,但由于电磁干扰的存在,现场检测效果不佳;电线电流是通过检测交叉互联的地线异常电流来判断电缆故障的方法,该种方式对于故障的检出效果尚可,但是无法判断故障的类别和具体位置,并不是局放检测的理想方法;温度检测是期望通过温度的异常升高间接判断局放的发生,但是局放初期和局放量较小时并不会带来电缆外部的明显温升,且温度的显著升高需要长时间的热传递,响应速度也能满足局放瞬态信号的检测要求。电缆绝缘固体局放发生时会诱发的低频的振动信号和超声波信号,该信号如能被探测则可以避免电缆运行时的电磁干扰,亦可根据声传播的指向性对对局放位置进行判断。局放声测法已经被广泛应用在变压器的局部放电检测方面,特别是光纤的局放声波传感器被广泛的研究用于变压器局部放电的检测,但是目前的局放光纤传感器大都存在温度敏感性,在实际的检测应用中往往因温度改变导致局放检测的灵敏度和标定值都发生改变。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于电缆固体绝缘局放信号和温度同时检测的检测传感器、系统及方法。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的:一种电缆局部放电检测传感器,包括上下依次抵靠装配在一起的玻璃膜片、玻璃底座、温度敏感玻璃和玻璃套管,所述玻璃膜片的下表面上连接有反射膜,所述温度敏感玻璃的上表面上连接有滤光膜,所述玻璃底座包括玻璃基体以及所述玻璃基体上表面上一体连接有的玻璃凸台,所述玻璃凸台上形成有上下贯通的法-珀腔,所述玻璃套管中形成有上下贯通的用于供光纤尾纤向上插接后抵靠住温度敏感玻璃下表面并能使光纤尾纤将光向上引导的通光区域能同时穿过温度敏感玻璃、滤光膜、玻璃基体、法-珀腔、反射膜和玻璃膜片的光纤安装通道,所述滤光膜对至少一种光的反射率大于95%且又对至少另一种光的反射率小于10%。
作为对本发明的优选,所述反射膜对1550nm光具有50%反射率,所述滤光膜对675-700nm光反射率大于95%。
作为对本发明的优选,所述法-珀腔为呈圆柱形的腔体。
作为对本发明的优选,所述玻璃基体呈矩形块状结构。
作为对本发明的优选,所述玻璃膜片与所述玻璃基体焊接连接。
作为对本发明的优选,所述法-珀腔内介质为空气。
一种电缆局部放电检测系统,包括前述的一种电缆局部放电检测传感器,还包括激光器、第一滤波器组、第二滤波器组、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、光电转换器组、A/D转换器,其中,
所述激光器用于提供激光信号;
所述第一耦合器用于将激光信号分成两束光;
所述第一滤波器组包括两个第一滤波器并将第一耦合器分成的两束光滤波得到两束波长不同的第一种光和第二种光;
所述第二耦合器用于将第一种光和第二种光汇聚成一束检测光馈入到检测传感器;
所述检测传感器用于将检测光经过温度和局放声信号调制后形成调制光并反射进入第三耦合器;
所述第三耦合器用于将调制光引入第四耦合器;
所述第四耦合器用于将调制光分成两束调制光;
所述第二滤波器组包括两个第二滤波器并将第四耦合器分成的两束调制光滤波得到两束波长不同的第一种调制光和第二种调制光;
所述光电转换器组包括两个光电转换器并分别对第一种调制光和第二种调制光转换成第一种电信号和第二种电信号;
所述A/D转换器用于将第一种电信号和第二种电信号转换为数字信号。
作为对本发明的优选,所述光强度绘制模块用于对数字信号处理后得到光强度信号。
作为对本发明的优选,所述光强度绘制模块中还具有温度补偿模块,所述温度补偿模块用于对声信号检测光强度进行补偿。
一种电缆局部放电检测方法,包括步骤:
s1,同时发出第一种光和第二种光进入检测传感器,第一种光用于检测声信号,第二种光用于检测温度信号,第一种光和第二种光的波长不同;
s2,得到第一种光被声信号和温度信号调制后的第一种调制光的光强度以及第二种光被温度信号调制后的第二种调制光的光强度;
s3,将第二种调制光的光强度对于的温度信号补偿给第一种调制光的光强度,其中,检测传感器中同时具有温度信号检测部分和声信号检测部分。
本发明的有益效果:采用双波长激光源,利用折射率随温度改变的玻璃和光纤法-珀结构分别进行温度和局部放电声信号双参量同时测量,温度测量值可用于局放声传感部分的参数补偿;
结构紧凑,检测效果好。
附图说明
图1为实施例中传感器拆分后的立体结构示意图;
图2为图1下方视角的立体结构示意图;
图3为图1中拆分的结构组装后的立体结构示意图;
图4为实施例中传感检测系统的整体光路拓扑结构 ;
图5为实施例中传感器温度敏感玻璃内光传播特性的示意图;
图6为实施例中温度敏感玻璃波长657nm光波长随温度变化关系的示意图;
图7为实施例中波长1550nm光波长在传感器法-珀结构反射谱随温度漂移值的变化示意图。
具体实施方式
以下具体实施例仅仅是对本发明的解释,其并不是对本发明的限制,本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改,但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
实施例,如图1-7所示,一种电缆局部放电检测传感器,包括上下依次抵靠装配在一起的玻璃膜片1、玻璃底座2、温度敏感玻璃3和玻璃套管4,所述玻璃膜片1的下表面上连接有反射膜11,反射膜11可以直接镀在玻璃膜片1的下表面上,所述温度敏感玻璃3的上表面上连接有滤光膜31,滤光膜31可以直接镀在温度敏感玻璃3的上表面上,所述玻璃底座2包括玻璃基体21以及所述玻璃基体21上表面上一体连接有的玻璃凸台22,所述玻璃凸台22上形成有上下贯通的法-珀腔220,法珀腔也即F-P谐振腔,全名是法布里-珀罗谐振腔Fabry–Pérot cavity,也即平面平行腔plane-parallel cavity,是光学谐振腔的一种。反射膜11处在玻璃膜片1和玻璃凸台22之间,滤光膜31处在玻璃基体21和温度敏感玻璃3之间。进一步,所述玻璃套管4中形成有上下贯通的用于供光纤尾纤5向上插接后抵靠住温度敏感玻璃3下表面并能使光纤尾纤5将光向上引导的通光区域能同时穿过温度敏感玻璃3、滤光膜31、玻璃基体21、法-珀腔220、反射膜11和玻璃膜片1的光纤安装通道40,要保证在上下间通光的流畅性,尽量保证温度敏感玻璃3、滤光膜31、玻璃基体21、法-珀腔220、反射膜11、玻璃膜片1、玻璃套管4和光纤尾纤5这些结构在水平方向的中心区域部分在上下间对齐的,这样才能是光在上下方向传导。当然,这里的上下方向是指本实施例传感器直立朝上放置时所表示的方向,使用的时候传感器是根据实际情况会横放、斜放等。再进一步,所述滤光膜31对至少一种光的反射率大于95%且又对至少另一种光的反射率小于10%,通过对两种不同波长的光来进行检测的,对其中一种光基本上完全反射回去,而对另一种光让其基本上都能进入法珀腔,则第一种容易过滤反射回去的光可以用来检测温度信号,而基本上都能进入法珀腔的第二种光用来检测声压信号。
作为优选,温度敏感玻璃3、滤光膜31、玻璃基体21、法-珀腔220、反射膜11、玻璃膜片1、玻璃套管4和光纤尾纤5上下组装后外部包裹外壳或者外套组件等相应的外部结构进行包覆即可,只要上下方向不要影响光线引导即可,所以上下端的位置尽量是通口的。
而对于上述方案进行实施时,具体采用的结构外形、参数等如下:
所述反射膜11对1550nm光具有50%反射率,所述滤光膜31对675-700nm光反射率大于95%,也就是,采用的第一种光是波长1550nm或者偏差不超过100nm的光,而第二种光是波长675-700nm的光,而滤光膜31对第二种短波长的光会直接过滤掉并用于温度信号检测,而对第一种长波长的光会放行让其通过,这第一种长波长的光会被反射膜反射回去并通过多光干涉原理进行声压检测。
作为优选,所述法-珀腔220为呈圆柱形的腔体,使得结构更加稳定可靠,更加利于检测和检测精度的提升,所述法-珀腔220优选处在玻璃凸台22的中心区域。所述玻璃基体21呈矩形块状结构,优选上下底面呈正方形。
所述玻璃膜片1与所述玻璃基体21焊接连接,可以通过二氧化碳激光器将玻璃膜片与玻璃底座的玻璃凸台22间进行二氧化碳激光焊接。以使得法珀腔的结构更加稳定可靠,利于信号检测。而所述法-珀腔220内介质可以采用空气。
另外,玻璃膜片1、玻璃凸台22、玻璃基体21、滤光膜31、反射膜11以及温度敏感玻璃3都是可以采用上下方向投影的外部轮廓为矩形的,进一步为正方形并上下对齐为宜。
玻璃套管4采用上下延伸的圆柱体结构,光纤安装通道40上下延伸并位于玻璃套管4水平方向的中心区域并上下贯通。
基于上述的一种电缆局部放电检测传感器,下面设计一个新的电缆局部放电检测系统:
具体包括前述的一种电缆局部放电检测传感器,还包括激光器、第一滤波器组、第二滤波器组、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、光电转换器组、A/D转换器,其中,
所述激光器用于提供激光信号;
所述第一耦合器用于将激光信号分成两束光;
所述第一滤波器组包括两个第一滤波器并将第一耦合器分成的两束光滤波得到两束波长不同的第一种光和第二种光,也即分成前述两种不同波长的系列的光,即波长1550nm的长波长光和波长675-700nm的短波长光;
所述第二耦合器用于将第一种光和第二种光汇聚成一束检测光馈入到检测传感器;
所述检测传感器用于将检测光经过温度和局放声信号调制后形成调制光并反射进入第三耦合器,调制光也即检测光检测声压信号和温度信号以后所形成的光;
所述第三耦合器用于将调制光引入第四耦合器;
所述第四耦合器用于将调制光分成两束调制光;
所述第二滤波器组包括两个第二滤波器并将第四耦合器分成的两束调制光滤波得到两束波长不同的第一种调制光和第二种调制光,前述的两种类型的检测光是分别对应一种调制光的,例如,检测的第一种光对应第一种调制光,检测的第二种光对应第二种调制光;
所述光电转换器组包括两个光电转换器并分别对第一种调制光和第二种调制光转换成第一种电信号和第二种电信号;
所述A/D转换器用于将第一种电信号和第二种电信号转换为数字信号。
还包括光强度绘制模块,所述光强度绘制模块用于对数字信号处理后得到光强度信号,光强度绘制模块通过现有的计算方法将获得的光数字信号计算转换为光强度信号即可。
所述光强度绘制模块中还具有温度补偿模块,所述温度补偿模块用于对声信号检测光强度进行补偿,可以通过对应的温度变化对照表,得到温度的变化,在通过温度的变化补偿给声压信号检测的光强。
通过上述检测的传感器和系统的设计,就会形成一种电缆局部放电检测方法,具体包括步骤:
s1,同时发出第一种光和第二种光进入检测传感器,第一种光用于检测声信号,第二种光用于检测温度信号,第一种光和第二种光的波长不同;
s2,得到第一种光被声信号和温度信号调制后的第一种调制光的光强度以及第二种光被温度信号调制后的第二种调制光的光强度;
s3,将第二种调制光的光强度对于的温度信号补偿给第一种调制光的光强度,其中,检测传感器中同时具有温度信号检测部分和声信号检测部分。
下面提供一种具体的实施案例:
1. 传感器探头结构及尺寸
传感器探头主要由单模光纤尾纤5、玻璃套管4、温度敏感玻璃3以及玻璃底座2、玻璃膜片1构成,温度敏感玻璃3是折射率随温度变化的敏感玻璃。光纤尾纤5主要用于引导用于传感器工作的激光器光信号,需要经过打磨处理保持端面平滑。光纤尾纤5端面通过玻璃套管4准直和固定后直接与温度敏感玻璃3接触,温度敏感玻璃3另一侧镀以滤光膜31后与玻璃底座2接触相连。玻璃底座2上方采用二氧化碳激光器直接将玻璃膜片1与玻璃底座2进行焊接,形成法-珀腔220结构。玻璃膜片1内表面,也即下表面镀有对1550nm光具有50%反射率的反射膜11。玻璃底座2、温度敏感玻璃3和玻璃套管4三者上下间可以仅仅接触贴靠通过外壳包裹组装,或者可以进一步通过前述焊接方式进行进一步连接,但要确保焊接的平整,焊接的部位只要在周边即可。
玻璃底座2的上部四周可以为上下0.1mm厚度的玻璃凸台22,用于固定玻璃膜片1,玻璃底座2的下部可以为上下0.4mm厚度的玻璃基体21。法-珀腔220的直径可以为1.5mm。玻璃凸台22以及玻璃基体21上下方向,也即竖直方向上的投影是优选正方形的,它们的边长优选为2mm。那么包括玻璃膜片1、温度敏感玻璃3在上下方向也优选为正方形并且边长也为2mm。温度敏感玻璃3的上下厚度优选大于玻璃凸台22并可以优选为0.1-0.4mm,进一步为0.3mm,而玻璃膜片1的上下厚度优选小于玻璃凸台22并可以优选为0.05-0.1mm。滤光膜31和反射膜11的厚度优选小于0.05mm并可以优选在0.025mm左右或者更小,尽量保证滤光和反射的有效性即可。玻璃套管上下尺寸优选为1.5mm,直径优选为1mm,光纤安装通道40直径优选为125微米,也即0.125mm,用于光纤插入。
温度敏感玻璃3可以采用日本豪雅公司R68型号的产品,在温度敏感玻璃表面和玻璃底座之间镀有的滤光膜对675-700nm光反射率大于95%,非该波段光波可透射过滤光膜。
2. 传感器温度测量
温度敏感玻璃主要是在675nm的光波具有较大的温度响应,所选用的R68玻璃不同波长传播透过率变化如图5所示。可见675nm光可以透过R68玻璃,且同时用于声波测量的1550nm光波可以完全通过温度敏感玻璃。图6所示为675nm光波长漂移与温度对应关系,结合图5和图6关系即可建立光强度值和温度的对应关系。当675nm的光波经引导光纤入射进入R68玻璃,到达滤光膜时675-700nm的光波被全反射沿着原路径传播会引导光纤,通过在测量系统中测量光信号的强度即可对应温度值大小。
3. 传感器声压信号测量
1550nm光通过引导光纤馈入传感器探头,因温度敏感玻璃和滤光膜对1550nm光无影响,该光束通过玻璃底座后到达玻璃膜片内表面,因玻璃膜片内表面镀有50%的反射膜光波被反射,在法-珀腔内入射光和反射光发生多光干涉,根据多光干涉原理:
Figure DEST_PATH_IMAGE002
式中:I0为入射光强,λ为入射光波长,R1和R2分别为法-珀腔前后端面的反射率,R1为玻璃自然反射率值为4%,R2为玻璃内表面反射膜反射率50%;no为腔内介质的折射率,本实施例即为空气的折射率。反射光强是法-珀腔的腔长的函数,局放声信号可引起玻璃膜片振动,通过腔长调制法-珀反射干涉光谱的相位,进而使光强发生变化反映声信号的强度,通过上述公式就能计算反射光强I来检测声压信号了。
4. 传感系统的设计
传感器探头分别利用675nm和1550nm两个不同波长光对温度和声信号的响应,达到对温度和声信号的同时测量的目的,因此为实现传感系统的光源需要同时提供两个波长的激光输入,传感系统的激光器采用宽带光源激光器,宽带激光器泵浦的激光信号经过1分2第一耦合器分成两束,两束光均仍为宽带光。这两束光分别通过两个第一滤波器后获得675nm和1550nm的单模光后,再通过第二耦合器汇聚成一束光信号馈入到传感器探头。两个波长的单模光强分别在探头内被温度和局放声信号调制后再反射进入第三耦合器,通过第三耦合器的另一支路引出反射光后再通过第四耦合器分光,两束分光后的调制光再经两个第二滤波器分别提取675nm和1550nm的检测光对应的调制信号,也即检测信号。两个波长的调制光分别进入独立的A/D转换器后进入计算机,通过现有的数据处理软件绘制获得光强度信号。传感检测系统的整体光路拓扑结构如图4所示。
5. 温度测量对声测量的补偿
传感器探头声压测量是通过探头顶端的法-珀腔结构实现,但由于法-珀腔的反射光谱受温度影响,温度改变法-珀腔反射光谱平移导致传感器声测量的响应幅值改变。测试获得图7所示的传感器法-珀结构的温度特性,传感器探头温度每改变10℃,波长漂移0.15nm。通过传感器温度测量值,可获得环境温度值,再通过现有的常规软件算法将波长漂移进行反推补偿即可。
例如采用波长657nm光进行检测,得到其调制光的强度以后,可以计算出调制光的光波波长,如果局放升温了,相应检测的温度的光调制后波长边长,对照附图表格,例如变成658nm的光,就说明温度改变,并升温了10℃。而这升温的10℃是会使得检测声压的光波也发生变化,根据上述法-珀结构的温度特性,传感器探头温度每改变10℃,波长是变小漂移0.15nm,那么这升高的10℃就会引起检测声压的检测光调制后会受到影响,也即如果在局放的情况下,测得的光强不仅仅是玻璃膜片振动引起的信号而引起,还会伴随着温度的变化而一起信号进一步的变化,所以这种情况下,测得的声压信号光强度是受到干扰的,就需要对温度引起的变化进行补偿才能得到更加精确的检测数据,所以需要将第一次计算的反射光强对应的光波长加上温度变化漂移的波长得到的才是更为准确的声压检测后的调制光波长,当然也可以容易计算更为准确的反射光强。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种电缆局部放电检测传感器,其特征在于,包括上下依次抵靠装配在一起的玻璃膜片(1)、玻璃底座(2)、温度敏感玻璃(3)和玻璃套管(4),所述玻璃膜片(1)的下表面上连接有反射膜(11),所述温度敏感玻璃(3)的上表面上连接有滤光膜(31),所述玻璃底座(2)包括玻璃基体(21)以及所述玻璃基体(21)上表面上一体连接有的玻璃凸台(22),所述玻璃凸台(22)上形成有上下贯通的法-珀腔(220),所述玻璃套管(4)中形成有上下贯通的用于供光纤尾纤(5)向上插接后抵靠住温度敏感玻璃(3)下表面并能使光纤尾纤(5)将光向上引导的通光区域能同时穿过温度敏感玻璃(3)、滤光膜(31)、玻璃基体(21)、法-珀腔(220)、反射膜(11)和玻璃膜片(1)的光纤安装通道(40),所述滤光膜(31)对至少一种光的反射率大于95%且又对至少另一种光的反射率小于10%。
2.根据权利要求1所述的一种电缆局部放电检测传感器,其特征在于,所述反射膜(11)对1550nm光具有50%反射率,所述滤光膜(31)对675-700nm光反射率大于95%。
3.根据权利要求1所述的一种电缆局部放电检测传感器,其特征在于,所述法-珀腔(220)为呈圆柱形的腔体。
4.根据权利要求1所述的一种电缆局部放电检测传感器,其特征在于,所述玻璃基体(21)呈矩形块状结构。
5.根据权利要求1所述的一种电缆局部放电检测传感器,其特征在于,所述玻璃膜片(1)与所述玻璃基体(21)焊接连接。
6.根据权利要求1所述的一种电缆局部放电检测传感器,其特征在于,所述法-珀腔(220)内介质为空气。
7.一种电缆局部放电检测系统,其特征在于,包括权利要求1所述的一种电缆局部放电检测传感器,还包括激光器、第一滤波器组、第二滤波器组、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、光电转换器组、A/D转换器,其中,
所述激光器用于提供激光信号;
所述第一耦合器用于将激光信号分成两束光;
所述第一滤波器组包括两个第一滤波器并将第一耦合器分成的两束光滤波得到两束波长不同的第一种光和第二种光;
所述第二耦合器用于将第一种光和第二种光汇聚成一束检测光馈入到检测传感器;
所述检测传感器用于将检测光经过温度和局放声信号调制后形成调制光并反射进入第三耦合器;
所述第三耦合器用于将调制光引入第四耦合器;
所述第四耦合器用于将调制光分成两束调制光;
所述第二滤波器组包括两个第二滤波器并将第四耦合器分成的两束调制光滤波得到两束波长不同的第一种调制光和第二种调制光;
所述光电转换器组包括两个光电转换器并分别对第一种调制光和第二种调制光转换成第一种电信号和第二种电信号;
所述A/D转换器用于将第一种电信号和第二种电信号转换为数字信号。
8.根据权利要求7所述的一种电缆局部放电检测系统,还包括光强度绘制模块,所述光强度绘制模块用于对数字信号处理后得到光强度信号。
9.根据权利要求8所述的一种电缆局部放电检测系统,所述光强度绘制模块中还具有温度补偿模块,所述温度补偿模块用于对声信号检测光强度进行补偿。
10.一种电缆局部放电检测方法,其特征在于,包括步骤:
s1,同时发出第一种光和第二种光进入检测传感器,第一种光用于检测声信号,第二种光用于检测温度信号,第一种光和第二种光的波长不同;
s2,得到第一种光被声信号和温度信号调制后的第一种调制光的光强度以及第二种光被温度信号调制后的第二种调制光的光强度;
s3,将第二种调制光的光强度对于的温度信号补偿给第一种调制光的光强度,其中,检测传感器中同时具有温度信号检测部分和声信号检测部分。
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