CN113589114A - 一种电力设备局部放电传感装置及其加工方法、检测系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种电力设备局部放电传感装置及其加工方法、检测系统，所述装置包括传感器封装外壳、光纤光栅、弹性膜片和微质量块；微质量块，固定在光纤光栅栅区两端处；光纤光栅位于封装外壳中央；弹性膜片位于光纤光栅两端，与两个微质量块贴合，微质量块避免膜片中心形成过大的形变；膜片边缘固定于封装外壳上，实现膜片振动的放大；同侧的弹性膜片、光纤光栅固定于封装外壳上；封装外壳内部注满绝缘油。本发明通过将光纤光栅固定于膜片的中心来放大膜片接收到的超声振动信号，并结合膜片结构参数设计和添加微质量块来增大了传感器的灵敏度，通过双膜片对称结构消除传感器自身振动对测量结果的影响，扩大了传感器的可探测范围。
Description
技术领域
本发明属于电气设备在线监测技术领域，涉及一种电力设备局部放电传感装置及其加工方法、检测系统。
背景技术
电气设备的安全稳定运行对于电网安全具有重要意义。当电力设备内部存在绝缘缺陷，且绝缘介质中局部区域击穿时，会出现局部放电现象。局部放电会产生超声波信号，但这些信号比较微弱，频带在20kHz～300kHz之间。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，对电气设备的绝缘状态做出估计。与传统的压电式传感器相比，基于光纤传感原理的局部放电传感器具有响应频带宽、体积小、抗电磁干扰等优点。
基于光纤光栅(FBG)的光纤超声传感系统，具有结构简单、传感器尺寸小且复用性能好等优点，通过合理设计传感单元可以做到较高的灵敏度。然而光纤光栅超声传感器会受到周围环境参数的影响(如温度、形变、低频振动)，且对于垂直与光纤光栅轴向的测量并不灵敏，存在较大测量盲区。基于双膜增敏式光纤光栅的光纤超声传感系统，超声激励源和边缘滤波解调系统组成。其中，超声波激励由函数发生器、信号放大器和压电晶体构成，在实际应用中超声激励即为局部放电信号。边缘滤波解调系统包括可调谐激光源(TL)、光环形器、带有信号放大功能的光电探测器、示波器、FBG超声波传感器组成，用于接收并获取超声波信号。超声波通过引起光纤光栅栅区的长度和折射率变化，导致光纤光栅的中心波长发生变化，通过检测光纤光栅中心波长的变化，便可实现局部放电的检测。
光纤光栅局部放电检测灵敏度提升依靠各种不同的增敏结构，如芯轴型增敏结构、锥形增敏结构等；此外，还有通过制作π-FBG等特殊光纤光栅来增加其检测的灵敏度，但此种增敏形式需要合理的封装结构以及信噪比提升算法的配合。
然而这些增敏结构大多存在方向性单一的问题，而采用双膜片的结构可以增强传感器的方向性。通过将光纤光栅固定于膜片的中心来放大膜片接收到的超声振动信号，并结合膜片结构参数设计和添加微质量块来增大传感器的灵敏度，通过双膜片对称结构消除传感器自身振动对测量结果的影响，扩大传感器的可探测范围。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本申请提供一种电力设备局部放电传感装置及其加工方法、检测系统，采用超薄硅膜片极大的提高传感器局部放电检测的灵敏度，通过在传感器内部内置微质量块，提高膜片振动幅值，使检测灵敏度进一步提升。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种电力设备局部放电传感装置，包括传感器封装外壳、光纤光栅、弹性膜片和微质量块；
所述微质量块，固定在光纤光栅栅区两端处；
所述光纤光栅位于封装外壳中央；
所述弹性膜片位于光纤光栅两端，与两个微质量块贴合，膜片边缘固定于封装外壳上，实现膜片振动的放大；
同侧的弹性膜片、光纤光栅固定于封装外壳上；
所述封装外壳内部注满绝缘油。
本发明进一步包括以下优选方案：
优选地，所述微质量块，套在光纤光栅栅区两端处并用紫外固化胶固定；
同侧的弹性膜片、光纤光栅和封装外壳用紫外固化胶固定。
优选地，所述弹性膜片，膜片中心设有供光纤通过的圆形通孔，将光纤光栅固定于膜片的中心来放大膜片接收到的超声振动信号。
优选地，所述弹性膜片为硅膜片；
所述微质量块为可供光纤通过的微小套管；
所述光纤光栅由单模光纤上加工得到；
所述封装外壳为空心树脂圆柱。
本发明还公开了所述的电力设备局部放电传感装置的加工方法，包括以下步骤：
步骤1：加工弹性膜片和微质量块：
利用激光切割机，将弹性膜片进行切割，膜片中心加工供光纤通过的圆形通孔；使用3D打印技术，制作可供光纤通过的微小套管作为微质量块；
步骤2：加工光纤光栅：
利飞秒刻写技术，在单模光纤上加工光纤光栅；
步骤3：加工封装外壳：
利用3D打印技术，制作空心树脂圆柱，作为传感器的封装外壳；
步骤4：放电传感装置的组装：
将微质量块表面打磨光滑，套在光纤光栅栅区两端处，并用紫外固化胶进行固定；
将光纤光栅穿过封装外壳，并将弹性膜片套在刻有光纤光栅的单模光纤两端，与两个微质量块贴合，并用紫外固化胶固定单侧的硅膜片、光纤光栅和封装外壳；
使用位移台向光纤光栅施加预应力，并向封装外壳内部添加绝缘油，待填油满后进行另一侧膜片、光纤光栅和封装外壳的固定，传感装置组装完成。
优选地，步骤1中，利用激光切割机，切割一半径为7mm，厚度为120μm的单晶硅片，硅片中心加工直径为0.4mm的圆形通孔；
单晶硅片，泊松比μ＝0.28，杨氏模量E＝190GPa，密度ρ＝2.33g/cm3；
使用3D打印技术，打印一半径为0.25mm，长3mm的树脂套管作为微质量块；
步骤2中，利飞秒刻写技术，加工一栅区长度为10mm，中心波长1550nm，反射率>90％，3dB带宽<0.3nm的光纤光栅；
步骤3中，利用3D打印技术，加工一内径为7mm，外径为10mm，高25mm的空心树脂圆柱，作为传感器的封装外壳；
步骤4中，将微质量块表面打磨光滑，套在距离光纤光栅栅区5mm两端处，并用紫外固化胶进行固定。
本发明还公开了一种电力设备局部放电检测系统，所述检测系统包括局部放电装置、所述的电力设备局部放电传感装置、可调谐激光器、光环形器、光分路器、信号处理与反馈控制器和光电探测器；
所述局部放电装置用于模拟局部放电信号，局部放电传感装置用于接收局部放电超声信号；
所述可调谐激光器产生连续激光，连续激光进入光环形器后，透射光进入所述的电力设备局部放电传感装置中的光纤光栅并产生反射光，反射光通过光环形器进入光分路器，光分路器将反射光分为两路，一路反射光进入信号处理与反馈控制器，另一路反射光进入光电探测器，光电探测器将光信号转化成电信号并将产生的电信号输入到信号处理与反馈控制器，信号处理与反馈控制器进行光谱信息的分析和可调谐激光器的输出控制。
优选地，所述局部放电装置，包括变压器、放电模型、油箱；
变压器用于向放电模型的高压端施加电压，放电模型的针板电极位于油中，放电在针板电极间产生，油位于油箱中；
当变压器施加的电压高于放电模型的放电起始电压时，油箱中的高压电极将发生局部放电，产生超声波信号；局部放电装置产生的超声波信号在油中传播至局部放电传感装置，造成局部放电传感装置的弹性膜片产生振动，微质量块避免造成膜片中心过大的形变，振动经微质量块传输至光纤光栅，使光纤光栅长度发生改变，致使光纤的光折射率等波导参数发生改变，使光纤光栅的反射光中心波长改变，局部放电传感装置中的光纤光栅反射光经过光环形器后由光分路器将反射光分为两路，一路反射光进入信号处理与反馈控制器，另一路反射光进入光电探测器。
优选地，所述光分路器将反射光按照1:9分光比分为两路，10％的反射光进入信号处理与反馈控制器，用于光谱信息的分析并用于可调谐激光器输出波长的调节，90％的反射光进入光电探测器，用于进行振动信号的解调。
优选地，所述信号处理与反馈控制器，用于检测光纤光栅反射光光谱并实时计算出当前光纤光栅的3dB线性边带，并发送信号至可调谐激光器，对激光器输出的激光波长进行调节，使系统的工作点稳定在光纤光栅的3dB线性边带处，使传感器的灵敏度达到最大。
本申请所达到的有益效果：
本发明提供一种基于双膜增敏式光纤光栅的电力设备局部放电传感装置及其加工方法，通过将光纤光栅固定于膜片的中心来放大膜片接收到的超声振动信号，并结合膜片结构参数设计和添加微质量块来增大传感器的灵敏度，通过双膜片对称结构消除传感器自身振动对测量结果的影响，扩大传感器的可探测范围；基于本发明可以在普通光纤光栅的基础上，提升传感器的方向性，提高局部放电检测的灵敏度，减少传感系统的成本。
本发明提供一种基于双膜增敏式光纤光栅的电力设备局部放电传感装置的电力设备局部放电检测系统，所述电力设备局部放电检测系统利用可调谐激光器、光环形器、光分路器、信号处理与反馈控制器和光电探测器进行光纤光栅3dB线性边带自动校准的强度解调，使系统的工作点稳定在光纤光栅的3dB线性边带处，使传感装置的灵敏度达到最大。
附图说明
图1是本发明电力设备局部放电传感装置结构图；
图2是本发明电力设备局部放电检测系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本发明的一种电力设备局部放电传感装置，包括传感器封装外壳、光纤光栅、弹性膜片和微质量块；
所述微质量块，固定在光纤光栅栅区两端处；
所述光纤光栅位于封装外壳中央；
所述弹性膜片位于光纤光栅两端，与两个微质量块贴合，膜片边缘固定于封装外壳上，实现膜片振动的放大；
同侧的弹性膜片、光纤光栅固定于封装外壳上；
所述封装外壳内部注满绝缘油。
具体实施时，所述微质量块，套在光纤光栅栅区两端处并用紫外固化胶固定；
同侧的弹性膜片、光纤光栅和封装外壳用紫外固化胶固定。
所述弹性膜片，膜片中心设有供光纤通过的圆形通孔，将光纤光栅固定于膜片的中心来放大膜片接收到的超声振动信号。
所述弹性膜片优选硅膜片。
所述微质量块为可供光纤通过的微小套管。
所述光纤光栅由单模光纤上加工得到。
所述封装外壳为空心树脂圆柱。
本发明传感装置采用对称化设计，可以将产生的惯性力作为一组共模信号自动抵消，油中超声信号则被放大一倍，从理论上消除正常油中压力的对超声波声压探测的影响。
当传感器弹性膜片法线方向做变速运动时，两片弹性膜片将产生相同的位移，光纤光栅在两侧位移相同时不会产生任何变形，光纤光栅的中心波长也就不会产生任何变化，从而实现了对低频振动的去敏。
实施例：
上述电力设备局部放电传感装置的加工方法，包括以下步骤：
步骤1：加工弹性膜片和微质量块：
利用激光切割机，切割一半径为7mm，厚度为120μm的单晶硅片，硅片中心加工直径为0.4mm的圆形通孔；
单晶硅片，泊松比μ＝0.28，杨氏模量E＝190GPa，密度ρ＝2.33g/cm3；
使用3D打印技术，打印一半径为0.25mm，长3mm的树脂套管作为微质量块；
步骤2：加工光纤光栅：
利飞秒刻写技术，加工一栅区长度为10mm，中心波长1550nm，反射率>90％，3dB带宽<0.3nm的光纤光栅；
步骤3：加工封装外壳：
利用3D打印技术，加工一内径为7mm，外径为10mm，高25mm的空心树脂圆柱，作为传感器的封装外壳；
步骤4：放电传感装置的组装：
将微质量块表面打磨光滑，套在距离光纤光栅栅区5mm两端处，并用紫外固化胶进行固定；
将光纤光栅穿过封装外壳，并将弹性膜片套在刻有光纤光栅的单模光纤两端，与两个微质量块贴合，并用紫外固化胶固定单侧的硅膜片、光纤光栅和封装外壳；
使用位移台向光纤光栅施加预应力，并向封装外壳内部添加绝缘油，待填油满后进行另一侧膜片、光纤光栅和封装外壳的固定，传感装置组装完成。
如图2所示，基于本发明电力设备局部放电传感装置的电力设备局部放电检测系统，
包括局部放电装置、上述的电力设备局部放电传感装置、可调谐激光器、光环形器、光分路器、信号处理与反馈控制器和光电探测器；
所述可调谐激光器产生连续激光，连续激光进入光环形器后，透射光进入上述的局部放电传感装置中的光纤光栅并产生反射光，反射光通过光环形器进入光分路器，光分路器将反射光按照1:9分光比分为两路，10％的反射光进入信号处理与反馈控制器，90％的反射光进入光电探测器，光电探测器将光信号转化成电信号并将产生的电信号输入到信号处理与反馈控制器，信号处理与反馈控制器进行光谱信息的分析和可调谐激光器的输出控制。
局部放电装置用于模拟局部放电信号，局部放电传感装置用于接收局部放电超声信号；
所述局部放电装置，包括变压器、放电模型、油箱；
变压器用于向放电模型的高压端施加电压，放电模型的针板电极位于油中，放电在针板电极间产生，油位于油箱中；
当变压器施加的电压高于放电模型的放电起始电压时，油箱中的高压电极将发生局部放电，产生超声波信号；局部放电装置产生的超声波信号在油中传播至局部放电传感装置，造成局部放电传感装置的弹性膜片产生振动，微质量块避免造成膜片中心过大的形变，振动经微质量块传输至光纤光栅，使光纤光栅长度发生改变，致使光纤的光折射率等波导参数发生改变，使光纤光栅的反射光中心波长改变，局部放电传感装置中的光纤光栅反射光经过光环形器后由光分路器将反射光按照1:9分光比分为两路，10％的反射光进入信号处理与反馈控制器，90％的反射光进入光电探测器，较弱的光用于光谱信息的分析并用于可调谐激光器输出波长的调节，较强的光用于进行振动信号的解调。
所述光环形器，用于使可调谐激光器的光进入到局部放电传感装置的光纤光栅中，并使局部放电传感装置中光纤光栅的反射光进入到光分路器中；
所述信号处理与反馈控制器，用于检测光纤光栅反射光光谱并实时计算出当前光纤光栅的3dB线性边带，并发送信号至可调谐激光器，对激光器输出的激光波长进行调节，使系统的工作点稳定在光纤光栅的3dB线性边带处，使传感器的灵敏度达到最大；
所述光电探测器，用于光信号转换为电信号。
本发明利用可调谐激光器、光环形器、光分路器、信号处理与反馈控制器和光电探测器进行光纤光栅3dB线性边带自动校准的强度解调，具体的：
例如，利用一个分光比为1:9的光分路器，将90％的反射光打入光电探测器内，将10％的反射光打入信号处理与反馈控制器内；所述信号处理与反馈控制器，检测光纤光栅反射光光谱并实时计算出当前光纤光栅的3dB线性边带，并发送信号至激光器，对激光器输出的激光波长进行调节，使系统的工作点稳定在光纤光栅的3dB线性边带处。
基于上述方案实现了电力设备局部放电超声波信号的测量，可以解决传感器方向性模糊，动态范围小的问题，并使系统的工作点保持在光纤光栅的3dB线性边带处。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电力设备局部放电传感装置，其特征在于：
所述装置包括传感器封装外壳、光纤光栅、弹性膜片和微质量块；
所述微质量块，固定在光纤光栅栅区两端处；
所述光纤光栅位于封装外壳中央；
所述弹性膜片位于光纤光栅两端，与两个微质量块贴合，膜片边缘固定于封装外壳上，实现膜片振动的放大；
同侧的弹性膜片、光纤光栅固定于封装外壳上；
所述封装外壳内部注满绝缘油。
2.根据权利要求1所述的一种电力设备局部放电传感装置，其特征在于：
所述微质量块，套在光纤光栅栅区两端处并用紫外固化胶固定；
同侧的弹性膜片、光纤光栅和封装外壳用紫外固化胶固定。
3.根据权利要求1所述的一种电力设备局部放电传感装置，其特征在于：
所述弹性膜片，膜片中心设有供光纤通过的圆形通孔，将光纤光栅固定于膜片的中心来放大膜片接收到的超声振动信号。
4.根据权利要求1所述的一种电力设备局部放电传感装置，其特征在于：
所述弹性膜片为硅膜片；
所述微质量块为可供光纤通过的微小套管；
所述光纤光栅由单模光纤上加工得到；
所述封装外壳为空心树脂圆柱。
5.权利要求1-4任一项所述的电力设备局部放电传感装置的加工方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
步骤1：加工弹性膜片和微质量块：
利用激光切割机，将弹性膜片进行切割，膜片中心加工供光纤通过的圆形通孔；使用3D打印技术，制作可供光纤通过的微小套管作为微质量块；
步骤2：加工光纤光栅：
利用飞秒刻写技术，在单模光纤上加工光纤光栅；
步骤3：加工封装外壳：
利用3D打印技术，制作空心树脂圆柱，作为传感器的封装外壳；
步骤4：放电传感装置的组装：
将微质量块表面打磨光滑，套在光纤光栅栅区两端处，并用紫外固化胶进行固定；
将光纤光栅穿过封装外壳，并将弹性膜片套在刻有光纤光栅的单模光纤两端，与两个微质量块贴合，并用紫外固化胶固定单侧的硅膜片、光纤光栅和封装外壳；
使用位移台向光纤光栅施加预应力，并向封装外壳内部添加绝缘油，待填油满后进行另一侧膜片、光纤光栅和封装外壳的固定，传感装置组装完成。
6.根据权利要求5所述的电力设备局部放电传感装置的加工方法，其特征在于：
步骤1中，利用激光切割机，切割一半径为7mm，厚度为120μm的单晶硅片，硅片中心加工直径为0.4mm的圆形通孔；
单晶硅片，泊松比μ＝0.28，杨氏模量E＝190GPa，密度ρ＝2.33g/cm3；
使用3D打印技术，打印一半径为0.25mm，长3mm的树脂套管作为微质量块；
步骤2中，利飞秒刻写技术，加工一栅区长度为10mm，中心波长1550nm，反射率>90％，3dB带宽<0.3nm的光纤光栅；
步骤3中，利用3D打印技术，加工一内径为7mm，外径为10mm，高25mm的空心树脂圆柱，作为传感器的封装外壳；
步骤4中，将微质量块表面打磨光滑，套在距离光纤光栅栅区5mm两端处，并用紫外固化胶进行固定。
7.基于权利要求1-4任一项所述的电力设备局部放电传感装置的电力设备局部放电检测系统，其特征在于：
所述检测系统包括局部放电装置、权利要求1-4任一项所述的电力设备局部放电传感装置、可调谐激光器、光环形器、光分路器、信号处理与反馈控制器和光电探测器；
所述局部放电装置用于模拟局部放电信号，局部放电传感装置用于接收局部放电超声信号；
所述可调谐激光器产生连续激光，连续激光进入光环形器后，透射光进入所述的电力设备局部放电传感装置中的光纤光栅并产生反射光，反射光通过光环形器进入光分路器，光分路器将反射光分为两路，一路反射光进入信号处理与反馈控制器，另一路反射光进入光电探测器，光电探测器将光信号转化成电信号并将产生的电信号输入到信号处理与反馈控制器，信号处理与反馈控制器进行光谱信息的分析和可调谐激光器的输出控制。
8.根据权利要求7所述的电力设备局部放电检测系统，其特征在于：
所述局部放电装置，包括变压器、放电模型、油箱；
变压器用于向放电模型的高压端施加电压，放电模型的针板电极位于油中，放电在针板电极间产生，油位于油箱中；
当变压器施加的电压高于放电模型的放电起始电压时，油箱中的高压电极将发生局部放电，产生超声波信号；局部放电装置产生的超声波信号在油中传播至局部放电传感装置，造成局部放电传感装置的弹性膜片产生振动，微质量块避免造成膜片中心过大的形变，振动经微质量块传输至光纤光栅，使光纤光栅长度发生改变，致使光纤的光折射率等波导参数发生改变，使光纤光栅的反射光中心波长改变，局部放电传感装置中的光纤光栅反射光经过光环形器后由光分路器将反射光分为两路，一路反射光进入信号处理与反馈控制器，另一路反射光进入光电探测器。
9.根据权利要求8所述的电力设备局部放电检测系统，其特征在于：
所述光分路器将反射光按照1:9分光比分为两路，10％的反射光进入信号处理与反馈控制器，用于光谱信息的分析并用于可调谐激光器输出波长的调节，90％的反射光进入光电探测器，用于进行振动信号的解调。
10.根据权利要求9所述的电力设备局部放电检测系统，其特征在于：
所述信号处理与反馈控制器，用于检测光纤光栅反射光光谱并实时计算出当前光纤光栅的3dB线性边带，并发送信号至可调谐激光器，对可调谐激光器输出的激光波长进行调节，使系统的工作点稳定在光纤光栅的3dB线性边带处，使传感器的灵敏度达到最大。
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