CN113805014A - 一种基于电容式的光纤局部放电检测装置及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电容式的光纤局部放电检测装置及检测方法，包括棒‑板电极局部放电系统和光纤局部放电检测系统；棒‑板电极局部放电系统包括工作台，工作台的顶部套设有棒电极，工作台的底部且与棒电极对应的位置设置有铜板电极，铜板电极接地，棒电极远离铜板电极的一端连接有高压电源，高压电源接地；光纤局部放电检测系统包括光纤局部放电检测传感器，光纤局部放电检测传感器连接有光纤传感器解调仪，光纤传感器解调仪连接有计算机。本发明能够准确的测量局部放电产生的信号且具有测量精度高、结构简单、抗干扰能力强、响应速度快、体积小的特点。

Description

一种基于电容式的光纤局部放电检测装置及检测方法
技术领域
本发明属于局部放电检测设备技术领域，涉及一种基于电容式的光纤局部放电检测装置，还涉及采用上述装置的检测方法。
背景技术
随着电力使用的快速增长和经济的飞速发展，促使了电力系统传输容量的不断增加及电压等级的不断提高。因此，电力系统稳定、安全、可靠的运行显得越来越重要。其中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。局部放电是造成高压电气设备最终发生绝缘击穿的重要原因，也是绝缘劣化的重要征兆，并且对局部放电的强度和发展趋势的监测可以判断绝缘是否存在局部缺陷、介质老化速度及状态。因此，对局部放电进行在线监测对于高压电气设备的安全稳定运行具有重要意义。
目前，局部放电常用的检测方法包含脉冲电流法、超声波法、光测法、化学测量法等。脉冲电流法离线测量灵敏度高、测量结果直观，但脉冲电流法易受电磁干扰且在线测量效果差；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。
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-泽德尔干涉型存在测量范围小、稳定性较低和成本较高的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电容式的光纤局部放电检测装置，能够准确的测量局部放电产生的信号且具有测量精度高、结构简单、抗干扰能力强、响应速度快、体积小的特点。
本发明另一目的是提供一种基于电容式的光纤局部放电检测方法。
本发明所采用的技术方案是，一种基于电容式的光纤局部放电检测装置，包括棒-板电极局部放电系统和光纤局部放电检测系统；
棒-板电极局部放电系统包括工作台，工作台的顶部套设有棒电极，工作台的底部且与棒电极对应的位置设置有铜板电极，铜板电极接地，棒电极远离铜板电极的一端连接有高压电源，高压电源接地；
光纤局部放电检测系统包括光纤局部放电检测传感器，光纤局部放电检测传感器连接有光纤传感器解调仪，光纤传感器解调仪连接有计算机。
本发明的特征还在于，
光纤局部放电检测传感器包括圆柱形套筒，套筒内依次设置有塑胶板和压电陶瓷片，塑胶板上插接有陶瓷插针，陶瓷插针远离压电陶瓷片的一端插接有光纤，陶瓷插针的另一端面与压电陶瓷片端面构成以空气为介质的法珀腔，光纤与光纤传感器解调仪连接，压电陶瓷片的两个电极连接有陶瓷电容。
压电陶瓷片的直径与套筒的内径相等。
陶瓷电容的大小为1pF。
法珀腔的初始腔长为0.5mm～0.6mm。
本发明所采用的技术方案是，一种基于电容式的光纤局部放电检测方法，采用上述检测装置，具体步骤如下：
步骤1，将绝缘材料放置在铜板电极上，调整棒电极与绝缘材料接触，启动高压电源，则棒电极与铜板电极进行局部放电产生电脉冲信号；
步骤2，光纤局部放电检测传感器中的陶瓷电容收集步骤1产生的电脉冲信号作用于压电陶瓷片上使压电陶瓷片发生振动而产生形变，则法珀腔的腔长发生变化，光的强度和干涉相位也发生变化；
步骤3，将步骤2发生变化的光信号经光纤进行传输至光纤传感器解调仪，光纤传感器解调仪将接收的光信号进行转换传输至计算机，计算机进行数据的处理，得到检测结果。
本发明的特征还在于，
步骤2中，光的强度和干涉相位也发生变化关系式为：
Figure BDA0003194305760000031
式中，
Figure BDA0003194305760000032
为任意两束光的相位差，
Figure BDA0003194305760000033
R为法珀腔两个端面的反射率；n为法珀腔内介质的折射率；L为法珀腔的腔长，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。
本发明的有益效果是，
(1)本发明一种基于电容式的光纤局部放电检测装置，采用陶瓷电容，具有使用温度较高、体积小、耐潮湿性好、介质损耗较小的特点，将其设置在光纤局部放电检测传感器中减少了光纤局部放电检测传感器的体积且提高了光纤局部放电检测传感器的灵敏度和稳定性；
(2)本发明一种基于电容式的光纤局部放电检测装置，将光纤插入陶瓷插针中，能够更方便的实现光纤端面和压电陶瓷片端面的对准，更好的保证了光信号的传输；
(3)本发明一种基于电容式的光纤局部放电检测装置，检测精度高、稳定性好、抗干扰能力强且体积小，可广泛应用于工程测量和科研领域。
附图说明
图1是本发明一种基于电容式的光纤局部放电检测装置的结构示意图；
图2是本发明一种基于电容式的光纤局部放电检测装置中光纤局部放电检测传感器的结构示意图；
图3是本发明一种基于电容式的光纤局部放电检测装置中压电陶瓷片的结构示意图；
图4是本发明一种基于电容式的光纤局部放电检测装置中光纤局部放电检测传感器的反射光谱图；
图5是本发明一种基于电容式的光纤局部放电检测装置中光纤局部放电检测传感器接收信号解调结果示意图。
图中，1.光纤，2.陶瓷插针，3.压电陶瓷片，4.套筒，5.塑胶板，6.陶瓷电容，7.光纤局部放电检测传感器，8.光纤传感器解调仪，9.计算机，10.棒电极，11.铜板电极，12.绝缘材料，13.高压电源，14.工作台。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种基于电容式的光纤局部放电检测装置，结构如图1所示，包括棒-板电极局部放电系统和光纤局部放电检测系统；
棒-板电极局部放电系统包括工作台14，工作台14的顶部套设有棒电极10，工作台14的底部且与棒电极10对应的位置设置有铜板电极11，铜板电极11接地，棒电极10远离铜板电极11的一端连接有高压电源13，高压电源13接地；
光纤局部放电检测系统包括光纤局部放电检测传感器7，光纤局部放电检测传感器连接有光纤传感器解调仪8，光纤传感器解调仪8连接有计算机9。
如图2和图3所示，光纤局部放电检测传感器7包括圆柱形套筒4，套筒4内依次设置有塑胶板5和压电陶瓷片3，塑胶板5上插接有陶瓷插针2，陶瓷插针2远离压电陶瓷片3的一端插接有光纤1，光纤1采用8/125单模光纤其接口类型为FC/APC，陶瓷插针2的另一端面与压电陶瓷片3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，光纤1与光纤传感器解调仪8连接，压电陶瓷片3的两个电极连接有陶瓷电容6，压电陶瓷片3的直径与套筒4的内径相等，套筒4的内径是18mm，外径是20mm，长度为30mm，陶瓷电容6的大小为1pF，光纤传感器解调仪8采用适用于F-P和FBG的光纤传感器解调仪。
光纤局部放电检测传感器7的制备方法为：
步骤1，将光纤1尾端插入陶瓷插针2中，用胶将两者进行固定粘接；
步骤2，把塑胶板5裁剪成和圆形套筒4内径相同的圆，用电钻在剪裁好的圆形塑胶板5中心钻孔(孔径和陶瓷插针2规格相同)，将陶瓷插针2插入钻好孔的塑胶板5上并将两者固定粘接；
步骤3，把压电陶瓷片3和带有陶瓷插针2的塑胶板5固定在圆形套筒4内，调整陶瓷插针2和压电陶瓷片3端面构成的腔长，即法珀腔，在腔长为0.5mm～0.6mm之间取干涉信号最佳的腔长，最后用胶进行固定粘接；
步骤4，在压电陶瓷片3的两个电极上接上陶瓷电容6，即得到光纤局部放电检测传感器7。
本发明提供了一种基于电容式的光纤局部放电检测方法，采用上述检测装置，具体步骤如下：
步骤1，将绝缘材料12放置在铜板电极11上，调整棒电极10与绝缘材料接触，启动高压电源13，则棒电极10与铜板电极11进行局部放电产生电脉冲信号；
步骤2，光纤局部放电检测传感器7中的陶瓷电容6收集步骤1产生的电脉冲信号作用于压电陶瓷片3上使压电陶瓷片3发生振动而产生形变，则法珀腔的腔长发生变化，光的强度和干涉相位也发生变化，关系式为：
Figure BDA0003194305760000051
式中，
Figure BDA0003194305760000061
为任意两束光的相位差，
Figure BDA0003194305760000062
R为法珀腔两个端面的反射率；n为法珀腔内介质的折射率；L为法珀腔的腔长，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；
步骤3，将步骤2发生变化的光信号经光纤1进行传输至光纤传感器解调仪8，光纤传感器解调仪8将接收的光信号进行转换传输至计算机9，计算机9进行数据的处理，得到检测结果。
如图4所示，入射光在法布里-珀罗腔(法珀腔)的两个端面上反复反射和折射后产生多束反射光和透射光，反射光束形成光纤局部放电检测传感器的反射光谱图，光谱图的波长范围是1528nm-1568nm。
如图5所示，光纤局部放电检测传感器的输出曲线为法布里-珀罗腔(法珀腔)的变化量，根据法布里-珀罗腔的变化量，36000ms之前是光纤局部放电检测传感器未受到信号时的曲线图，在36000ms时刻打开局部放电系统产生局部放电信号该光纤局部放电检测传感器产生相对应的响应，38300ms时刻关闭局部放电系统该光纤局部放电检测传感器响应曲线变回至最初的曲线。

Claims (7)

1.一种基于电容式的光纤局部放电检测装置，其特征在于，包括棒-板电极局部放电系统和光纤局部放电检测系统；
所述棒-板电极局部放电系统包括工作台(14)，所述工作台(14)的顶部套设有棒电极(10)，所述工作台(14)的底部且与棒电极(10)对应的位置设置有铜板电极(11)，所述铜板电极(11)接地，所述棒电极(10)远离铜板电极(11)的一端连接有高压电源(13)，所述高压电源(13)接地；
所述光纤局部放电检测系统包括光纤局部放电检测传感器(7)，所述光纤局部放电检测传感器连接有光纤传感器解调仪(8)，所述光纤传感器解调仪(8)连接有计算机(9)。
2.根据权利要求1所述的一种基于电容式的光纤局部放电检测装置，其特征在于，所述光纤局部放电检测传感器(7)包括圆柱形套筒(4)，所述套筒(4)内依次设置有塑胶板(5)和压电陶瓷片(3)，所述塑胶板(5)上插接有陶瓷插针(2)，所述陶瓷插针(2)远离压电陶瓷片(3)的一端插接有光纤(1)，所述陶瓷插针(2)的另一端面与压电陶瓷片(3)端面构成以空气为介质的法珀腔，所述光纤(1)与光纤传感器解调仪(8)连接，所述压电陶瓷片(3)的两个电极连接有陶瓷电容(6)。
3.根据权利要求2所述的一种基于电容式的光纤局部放电检测装置，其特征在于，所述压电陶瓷片(3)的直径与套筒(4)的内径相等。
4.根据权利要求2所述的一种基于电容式的光纤局部放电检测装置，其特征在于，所述陶瓷电容(6)的大小为1pF。
5.根据权利要求2所述的一种基于电容式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。
6.一种基于电容式的光纤局部放电检测方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的一种基于电容式的光纤局部放电检测装置，具体步骤如下：
步骤1，将绝缘材料(12)放置在铜板电极(11)上，调整棒电极(10)与绝缘材料接触，启动高压电源(13)，则棒电极(10)与铜板电极(11)进行局部放电产生电脉冲信号；
步骤2，光纤局部放电检测传感器(7)中的陶瓷电容(6)收集步骤1产生的电脉冲信号作用于压电陶瓷片(3)上使压电陶瓷片(3)发生振动而产生形变，则法珀腔的腔长发生变化，光的强度和干涉相位也发生变化；
步骤3，将步骤2发生变化的光信号经光纤(1)进行传输至光纤传感器解调仪(8)，光纤传感器解调仪(8)将接收的光信号进行转换传输至计算机(9)，计算机(9)进行数据的处理，得到检测结果。
7.根据权利要求6所述的一种基于电容式的光纤局部放电检测方法，其特征在于，所述步骤2中，光的强度和干涉相位也发生变化关系式为：
Figure FDA0003194305750000021
式中，
Figure FDA0003194305750000022
为任意两束光的相位差，
Figure FDA0003194305750000023
R为法珀腔两个端面的反射率；n为法珀腔内介质的折射率；L为法珀腔的腔长，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。
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