CN114167243A - 变压器套管光纤局部放电监测系统 - Google Patents

Abstract

一种变压器套管光纤局部放电监测系统，包括光纤超声传感器，所述光纤超声传感器固设在变压器套管的内壁上，所述光纤超声传感器包括光子晶体光纤、单模光纤，在光子晶体光纤的两端各连接一个单模光纤，所述光子晶体光纤和两个单模光纤首尾共轴同心连接，在光子晶体光纤和单模光纤的两两交界面，由于光场结构不同，将发生光的折返射，由于两个交界面反射结果的光传播时间不同，存在光子晶体光纤传输时间差，两者的相位不同，形成干涉结构。当变压器套管发生局部放电引发超声信号的时候，光子晶体光纤的长度将发生变化，进而引发光子晶体光纤传输时间差发生变化，通过对时间差引发相位波动的检测可以反算超声波情况，可显著提高准确度、灵敏度。

Description

变压器套管光纤局部放电监测系统

技术领域

本发明涉及高压电气设备在线检测技术领域，特别涉及一种变压器套管光纤局部放电监测系统。

背景技术

在变压器套管制造和运行过程中产生的气泡、裂缝、毛刺等缺陷严重威胁变压器套管正常运行。这些缺陷使绝缘介质的电场发生畸变，造成局部放电。局部放电的发展会对周围的绝缘材料不断侵蚀，造成绝缘介质不可逆的劣化，最终导致套管故障。因此，局部放电是发生绝缘故障的重要征兆和表现形式，与套管的绝缘的劣化和击穿密切相关。通过检测套管局部放电情况，可及时有效地发现套管内部存在的潜伏性缺陷，从而实现故障预警，提高变压器的运行可靠性。

局部放电会引发电磁波、超声波、光以及化学物质等信号，上述任何一种信号都可用来揭示局部放电现象。目前，变压器套管局部放电检测主要有特高频法、宽频电流法和超声检测法三种方法。但是，以电信号为基础的特高频法和宽频电流法在套管这种复杂电磁环境中受干扰较大，检测结果准确度低，造成现场误报率高。相比于电信号检测方法，超声检测法具有抗电磁干扰能力强，十分适用于复杂电磁环境下的套管局部放电检测。传统的超声检测法主要使用压电陶瓷（Piezoelectric transducers，PZT）传感器，PZT通过紧贴于套管底部外壳接收其内部局部放电产生的超声波信号。这种传感器技术成熟、操作简便，但其灵敏度较低。特别是对于大型套管，内部结构十分复杂，局部放电产生的超声信号经多层介质衰减，传播至壳体的信号极小，采用PZT传感器进行局部放电检测效果较差。

发明内容

有鉴于此，针对上述不足，有必要提出一种变压器套管光纤局部放电监测系统。

一种变压器套管光纤局部放电监测系统，包括光纤超声传感器，所述光纤超声传感器固设在变压器套管的内壁上，所述光纤超声传感器包括光子晶体光纤、单模光纤，在光子晶体光纤的两端各连接一个单模光纤，所述光子晶体光纤和两个单模光纤首尾共轴同心连接。

优选地，所述光子晶体光纤与单模光纤通过熔接串联连接，光子晶体光纤与单模光纤连接处形成交界面，以发生光的折返射。

优选地，所述光纤超声传感器为四个，四个光纤超声传感器沿变压器套管的轴向布置，四个光纤超声传感器分别距离变压器套管一端的长度为变压器套管长度的1/6、2/5、3/5、4/5。

优选地，所述四个光纤超声传感器沿变压器套管的周向均布。

优选地，所述变压器套管光纤局部放电监测系统还包括采集检测模块，所述光纤超声传感器连接光源，所述光纤超声传感器连接采集检测模块。

优选地，所述变压器套管光纤局部放电监测系统还包括环形器，所述环形器连接光源，所述环形器连接光纤超声传感器。

优选地，所述变压器套管光纤局部放电监测系统还包括光电探测器，所述光电探测器连接环形器。

优选地，所述变压器套管光纤局部放电监测系统还包括PGC解调模块，所述PGC解调模块连接光电探测器。

优选地，所述变压器套管光纤局部放电监测系统还包括带通滤波器，所述带通滤波器与PGC解调模块连接，所述PGC解调模块连接采集检测模块。

优选地，所述带通滤波器的频率为5～30kHz。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

光纤超声传感器接收光源光信号，在光子晶体光纤和单模光纤的两两交界面，由于光场结构不同，将发生光的折返射，由于两个交界面反射结果的光传播时间不同，存在光子晶体光纤传输时间差，两者的相位不同，形成干涉结构。当变压器套管发生局部放电引发超声信号的时候，光子晶体光纤的长度将发生变化，进而引发光子晶体光纤传输时间差发生变化，通过对时间差引发相位波动的检测可以反算超声波情况，可显著提高准确度、灵敏度。

附图说明

图1为安装光纤超声传感器的变压器套管的示意图。

图2为光纤超声传感器的结构示意图。

图3为所述套管光纤局部放电监测系统的结构示意图。

图中：光纤超声传感器10、光子晶体光纤11、单模光纤12、套管20、采集检测模块30、光源40、环形器50、光电探测器60、PGC解调模块70、带通滤波器80、第一光开关90、第二光开关100、第三光开关110。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

参见图1和图2，本发明实施例提供了一种变压器套管光纤局部放电监测系统，包括光纤超声传感器10，光纤超声传感器10固设在变压器套管20的内壁上，光纤超声传感器10包括光子晶体光纤11、单模光纤12，在光子晶体光纤11的两端各连接一个单模光纤12，光子晶体光纤11和两个单模光纤12首尾共轴同心连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

光纤超声传感器10接收光源40光信号，在光子晶体光纤11和单模光纤12的两两交界面，由于光场结构不同，将发生光的折返射，由于两个交界面反射结果的光传播时间不同，存在光子晶体光纤11传输时间差，两者的相位不同，形成干涉结构。当变压器套管20发生局部放电引发超声信号的时候，光子晶体光纤11的长度将发生变化，进而引发光子晶体光纤11传输时间差发生变化，通过对时间差引发相位波动的检测可以反算超声波情况，可显著提高准确度、灵敏度。

参见图1和图2，进一步，光子晶体光纤11与单模光纤12通过熔接串联连接，光子晶体光纤11与单模光纤12连接处形成交界面，以发生光的折返射。

参见图1和图2，进一步，光纤超声传感器10为四个，四个光纤超声传感器10沿变压器套管20的轴向布置，四个光纤超声传感器10分别距离变压器套管20一端的长度为变压器套管20长度的1/6、2/5、3/5、4/5。

参见图1和图2，进一步，四个光纤超声传感器10沿变压器套管20的周向均布。

具体的，四个光纤超声传感器10分别布置在变压器套管20内90度、180度、270度和360度方向。

具体的，光纤超声传感器10还设有光纤引出接口，光纤引出接口用于将单模光纤12引出变压器套管20，光纤引出接口安装在变压器套管20上，光纤引出接口内含四根单模光纤12，光纤引出接口采用环氧树脂密封结构，避免变压器套管20内部受潮或气密损失。光纤超声传感器10具体的引出连接可参考申请号为 201910074555.3的对比文件。

参见图3，进一步，变压器套管光纤局部放电监测系统还包括采集检测模块30，光纤超声传感器10连接光源40，光纤超声传感器10连接采集检测模块30。

具体的，采集检测模块30为现有技术，例如，专利申请号为202110476006.6，名称为“一种变压器油中局部放电在线定位监测系统及方法”中所采用的信号采集与检测系统。

参见图3，进一步，变压器套管光纤局部放电监测系统还包括环形器50，环形器50连接光源40，环形器50连接光纤超声传感器10。

参见图3，进一步，变压器套管光纤局部放电监测系统还包括光电探测器60，光电探测器60连接环形器50。

参见图3，进一步，变压器套管光纤局部放电监测系统还包括PGC解调模块70，PGC解调模块70连接光电探测器60。

参见图3，进一步，变压器套管光纤局部放电监测系统还包括带通滤波器80，带通滤波器80与PGC解调模块70连接，PGC解调模块70连接采集检测模块30。

相位解调采用PGC解调模块70进行，为降低低频噪声的影响，在PGC解调模块70之后接带通滤波器80。

参见图3，进一步，带通滤波器80的频率为5～30kHz。考虑到超声信号在变压器套管20内部的衰减畸变及套管20特殊结构，带通滤波器80频带为5kHz到30kHz。

本申请与现有技术是不同的，如传统的压电陶瓷超声传感器因绝缘问题不能放入变压器套管20内，超声信号传递过程中损耗大，外部测量检测效果差。再如申请号为202110476006.6的对比文件，涉及局部放电在线检测的技术方案，对比文件使用的是耦合型光纤超声传感器10，其基于光强进行检测，而本申请是相位进行检测，两者检测机理根本不同；对比文件耦合型光纤超声传感器10设置在变压器的油箱中，而本申请光纤超声传感器10设置在变压器的套管20中，由于对比文件中超声衰减严重，使得套管20内不能检测到超声，不能实现本申请的目的。

具体应用实施例：变压器套管光纤局部放电监测系统内设第一光开关90、第二光开关100、第三光开关110，用于切换连接来自不同变压器套管20的光纤超声传感器10。请参看图3，以两台变压器套管20检测为例，作为区分，分别定义为第一套管20、第二套管20，在第一套管20、第二套管20内各自设置四个光纤超声传感器10，第一套管20的光纤超声传感器10连接第一光开关90，第二套管20的光纤超声传感器10连接第二光开关100，第一光开关90、第二光开关100均连接第三光开关110，第三光开关110连接环形器50，环形器50连接光源40，环形器50再连接光电探测器60、光电探测器60连接PGC解调模块70，PGC解调模块70连接带通滤波器80，带通滤波器80连接采集检测模块30，采集检测模块30还分别与第一光开关90、第二光开关100、第三光开关110连接。上述应用实施例可用于切换连接不同变压器套管20的光纤超声传感器10。采集检测模块30作为套管20超声信号还原系统，基于时间差方法确定局部放电发生位置，根据传播到套管20不同位置的超声信号时间差还原信号波形。为了降低测量系统成本，超声测量每次测量两路信号，获得信号时间差，这样四个信号共有三个超声信号传播时间差，通过三个时间差可以实现局部放电信号的定位。

本发明实施例装置中的模块或单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种变压器套管光纤局部放电监测系统，其特征在于：包括光纤超声传感器，所述光纤超声传感器固设在变压器套管的内壁上，所述光纤超声传感器包括光子晶体光纤、单模光纤，在光子晶体光纤的两端各连接一个单模光纤，所述光子晶体光纤和两个单模光纤首尾共轴同心连接。

2.如权利要求1所述变压器套管光纤局部放电监测系统，其特征在于：所述光子晶体光纤与单模光纤通过熔接串联连接，光子晶体光纤与单模光纤连接处形成交界面，以发生光的折返射。

3.如权利要求1所述变压器套管光纤局部放电监测系统，其特征在于：所述光纤超声传感器为四个，四个光纤超声传感器沿变压器套管的轴向布置，四个光纤超声传感器分别距离变压器套管一端的长度为变压器套管长度的1/6、2/5、3/5、4/5。

4.如权利要求3所述变压器套管光纤局部放电监测系统，其特征在于：所述四个光纤超声传感器沿变压器套管的周向均布。

5.如权利要求1所述变压器套管光纤局部放电监测系统，其特征在于：所述变压器套管光纤局部放电监测系统还包括采集检测模块，所述光纤超声传感器连接光源，所述光纤超声传感器连接采集检测模块。

6.如权利要求5所述变压器套管光纤局部放电监测系统，其特征在于：所述变压器套管光纤局部放电监测系统还包括环形器，所述环形器连接光源，所述环形器连接光纤超声传感器。

7.如权利要求6所述变压器套管光纤局部放电监测系统，其特征在于：所述变压器套管光纤局部放电监测系统还包括光电探测器，所述光电探测器连接环形器。

8.如权利要求7所述变压器套管光纤局部放电监测系统，其特征在于：所述变压器套管光纤局部放电监测系统还包括PGC解调模块，所述PGC解调模块连接光电探测器。

9.如权利要求8所述变压器套管光纤局部放电监测系统，其特征在于：所述变压器套管光纤局部放电监测系统还包括带通滤波器，所述带通滤波器与PGC解调模块连接，所述PGC解调模块连接采集检测模块。

10.如权利要求9所述变压器套管光纤局部放电监测系统，其特征在于：所述带通滤波器的频率为5～30kHz。

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