CN114545174A - 一种变压器局部放电光纤分布式传感系统 - Google Patents
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Abstract
一种变压器局部放电光纤分布式传感系统，可对变压器实现分布式局部放电超声传感与定位，包括泵浦源、980/1550nm波分复用器、光纤传感元、电光调制器、电光调制驱动器、可调射频源、1×2光纤耦合器、密集波分复用器、延迟光纤、1×4光纤耦合器、光电探测器和数据处理模块；四个光纤传感元串联传感，实现简化传感光路拓扑；四个光纤传感元返回光信号中心波长互异，采用密集波分复用器进行波分复用，采用电光调制器进行周期性线性扫频，并利用延时光纤的不同时延令不同波段的光波产生光频差，实现对不同光纤传感元的频分复用，最终仅用一个光电探测器对四个光纤传感元返回传感信号进行探测，实现对变压器局部放电光纤分布式传感。
Description
技术领域
本发明属于光学传感系统技术领域，具体而言，涉及一种变压器局部放电光纤分布式传感系统。
背景技术
局部放电是电力变压器绝缘故障的早期表现形式。由变压器局部放电产生的超声波通过介质向四周扩散传播。对超声波进行检测，可预警变压器早期故障，避免发生重大绝缘事故。
传统的局部放电声波法检测主要是使用压电陶瓷（PZT）传感器，紧贴于电气设备外部对局部放电产生的声波进行检测。这种方法操作简便，技术成熟，但存在诸多缺点：1）传感器通过同轴电缆连接，测量过程中易受磁环境的干扰。2）PZT传感器灵敏度较低。局部放电产生的超声信号受各部件的影响，传播至壳体的信号极小，检测效果差。3）PZT传感器复用性差，一个传感器需要对应配置一套检测、解调模块以区分各个传感器检测到的信号，多点同步检测时布线复杂，成本较高。
近年来，随着各学科间的交叉发展，光纤声波传感技术受到研究人员的关注。相比于PZT传感器，光纤超声传感器绝缘性能好、抗电磁干扰性能优异、灵敏度高，适用于检测变压器局部放电超声信号。
经过检索，中国专利公开号CN111505468 B公开了光纤分布式局部放电检测系统，利用快速光开关使一个输入端口对应多个输出端口，基于Michelson干涉的光纤传感系统通过快速光开关对多个光纤传感单元进行时分复用，实现分布式传感测量；但是采用光开关的方案牺牲了传感器测量的同步性。
经过检索，中国专利公开号CN 111289851 B 公开了基于频分复用的分布式GIS局放超声光学传感系统，利用光源线性扫频光经过不同时延产生不同的光频差实现了光信号的频分复用，使一套传感系统可实现多路传感，虽然实现局部放电超声光纤分布式同步检测，但每个传感器需要两路光纤通道接入传感系统，四个传感器需要八路光纤通道接入传感系统，探测光路复杂，不利于变压器局部放电测量现场传感器的布置。
有鉴于此，针对上述不足，有必要提出一种变压器局部放电光纤分布式传感系统，在进行变压局部放电超声光纤分布式同步检测的同时，实现探测光路简化，便于变压器局部放电测量现场传感器的布置安装。
发明内容
一种变压器局部放电光纤分布式传感系统，可对变压器实现分布式局部放电超声传感，包括泵浦源、980/1550nm波分复用器、第一光纤传感元、第二光纤传感元、第三光纤传感元、第四光纤传感元、电光调制器、电光调制驱动器、可调射频源、第一1×2光纤耦合器、密集波分复用器、第一延迟光纤、第二延迟光纤、第三延迟光纤、第四延迟光纤、1×4光纤耦合器、第二1×2光纤耦合器、光电探测器和数据处理模块。
所述第一光纤传感元、第二光纤传感元、第三光纤传感元和第四光纤传感元是在
一段掺杂稀土元素Er的光纤上利用相移掩膜法刻写光栅形成相移量为
的相移光纤光
栅；当Er吸收980nm泵浦光的能量后会辐射出1550 nm波段的光子，1550 nm波段的光子在相
移光纤光栅之间发生谐振后返回；通过调节纤芯折射率和栅区的周期长度可以调节第一光
纤传感元、第二光纤传感元、第三光纤传感元和第四光纤传感元的返回中心波长；所述第一
光纤传感元、第二光纤传感元、第三光纤传感元和第四光纤传感元，通过单模光纤熔接串联
连接，熔接损耗小于0.1dB。
所述泵浦源发出波长为980 nm的泵浦光，经过980/1550 nm波分复用器进入第一光纤传感元、第二光纤传感元、第三光纤传感元和第四光纤传感元；由第一光纤传感元、第二光纤传感元、第三光纤传感元和第四光纤传感元返回传感光组成的混频光，在经过980/1550 nm波分复用器和电光调制器后被第一1×2光纤耦合器后分为两束，其中一束混频光经过密集波分复用器后被分为四路单频段光，四路单频段光分别通过第一延迟光纤、第二延迟光纤、第三延迟光纤和第四延迟光纤在1×4光纤耦合器处合为混频光，与另一束混频光在第二1×2光纤耦合器发生干涉，干涉光最终被光电探测器接收。
优选地，所述第一光纤传感元、第二光纤传感元、第三光纤传感元和第四光纤传感
元返回中心波长分别调节为 
=1535nm， 
=1537nm，
=1540nm，
=1542nm。
优选地，所述第一光纤传感元、第二光纤传感元和第三光纤传感元分别水平布置在变压器A、B、C三相线套管表面，第一光纤传感元、第二光纤传感元和第三光纤传感元距离变压器套管顶端的长度为变压器套管长度的1/2，第四光纤传感元水平布置在变压器油箱表面，第四光纤传感元距离变压器油箱底端的长度为变压器油箱高度的1/2。
优选地，所述可调射频源发出周期性线性扫频信号，扫频起始频率
，扫频速率为
，扫频周期为
；可调射
频源发出的周期性线性扫频信号传输给电光调制驱动器，电光调制驱动器发出相同频率的
驱动信号来驱动电光调制器；所述电光调制器对经过电光调制器的光信号进行调制，产生
同驱动信号频率大小的频移量，使单一波长的光经过电光调制器后变成周期性线性扫频信
号。
优选地，所述密集波分复用器的四个波分端口中心波长分别为
=1535nm，
=1537nm，
=1540nm，
=1542nm；混频光经过密集波分复用器后，不同中心波
长的光从对应相同中心波长的波分端口输出。
优选地，所述第一延迟光纤、第二延迟光纤、第三延迟光纤和第四延迟光纤的长度
长分别为
，
，
和
；第一延迟光纤与密集波
分复用器
波分端口连接，第二延迟光纤与密集波分复用器
波分端口连接，第三延
迟光纤与密集波分复用器
波分端口连接，第四延迟光纤与密集波分复用器
波分
端口连接。
由第一光纤传感元返回的中心波长为
=1535nm的光经过电光调制器后发生周
期性线性频移，再经过第一1×2光纤耦合器后分为两路，其中一路光经过密集波分复用器
的
波分端口和第一延迟光纤后，与另一路光在第二1×2光纤耦合器相遇，由于两路光
存在光程差，两路光相遇时存在光频差。
根据光纤干涉原理，当两束不同频率的相干光相遇后会发生干涉，产生大小等于
两束光频率差的拍频分量信号，两路光在第二1×2耦合器相遇时存在的频率差
，其中
为可调射频源发出信号的线性周期扫频速率，
为两
路光在第二1×2耦合器相遇时的光程差，
为光在光纤中传播的速度，已知
，已知光在光纤中传播的速度为
，对于第一
光纤传感元而言，
，计算得到第一光纤传感元返回的中心波长
=
1535nm光产生的拍频分量信号频率
。
同理计算得到第二光纤传感元返回光产生的拍频分量信号频率
，计算得到第三光纤传感元返回光产生的拍频分量信号频率
，计算得到第
四光纤传感元返回光产生的拍频分量信号频率
。
所述光电探测器同时接收第一光纤传感元、第二光纤传感元、第三光纤传感元和
第四光纤传感元返回的传感光信号并转化电信号，光电探测器输出电信号将包含大小为
、
、
和
四个不同频率的电信号。根据光纤超声传感原理，拍频分量电
信号的相位变化情况可反映外部超声信号的声压变化情况。
优选地，所述数据处理模块用于接收光电探测器输出信号，通过3.9MHz~4.1MHz、
4.9MHz~5.1MHz、5.9MHz~6.1MHz和6.9MHz~7.1MHz的数字带通滤波分别滤出大小为
、
、
和
的电
信号，再通过微分交叉相乘相位解调算法解调各个频率分量信号的相位变化情况，得到第
一光纤传感元、第二光纤传感元、第三光纤传感元和第四光纤传感元感知的外部超声信号
的声压变化情况。
最终，仅用一个光电探测器同时对第一光纤传感元、第二光纤传感元、第三光纤传感元和第四光纤传感元返回传感信号进行探测，实现对变压器局部放电光纤分布式传感。
本发明的有益效果在于：提出一种变压器局部放电光纤分布式传感系统，利用四个光纤传感元串联传感，简化传感光路拓扑；四个光纤传感元返回信号中心波长互异，采用密集波分复用器进行波分复用，采用电光调制器进行周期性线性扫频，并利用延时光纤的不同时延令不同波段的光波产生光频差，实现对不同光纤传感元的频分复用，最终仅用一个光电探测器对四个光纤传感元返回传感信号进行探测，实现对变压器局部放电光纤分布式传感。
附图说明
图1为变压器局部放电光纤分布式传感系统示意图。
图2为光纤传感元结构示意图。
图3为安装光纤传感元的变压器示意图。
图4为周期性线性扫频信号示意图。
其中：1为包括泵浦源；2为980/1550nm波分复用器；3为第一光纤传感元；4为第二光纤传感元；5为第三光纤传感元；6为第四光纤传感元；7为电光调制器；8为电光调制驱动器；9为可调射频源；10为第一1×2光纤耦合器；11为密集波分复用器；12为第一延迟光纤；13为第二延迟光纤；14为第三延迟光纤；15为第四延迟光纤；16为1×4光纤耦合器；17为第二1×2光纤耦合器；18为光电探测器；19为数据处理模块；20为单模光纤；21为相移光纤光栅；22为稀土元素Er；23为变压器。
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，本发明实施例提供了一种变压器局部放电光纤分布式传感系统，包括泵浦源1、980/1550nm波分复用器2、第一光纤传感元3、第二光纤传感元4、第三光纤传感元5、第四光纤传感元6、电光调制器7、电光调制驱动器8、可调射频源9、第一1×2光纤耦合器10、密集波分复用器11、第一延迟光纤12、第二延迟光纤13、第三延迟光纤14、第四延迟光纤15、1×4光纤耦合器16、第二1×2光纤耦合器17、光电探测器18和数据处理模块19。
参见图1，泵浦源1发出波长为980nm的泵浦光，经过980/1550nm波分复用器2进入第一光纤传感元3、第二光纤传感元4、第三光纤传感元5和第四光纤传感元6；由第一光纤传感元3、第二光纤传感元4、第三光纤传感元5和第四光纤传感元6返回传感光组成的混频光经过980/1550nm波分复用器2和电光调制器7进入第一1×2光纤耦合器10后被分为两束，其中一束混频光经过密集波分复用器11后被分为四路单频段光，四路单频段光分别通过第一延迟光纤12、第二延迟光纤13、第三延迟光纤14和第四延迟光纤15进入1×4光纤耦合器16后又合为混频光，与另一束混频光在第二1×2光纤耦合器17器发生干涉，干涉后的光被光电探测器18接收。
参见图2，本发明所述第一光纤传感元3、第二光纤传感元4、第三光纤传感元5和第四光纤传感元6是在一段掺杂稀土元素Er22的单模光纤20上利用相移掩膜法刻写光栅形成相移量为π的相移光纤光栅21；当稀土元素Er22吸收980nm泵浦光的能量后会辐射出1550nm波段的光子；改变纤芯折射率和栅区的周期长度可以实现第一光纤传感元3、第二光纤传感元4、第三光纤传感元5和第四光纤传感元6返回不同中心波长的返回光。
参见图3，第一光纤传感元3、第二光纤传感元4和第三光纤传感元5分别水平布置在变压器23的A、B、C三相线套管表面，第一光纤传感元3、第二光纤传感元4和第三光纤传感元5距离变压器套管顶端的长度均为变压器套管长度的1/2，第四光纤传感元6水平布置在变压器油箱表面，第四光纤传感元6距离变压器油箱底端的长度为变压器油箱高度的1/2。
参见图1和图2，进一步，第一光纤传感元3、第二光纤传感元4、第三光纤传感元5和
第四光纤传感元6返回光中心波长分别调节为
=1535nm，
=1537nm，
=1540nm，
=1542nm；第一光纤传感元3、第二光纤传感元4、第三光纤传感元5和第四光纤传感元6
通过单模光纤以串联形式熔接。
参见图4，可调射频源9发出周期性线性扫频信号，扫频起始频率
，扫频速率为
，扫频周期为
；可调射频源9发出的周
期性线性扫频信号传输给电光调制驱动器8，电光调制驱动器8发出相同频率的驱动信号来
驱动电光调制器7；所述电光调制器7对经过电光调制器7的光信号进行调制，产生同驱动信
号频率大小相等的频移，使单一波长的光经过电光调制器后变成周期性线性扫频信号。
参见图1、图2、图3和图4，进一步，密集波分复用器11的四个波分端口中心波长分
别为
=1535nm，
=1537nm，
=1540nm，
=1542nm；第一延迟光纤3、第二延迟光
纤4、第三延迟光纤5和第四延迟光纤6的长度长分别为
，
，
和
；第一延迟光纤12与密集波分复用器11的
波分端口连
接，第二延迟光纤13与密集波分复用器11的
波分端口连接，第三延迟光纤14与密集波
分复用器11的
波分端口连接，第四延迟光纤15与密集波分复用器11的
波分端口连
接。
参见图1、图2、图3和图4，进一步，第一光纤传感元3、第二光纤传感元4、第三光纤传感元5和第四光纤传感元6返回传感光在第一1×2光纤耦合器10分束前是线性周期扫频信号，分束后由于两束光存在的光程差，当两束光在第二1×2耦合器17发生干涉并产生频率大小等于两束光频率差的拍频分量；第一光纤传感元3、第二光纤传感元4、第三光纤传感元5和第四光纤传感元6返回的传感光信号分别产生4MHz、5MHz、6MHz和7MHz四种光拍频分量；光电探测器18会接收第一光纤传感元3、第二光纤传感元4、第三光纤传感元5和第四光纤传感元6返回传感光信号并转化电信号，光电探测器将输出包含4MHz、5MHz、6MHz和7MHz四种不同频率分量的电信号；数据处理模块19用于接收光电探测器18的输出信号，通过3.9MHz~4.1MHz、4.9MHz~5.1MHz、5.9MHz~6.1MHz和6.9MHz~7.1MHz的数字带通滤波分别滤出4MHz、5MHz、6MHz和7MHz的电信号，通过微分交叉相乘相位解调算法解调各个频率分量信号的相位变化情况，最终得到第一光纤传感元3、第二光纤传感元4、第三光纤传感元5和第四光纤传感元6感知的变压器23局部放电超声信号的声压变化情况，实现对变压器局部放电光纤分布式传感。
Claims (7)
1.一种变压器局部放电光纤分布式传感系统，其特征在于，包括泵浦源（1）、980/1550nm波分复用器（2）、第一光纤传感元（3）、第二光纤传感元（4）、第三光纤传感元（5）、第四光纤传感元（6）、电光调制器（7）、电光调制驱动器（8）、可调射频源（9）、第一1×2光纤耦合器（10）、密集波分复用器（11）、第一延迟光纤（12）、第二延迟光纤（13）、第三延迟光纤（14）、第四延迟光纤（15）、1×4光纤耦合器（16）、第二1×2光纤耦合器（17）、光电探测器（18）和数据处理模块（19），其中，
所述的第一光纤传感元（3）、第二光纤传感元（4）、第三光纤传感元（5）和第四光纤传感元（6）通过单模光纤以串联形式熔接在一起，熔接损耗小于0.1dB；
所述的电光调制器（7）被电光调制驱动器（8）发出的周期性线性扫频的驱动信号驱动，并对经过电光调制器（7）的光信号进行调制，使光信号产生和驱动信号频率大小相等的频移；
所述的可调射频源（9）发出周期性线性扫频信号给电光调制驱动器（8），扫频起始频率
，扫频速率为
，扫频周期为
；
所述的第一光纤传感元（3）返回光产生的拍频分量信号频率
，所述的第
二光纤传感元（4）返回光产生的拍频分量信号频率
，所述的第三光纤传感
元（5）返回光产生的拍频分量信号频率
，所述第四光纤传感元（6）返回光产
生的拍频分量信号频率
；
所述数据处理模块（19）接收光电探测器（18）输出信号，包含数字带通滤波和微分交叉相乘相位解调功能，数字带通滤波的滤波频段为3.9MHz~4.1MHz、4.9MHz~5.1MHz、5.9MHz~6.1MHz和6.9MHz~7.1MHz。
2.根据权利要求1所述的一种变压器局部放电光纤分布式传感系统，其特征在于，所述第一光纤传感元（3）、第二光纤传感元（4）、第三光纤传感元（5）和第四光纤传感元（6）是在一段掺杂稀土元素Er（22）的单模光纤（20）上利用相移掩膜法刻写光栅形成相移量为π的相移光纤光栅（21）。
3.根据权利要求1所述的一种变压器局部放电光纤分布式传感系统，其特征在于，所述
第一光纤传感元（3）、第二光纤传感元（4）、第三光纤传感元和（5）第四光纤传感元（6）返回
中心波长分别设置为
=1535nm，
=1537nm，
=1540nm，
=1542nm。
4.根据权利要求1所述的一种变压器局部放电光纤分布式传感系统，其特征在于，所述的第一光纤传感元（3）、第二光纤传感元（4）和第三光纤传感元（5）分别水平布置在变压器A、B、C三相线套管表面，第一光纤传感元（3）、第二光纤传感元（4）和第三光纤传感元（5）距离变压器（23）套管顶端的长度为变压器（23）套管长度的1/2，第四光纤传感元（6）水平布置在变压器（23）油箱表面，第四光纤传感元（6）距离变压器（23）油箱底端的长度为变压器（23）油箱高度的1/2。
5.根据权利要求1所述的一种变压器局部放电光纤分布式传感系统，其特征在于，所述
密集波分复用器（11）的四个波分端口中心波长分别为
=1535nm，
=1537nm，
=
1540nm，
=1542nm，与四个光纤传感元的返回光中心波长相匹配。
6.根据权利要求1所述的一种变压器局部放电光纤分布式传感系统，其特征在于，所述
第一延迟光纤（12）、第二延迟光纤(13)、第三延迟光纤(14)和第四延迟光纤(15)的长度长
分别为
，
，
和
；第一
延迟光纤(12)与密集波分复用器(11)的
波分端口连接，第二延迟光纤(13)与密集波分
复用器(11)的
波分端口连接，第三延迟光纤(14)与密集波分复用器(11)的
波分端
口连接，第四延迟光纤(15)与密集波分复用器(11)的
波分端口连接。
7.根据权利要求1所述的一种变压器局部放电光纤分布式传感系统，其特征在于，仅用一个光电探测器(18)同时接收来自第一光纤传感元(3)、第二光纤传感元(4)、第三光纤传感元(5)和第四光纤传感元(6)的返回传感信号。
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2022
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 马国明 等: "变压器局部放电光纤超声检测技术及新复用方法", 《高电压技术》 * |
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