CN115144712A - 一种局部放电光学超声检测系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种局部放电光学超声检测系统，涉及局部放电检测领域，该系统利用光纤超声传感探头结合干涉型光路拓扑，将局部放电信号转换为光信号进行传输并通过干涉的方式进行解调实现局部放电检测，光纤超声传感探头具有体积小、质量轻、耐腐蚀、本质绝缘等优势，可以外置在待检测电力设备的表面也可以直接内置在待检测电力设备内部，延迟光纤的长度与待检测电力设备的检测位置的环境参数以及所述光纤超声传感探头的探头参数相关，可以匹配检测场景下所需的局部放电信号的频率分布范围。该系统的检测灵敏度较高、不易受到电磁干扰，且可有效降低检测误差。

Description

一种局部放电光学超声检测系统

技术领域

本申请涉及局部放电检测领域，尤其是一种局部放电光学超声检测系统。

背景技术

电力设备在运行过程中受到各种因素影响，其绝缘性能会逐步退化并产生绝缘缺陷，致使设备内部局部电场强度过大并引发局部放电(Partial Discharge,PD)。维护不及时将导致设备的非计划停运，严重时甚至引发火灾、爆炸等事故。因此开展安全可靠的局部放电检测技术研究对提升电力设备可靠运行能力具有重要意义。

目前局部放电检测手段主要包括脉冲电流法、特高频法、高频电流法和超声波法，现场局部放电检测通常采用特高频和超声波法。特高频法通过检测局部放电引发的电磁波信号，具有非侵入、可在线监测等优点，但电力设备运行现场电磁环境复杂，通过电参量检测方式易受电磁干扰致使检测失效。传统的超声波法采用压电陶瓷传感器(Piezoelectrictransducer,PZT)进行局部放电检测，这种非电参量的检测手段具有抗电磁干扰优势。但绝缘缺陷常常发生于设备内部，致使放电信号传播至外壳时衰减严重，而PZT传感器只能布置于设备外壳进行检测，因此传感灵敏度受到限制。

发明内容

本申请人针对上述问题及技术需求，提出了一种局部放电光学超声检测系统，本申请的技术方案如下：

一种局部放电光学超声检测系统，该局部放电光学超声检测系统包括光纤超声传感探头、延迟光纤、光纤耦合器、偏振控制器、光源和光电探测器，光纤超声传感探头包括芯轴及绕制在芯轴外部的光纤，芯轴由绝缘弹性材料制成；

光纤超声传感探头设置在待检测电力设备的检测位置处，光纤超声传感探头中的光纤的两端分别连接延迟光纤和偏振控制器，光源、光电探测器、延迟光纤和偏振控制器分别连接至光纤耦合器；延迟光纤的长度与待检测电力设备的检测位置的环境参数以及光纤超声传感探头的探头参数相关；

光源发出的光依次经过光纤耦合器、延迟光纤、光纤超声传感探头、偏振控制器和光纤耦合器至光电探测器形成第一路干涉光路，光源发出的光还依次经过光纤耦合器、偏振控制器、光纤超声传感探头、延迟光纤和光纤耦合器至光电探测器形成第二路干涉光路；

光电探测器对两路干涉光路进行解调输出待检测电力设备内部的局部放电信号。

其进一步的技术方案为，系统包括至少两条长度不同的延迟光纤，当光纤超声传感探头设置在环境参数不同的检测位置处时，选用与环境参数对应长度的延迟光纤。

其进一步的技术方案为，待检测电力设备的检测位置的环境参数包括检测位置处的绝缘介质的类型，不同类型的绝缘介质对应不同的局部放电信号的频率分布范围，延迟光纤的长度与光纤超声传感探头所在的环境参数对应的局部放电信号的频率分布范围的响应中心频率f_n相关。

其进一步的技术方案为，待检测电力设备设置有光纤超声传感探头的检测位置位于待检测电力设备的表面，则检测位置处的绝缘介质为空气；

或者，待检测电力设备设置有光纤超声传感探头的检测位置位于待检测电力设备的内部，则检测位置处的绝缘介质为液体或固体。

其进一步的技术方案为，延迟光纤的长度L_delay为：

其中，k为比例系数，η与光纤超声传感探头的探头参数相关。

其进一步的技术方案为，影响延迟光纤的长度的探头参数包括光纤超声传感探头的芯轴的弹性模量E、高度H和泊松比μ。

其进一步的技术方案为，

其进一步的技术方案为，芯轴的弹性模量E<4Gpa、泊松比μ>0.2、高度H在10mm～200mm范围内。

其进一步的技术方案为，当光纤超声传感探头所在的检测位置处的绝缘介质为空气时，延迟光纤的长度为1500m～2500m；

当光纤超声传感探头所在的检测位置处的绝缘介质为液体或固体时，延迟光纤的长度为500m～1500m。

其进一步的技术方案为，输出的局部放电信号的最大幅值与光纤超声传感探头的芯轴外部绕制的光纤的长度L、芯轴的材料以及光纤超声传感探头的尺寸相关。

本申请的有益技术效果是：

本申请公开了一种局部放电光学超声检测系统，该系统利用光纤超声传感探头将局部放电信号转换为光信号进行传输并通过干涉的方式进行解调，可以实现局部放电检测，光纤超声传感探头具有体积小、质量轻、耐腐蚀、本质绝缘等优势，可以外置在待检测电力设备的表面也可以直接内置在待检测电力设备内部，其灵敏度较高，结合干涉型光路拓扑通过光信号形式感知与传输局部放电信号，不易受到电磁干扰，可有效降低检测误差。

光纤超声传感探头可以放置在气体、液体和固体场景的绝缘介质中，适用范围广泛，干涉型光路拓扑中的延迟光纤的长度与绝缘介质的类型对应的响应中心频率以及光纤超声传感探头的探头参数匹配，使得整个系统的系统响应匹配所需的局部放电信号的频率分布范围，提高检测灵敏度和准确度。

该系统可以设置多根长度不同的延迟光纤以匹配不同的检测场景，实现响应频带的可调效果。另外本申请还对光纤超声传感探头的探头参数的设计提供了具体设计参数，从而平衡系统响应的频率分布范围和响应性能，达到更优的检测效果。

附图说明

图1是本申请一个实施例中的局部放电光学超声检测系统的系统结构图。

图2本申请另一个实施例中的局部放电光学超声检测系统的系统结构图。

图3是一个仿真实例中，该系统中使用不同长度的延迟光纤时的系统频率响应。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种局部放电光学超声检测系统，请参考图1，该局部放电光学超声检测系统包括光纤超声传感探头1、延迟光纤2、光纤耦合器3、偏振控制器4、光源5和光电探测器6。

光纤超声传感探头1包括芯轴11及绕制在芯轴11外部的光纤12，芯轴11由绝缘弹性材料制成。光纤超声传感探头1设置在待检测电力设备7的检测位置处。光纤超声传感探头1具有体积小、质量轻、耐腐蚀、本质绝缘等优势，因此光纤超声传感探头1设置在待检测电力设备7表面的检测位置处，或者，光纤超声传感探头1设置在待检测电力设备7内部的检测位置处，也即光纤超声传感探头1可以直接内置在待检测电力设备7的内部，图1以设置在待检测电力设备7的表面为例。具体的检测位置一般是待检测电力设备7的放电缺陷常见位置，根据实际情况确定。

在一个实施例中，光纤超声传感探头1与待检测电力设备7之间还会通过耦合剂进行耦合，以加强局部放电信号的耦合。耦合剂可以采用凡士林和硅脂实现。在另一个实施例中，光纤超声传感探头1与待检测电力设备7之间还需要施加预紧力，预紧力大小为10N～20N。

无论设置在待检测电力设备7的表面还是内部，光纤超声传感探头1置于绝缘介质所在环境内：当光纤超声传感探头1设置在待检测电力设备表面的检测位置处时，则光纤超声传感探头1所在的检测位置处的绝缘介质为空气。当光纤超声传感探头1设置在待检测电力设备内部的检测位置处时，则光纤超声传感探头1所在的检测位置处的绝缘介质为液体或固体。针对绝缘介质为液体的待检测电力设备7，光纤超声传感探头1直接布置在作为绝缘介质的液体内。针对诸如电力变压器之类的绝缘介质为固体的待检测电力设备7，光纤超声传感探头1布置在固体的绝缘介质处，比如可以将光纤超声传感探头1置于变压器铁芯无绕组包覆处。

光纤超声传感探头1中的光纤12的两端分别连接延迟光纤2和偏振控制器4，光源5、光电探测器6、延迟光纤2和偏振控制器4分别连接至光纤耦合器3。光源5发出的光依次经过光纤耦合器3、延迟光纤2、光纤超声传感探头1、偏振控制器4和光纤耦合器3至光电探测器6形成第一路干涉光路。光源5发出的光还依次经过光纤耦合器3、偏振控制器4、光纤超声传感探头1、延迟光纤2和光纤耦合器3至光电探测器6形成第二路干涉光路。两路干涉光路的光程差为零、不存在初始相位波动和漂移问题。

当待检测电力设备7出现局部放电现象时产生局部放电信号，局部放电信号作用于光纤超声传感探头1时会使芯轴11发生形变，由于光弹效应，光纤12的长度和折射率等参数会发生变化，进而引起光信号的相位发生改变。

当携带有相位差信息的两路光路传播至光纤耦合器处时发生干涉，经光电探测器6的光电转换放大后转换为电压波形信号，因此光电探测器6对两路干涉光路进行解调输出待检测电力设备7内部的局部放电信号，实现局部放电光学超声检测。请参考图2，光电探测器6输出的局部放电信号还可以经过带通滤波器8后进入信号采集器9，带通滤波器8对光电探测器6输出的局部放电信号进行降噪处理，滤除超声频率范围外干扰信号，提升检测信号比。

偏振控制器4用于使干涉光偏振态保持一致，从而提升检测性能。在一个实施例中，光源5采用宽带光源，其具有短的相干长度，有助于抑制光路中瑞利散射，克尔效应等光路噪声对检测性能影响，提升检测灵敏度，同时成本较低。在一个实施例中，光纤耦合器3采用3x3型，分光比为1:1:1，可将初始工作点控制于正交工作点附近，降低信号解调难度并提升检测灵敏度。

基于本申请提供的系统结构，可以利用光纤超声传感探头1将局部放电信号转换为光信号进行传输并通过干涉的方式进行解调，在理论上可达到极高的灵敏度。但是实际应用时，不同局部放电类型下，局部放电信号的频率分布范围，例如空气中局部放电信号的频率分布范围为20-80kHz，油中局部放电信号的频率分布范围为80-200kHz。另外局部放电信号的频率分布范围的响应中心频率还与光纤超声传感探头1的探头参数相关。因此为了提高检测灵敏度，该系统需要匹配所需的局部放电信号的频率分布范围。

在常用干涉结构Michelson与Mach-Zehnder中，系统响应的频率分布范围主要由传感探头所决定，但传感探头经设计完成后不易调整。因此本申请图1和2提供的结构基于Sagnac干涉结构来设计，系统响应的频率分布范围与延迟光纤2的长度相关，因此只需合理设计延迟光纤2的长度，就能调节系统响应的频率分布范围匹配检测所需的频率分布范围。

因此基于上述考虑，延迟光纤2的长度与待检测电力设备7的检测位置的环境参数以及光纤超声传感探头的探头参数相关。在一个实施例中，待检测电力设备7的检测位置的环境参数包括检测位置处的绝缘介质的类型，不同类型的绝缘介质对应不同的局部放电信号的频率分布范围，不同类型的绝缘介质对应不同的局部放电信号的频率分布范围可以预先确定。所以延迟光纤2的长度与光纤超声传感探头1所在的环境参数对应的局部放电信号的频率分布范围的响应中心频率f_n相关。具体的，延迟光纤的长度L_delay为：

其中，k为比例系数，η与光纤超声传感探头1的探头参数相关。在一个实施例中，影响延迟光纤2的长度的探头参数包括光纤超声传感探头1的芯轴的弹性模量E、高度H和泊松比μ。具体的，

因此有

光纤超声传感探头1的探头参数除了影响系统响应的频率分布范围之外，还影响系统响应性能。具体的，输出的局部放电信号的最大幅值与光纤超声传感探头的芯轴11外部绕制的光纤12的长度L、芯轴的材料以及光纤超声传感探头1的尺寸相关。因此为了平衡系统响应的频率分布范围和响应性能，需要匹配设计光纤超声传感探头1的探头参数如下：

为了适应高电场环境，光纤超声传感探头1的芯轴一般采用具有较高泊松比和较低弹性模量的绝缘弹性材料。具体的，芯轴11的弹性模量E<4Gpa、泊松比μ>0.2。实际可以采用聚醚醚酮来制成芯轴11。且进一步可以采用声敏弹性材料制成芯轴11，进一步提高对超声波形式的局部放电信号的感知。光纤12采用弯曲不敏感光纤，在较大的弯曲半径下光传输损耗较小。

在一个实施例中，光纤12通过过胶方式绕制在芯轴11上，且光纤12和芯轴11之间还设置固化剂，固化剂用于加强局部放电信号的耦合并提升整个光纤超声传感探头1的机械强度。具体的，固化剂可以采用紫外胶实现，紫外胶经固化后将光纤12与芯轴11紧密连接，使得芯轴11所产生形变最大程度转化为光纤12的长度的变化。

芯轴11一般采用圆柱形结构，有利于光纤紧密绕制，芯轴11的下表面形状可以根据待检测电力设备7的检测位置的表面结构进行调整。在实际应用时，一般需要保证光纤超声传感探头1的芯轴11与检测位置之间的接触面积为芯轴11的底面积的80％以上，以提升超声波形式的局部放电信号的有效耦合。

芯轴11的半径R和高度H越大、芯轴11外部绕制的光纤12的长度L越长，系统响应性能越优。但绕制的光纤12的长度L过长也会增加光传输损耗。另外芯轴11的体积越大、使得光纤超声传感探头1的尺寸越大，又会影响系统响应性能。因此在一个实施例中，设计芯轴11的高度H在10mm～200mm范围内，芯轴11的半径R在50mm～200mm范围内，且保证满足

由此设计可以保证光纤超声传感探头1的单个体积不超过5cm³，且芯轴11外部绕制的光纤12的长度L在20m～100m范围内，光纤超声传感探头1的裸环插损低于0.5dB，整体插损低于3dB，以达到最优的使用效果。

基于上述实施例中的参数设计，当光纤超声传感探头1所在的检测位置处的绝缘介质为空气时，延迟光纤2的长度为1500m～2500m。当光纤超声传感探头1所在的检测位置处的绝缘介质为液体或固体时，延迟光纤2的长度为500m～1500m。

基于图1所示的结构，如图2所示，在实际应用时，该系统包括至少两条长度不同的延迟光纤2，当光纤超声传感探头设置在环境参数不同的检测位置处时，选用与环境参数对应长度的延迟光纤2。使得系统响应的频率分布范围可以根据实际检测需要动态调整，有效提升检测灵敏度。比如在图2中，延迟光纤a的长度为500m，延迟光纤b的长度为2000m，当光纤超声传感探头1置于待检测电力设备7内部的液体中时，选用延迟光纤a接入光路结构中。当光纤超声传感探头1置于待检测电力设备7外部的表面时，选用延迟光纤b接入光路结构中，从而该系统可以兼容不同场景的需要。

在一个实测仿真例中，在选用500m的延迟光纤a和选用2000m的延迟光纤b时的系统响应的频率分布范围的示意图如图3所示，可见不同长度的延迟光纤适应不同的系统响应的频率分布范围，且灵敏度最高可达-75dB re1V/μbar，高于常用PZT传感器5dB以上。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本申请的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种局部放电光学超声检测系统，其特征在于，所述局部放电光学超声检测系统包括光纤超声传感探头、延迟光纤、光纤耦合器、偏振控制器、光源和光电探测器，所述光纤超声传感探头包括芯轴及绕制在所述芯轴外部的光纤，所述芯轴由绝缘弹性材料制成；

所述光纤超声传感探头设置在待检测电力设备的检测位置处，所述光纤超声传感探头中的光纤的两端分别连接所述延迟光纤和所述偏振控制器，所述光源、光电探测器、延迟光纤和偏振控制器分别连接至所述光纤耦合器；所述延迟光纤的长度与所述待检测电力设备的检测位置的环境参数以及所述光纤超声传感探头的探头参数相关；

所述光源发出的光依次经过所述光纤耦合器、延迟光纤、光纤超声传感探头、偏振控制器和光纤耦合器至所述光电探测器形成第一路干涉光路，所述光源发出的光还依次经过所述光纤耦合器、偏振控制器、光纤超声传感探头、延迟光纤和光纤耦合器至光电探测器形成第二路干涉光路；

所述光电探测器对两路干涉光路进行解调输出所述待检测电力设备内部的局部放电信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括至少两条长度不同的所述延迟光纤，当所述光纤超声传感探头设置在环境参数不同的检测位置处时，选用与所述环境参数对应长度的延迟光纤。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述待检测电力设备的检测位置的环境参数包括所述检测位置处的绝缘介质的类型，不同类型的绝缘介质对应不同的局部放电信号的频率分布范围，所述延迟光纤的长度与所述光纤超声传感探头所在的环境参数对应的局部放电信号的频率分布范围的响应中心频率f_n相关。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，

所述待检测电力设备设置有所述光纤超声传感探头的检测位置位于所述待检测电力设备的表面，则所述检测位置处的绝缘介质为空气；

或者，所述待检测电力设备设置有所述光纤超声传感探头的检测位置位于所述待检测电力设备的内部，则所述检测位置处的绝缘介质为液体或固体。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述延迟光纤的长度L_delay为：

其中，k为比例系数，η与所述光纤超声传感探头的探头参数相关。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，影响所述延迟光纤的长度的探头参数包括所述光纤超声传感探头的芯轴的弹性模量E、高度H和泊松比μ。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述芯轴的弹性模量E<4Gpa、泊松比μ>0.2、高度H在10mm～200mm范围内。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，

当所述光纤超声传感探头所在的所述检测位置处的绝缘介质为空气时，所述延迟光纤的长度为1500m～2500m；

当所述光纤超声传感探头所在的所述检测位置处的绝缘介质为液体或固体时，所述延迟光纤的长度为500m～1500m。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，输出的所述局部放电信号的最大幅值与所述光纤超声传感探头的芯轴外部绕制的光纤的长度L、所述芯轴的材料以及所述光纤超声传感探头的尺寸相关。

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