CN206892256U - 基于激光干涉的内植式高压电缆局部放电二维超声传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于激光干涉的内植式高压电缆局部放电二维超声传感器，其包括金属螺母、内植螺纹陶瓷绝缘管、设于内植螺纹陶瓷绝缘管内的传感探头以及与传感探头连接的3dB光纤耦合器；3dB光纤耦合器分别连接激光光源、传感探头和两个光电管，传感探头包括外钢桶、内衬钢桶、陶瓷芯、谐振石英膜片以及陶瓷芯固定件；裸芯悬针插入陶瓷芯并与之胶接；反射回的光信号经过3dB光纤耦合器后，一路经另一个莫尔透射光栅进入第一光电管，被该光栅反射部分进入第二光电管。本实用新型成本低廉，便于对高压电缆局部放电故障点定位，可以方便实现对高压电缆局部放电的带电检测。

Description

基于激光干涉的内植式高压电缆局部放电二维超声传感器

技术领域

本实用新型公开了基于激光干涉的内植式高压电缆局部放电二维超声传感器，是一种可广泛用于高压电缆及变压器局部放电测量的带电检测系统。

背景技术

随着高速铁路迅猛发展，电力电缆在高铁建设中得到越来越多的应用，其安全稳定运行关系重大。对电缆的局部放电带电检测是获知电缆运行状态的重要方法。当前研究表明，对于局部放电的检测是以伴随局部放电产生的电、光、声、磁等现象为依据，判断局部放声波检测法应用最为广泛。在局放检测中，超声波检测法无法避免多方向的电磁干扰以及其灵敏度不够、探测距离受限等难题。内置点式高压电缆局部放电是一个新的探索领域。

当前监测局放的方法及特点

1、脉冲电流法

早期用脉冲电流法探测低频信号，但是干扰影响大，而电缆局部放电信号微弱，波形复杂多变，极易被背景噪声和外界电磁干扰噪声淹没。近年来国内外研究避开低频干扰的甚高频(VHF)和超高频(UHF)脉冲电流传感器，但是由于局放在高频率段的信号极微弱，现有的抗干扰和微弱信号提取技术遇到瓶颈，在测量电缆局部放电中表现不稳定，同时也存在安装不便等问题。

2、直接探测可见光法

由于电缆是密闭的固体结构，局部放电的位置又具有不可预知性，所以检测电缆中的局放可见光是极其困难的。

3、电磁效应法

在实际运行现场，从电缆的接地线及空中各个方向串扰过来的电磁信号，会给后续信号的提取与辨别带来很大困难，这就遇到了与脉冲电流法类似的困难。

4、光纤光栅法

外界应力或者温度的改变会导致传感光栅的改变，光纤光栅的解调技术是关键。对于电缆局部放电产生的高频超声振动信号，在现有压电陶瓷响应速度较慢的情况下，光纤光栅法并不适用。

5、非本征光纤法珀传感方法

非本征光纤法珀传感器具有结构简单，灵敏度高，响应时间快，传输路径单一等优点，因而成为目前光纤传感技术的研究热点。非本征光纤法珀传感器作为另一种检测局部放电的超声传感器，在检测局部放电方面取得了一定成果。国外方面，美国弗尼吉亚大学Wang 及其课题组曾用规格为直径 2.5mm 厚度 125um 的石英膜做传感耦合元件，法珀腔体长 15.6um 的结构制作传感器，经测试灵敏度可达到3.6nm/kPa，Deng 等人在此基础上进一步研究，用规格为 20um 厚、直径为955um 的石英膜片作光学平板，腔长为 0.66um 的法珀传感器作为测量终端，在采用针式放电源的前提下，成功检测了声发射距离与放电信号幅值的关系。来自伦敦大学的 Beard 曾利用聚酯薄膜的弹性效应来感应声波信号，以此为据设计出带宽为 25MHz、灵敏度为 25mV/MPa 的新型法珀传感器。但是这种方法依然存在对高压电缆故障点定位困难的问题。

以上几种方法都存在设备昂贵、操作复杂、精度不高、故障点定位困难等问题。因此，迫切需要一种新型的检测设备来满足目前的要求。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种成本低廉、安装过程简单、便于故障点定位的基于激光干涉的内植式高压电缆局部放电二维超声传感器，以解决现有高压电缆局部放电检测中设备昂贵、操作复杂、精度不高、故障点定位困难、受环境影响大等方面的不足。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种基于激光干涉的内植式高压电缆局部放电二维超声传感器，其关键技术在于：其包括电缆接头的金属螺母、与金属螺母的端面接触的内植螺纹陶瓷绝缘管、设于内植螺纹陶瓷绝缘管内的传感探头以及与传感探头通过最长的尾纤端连接的3dB光纤耦合器；

所述3dB光纤耦合器的另外三支短尾纤中，其中一支短尾纤与DFB激光光源以ST连接器相连接，另一支短尾纤经过莫尔透射光栅与第一光电管相连，第三支短尾纤直接与第二光电管相连接；所述第一光电管和第二光电管的信号经双通道数据采集处理模块采集并转换成数字信号作相除运算后输入至计算机；所述3dB光纤耦合器最长的尾纤端插入传感探头，所述最长的尾纤端的涂覆层与传感探头相胶接；

所述传感探头包括外钢桶、设于外钢桶内部的内衬钢桶、设于内衬钢桶内的陶瓷芯、设于外钢桶底部的带反射层的谐振石英膜片以及与陶瓷芯相接的陶瓷芯固定件；所述内衬钢桶将谐振石英膜片顶住；

所述最长的尾纤端剥去涂覆层后形成的刻有第二莫尔透射光栅的单模光纤裸芯悬针插入陶瓷芯并与之胶接，所述单模光纤裸芯悬针穿出陶瓷芯。

优选的，所述外钢桶与内衬钢桶之间采用冷压胶粘相连；所述最长的尾纤端的涂覆层与传感探头相胶接；所述陶瓷芯与陶瓷芯固定件冷压相接。

优选的，带有莫尔透射光栅的最长的尾纤端的单模光纤裸芯悬针插入陶瓷芯并与之胶接。

所述单模光纤裸芯悬针靠近光源的方向一侧刻有莫尔透射光栅。

优选的，单模光纤裸芯悬针穿出陶瓷芯后的外露长度为0.5—1.5mm。

优选的，所述内衬钢桶将谐振石英膜片顶在外钢桶的底部。

优选的，所述谐振石英膜片厚度为80—100um，直径为2.5mm。

优选的，所述陶瓷芯插入内衬钢桶并与之冷压胶接。

优选的，电缆接头的金属螺母与内植螺纹陶瓷绝缘管端面紧密接触并用环氧树脂高温高压浇铸在一起，传感探头借助陶瓷螺母固定在内植螺纹陶瓷绝缘管之中。

采用上述技术方案产生的有益效果在于：

本实用新型中所测目标电缆的铜（铝）芯在外皮包裹下形成对于超声波的声波导，超声波传播距离较远，便于进行远端测量；

在原有流行的Fibry- perot干涉腔基础上，增加的悬壁裸纤芯可以同时测量局部放电产生的超声波的纵波和横波，通过不同波速的纵横波信号到达的时间差可以对故障点进行准确定位。

在悬壁裸纤芯靠近光源的一侧刻有莫尔透射光栅，在传感头处将激光分为干涉信号光和未干涉的参考信号光，同时在接收端同样将反射回的信号光用同样的光栅分离开。干涉信号光和未干涉的参考信号光相除，既可以消除由光源波动、连接件及耦合器等带来的外来干扰，增加传感器精度，又可以接收到悬壁裸纤芯测得的横波调制信号。

与现有的间接测温技术相比，本实用新型成本低廉、安装过程简单、便于对高压电缆局部放电故障点定位，提高高压电缆局部放电测量的准确性和精确度。

附图说明

图1为本实用新型的内置结构示意图；

图2为本实用新型单模光纤与一分二3dB光纤耦合器和传感探头的连接示意图；

图3是传感探头的结构示意图；

其中，1、金属螺母；2、环氧树脂；3、内植螺纹陶瓷绝缘管；4、陶瓷螺母；5、传感探头；6、DFB激光光源；7、3dB光纤耦合器；8、第一莫尔透射光栅；9、第一光电管；10、第二光电管；11、双通道数据采集处理模块、12、计算机；13、光纤涂覆层；14、陶瓷芯固定件；15、外钢桶；16、内衬钢桶：17、陶瓷芯：18、单模光纤裸芯悬针：19、谐振石英膜片：20、反射层；21、第二莫尔透射光栅。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

如图1、图2和图3所示，本实用新型包括电缆接头的金属螺母1、环氧树脂2、与金属螺母1的端面接触的内植螺纹陶瓷绝缘管3和陶瓷螺母4、设于内植螺纹陶瓷绝缘管3内的传感头5、宽带DFB激光光源6、与传感探头5通过最长的尾纤端连接的3dB光纤藕合器7、第一莫尔透射光栅8、第一光电倍9和第二光电管10、双通道数据采集处理模块11、计算机12、传感探头5、光纤涂覆层13、单模光纤裸芯悬针18和第二莫尔透射光栅21。其中，所述3dB光纤耦合器7的另外三支短尾纤，其中一支短尾纤与DFB激光光源6以ST连接器相连接，另一支短尾纤经过莫尔透射光栅与第一光电管9相连，第三支短尾纤直接与第二光电管10相连接。所述第一光电管9和第二光电管10的信号经双通道数据采集处理模块11（该双通道数据采集处理模块可采用型号为NI 9223的产品）采集并转换成数字信号作相除运算后输入至计算机（相除运算可采用常用的除法运算器或模块完成）；所述3dB光纤耦合器7最长的尾纤端插入传感探头5，并且最长的尾纤端的涂覆层13与传感探头5相胶接。所述传感探头5包括外钢桶15、设于外钢桶15内部的内衬钢桶16、设于内衬钢桶16内的陶瓷芯17、设于外钢桶15底部的带反射层20的谐振石英膜片19以及与陶瓷芯17相接的陶瓷芯固定件14；所述内衬钢桶16将谐振石英膜片19顶住；谐振石英膜片20置于外钢桶15的底部，外钢桶15与内衬钢桶16之间采用冷压胶粘相连。陶瓷芯17与陶瓷芯固定件14冷压相接，陶瓷芯17插入内衬钢桶16并与之冷压胶接。在光谱仪监测下将剥去涂覆层13的最长的尾纤端的带有莫尔透射光栅21的单模光纤裸芯悬针18插入陶瓷芯17并与之胶接。

如图1所示，传感探头的内植方式为：

将电缆接头的金属螺母1与内植螺纹陶瓷绝缘管3端面紧密接触并用环氧树脂2高温高压浇铸在一起，然后，再用陶瓷螺母4将传感探头5固定在内植螺纹陶瓷绝缘管3之中。

所述单模光纤裸芯悬针18穿出陶瓷芯17后的外露长度为0.5～1.5mm。所述内衬钢桶16将谐振石英膜片19顶在外钢桶15的底部。所述谐振石英膜片19厚度为80～100um，直径为2.5mm。

在光电模块的调制下， DFB激光光源发出线偏振激光。从光源发射出的线偏振激光经过3dB光纤耦合器，沿着光纤传入传感探头，一部分在第一莫尔透射光栅8处反射回去，一部分透过第一莫尔透射光栅8的入射光在光纤纤芯-气体交界面上发生第1次Fresnel反射，一部分光反射回光纤，其余的入射光进入腔体，经过反射膜反射后，再进入光纤。在耦合器处发生干涉，得到的光强为

当传感探头接收到纵波信号时，石英膜产生的振动调制两束反射激光的相位，使干涉光强发生变化，通过干涉光强的波动可测出纵超声波振动。

当传感探头接收到横波超声振动信号，单模光纤裸芯悬针18会发生摆动，反射层20反射回来的激光，耦合进入光纤的光强就会减小。从而感知到横波超声振动。

超声波在金属线波导中的纵横波速不同，纵波波速大于横波波速，已知超声波在确定金属中的波速，就可以根据传感器接收到的纵横波两次振动的时间间隔计算出局放点的精确位置。

在单模光纤悬壁纤芯18靠近光源的一侧刻有第二莫尔透射光栅21，把在传感头处将激光分为干涉信号光和未干涉的参考信号光，同时在接收端同样将反射回的信号光用同样的第一莫尔透射光栅8分离开。干涉信号光和未干涉的参考信号光相除，既可以消除由光源波动、连接件及耦合器等带来的外来干扰，增加传感器精度，又可以接收到模光纤悬壁纤芯18测得的横波调制信号。

本实用新型结构简单，成本低廉，便于对高压电缆局部放电故障点定位，可以方便实现对高压电缆局部放电的带电检测。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型创造。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型创造的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型创造将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于激光干涉的内植式高压电缆局部放电二维超声传感器，其特征在于：其包括电缆接头的金属螺母（1）、与金属螺母（1）的端面接触的内植螺纹陶瓷绝缘管（3）、设于内植螺纹陶瓷绝缘管（3）内的传感探头（5）以及与传感探头（5）通过最长的尾纤端连接的3dB光纤耦合器（7）；

所述3dB光纤耦合器（7）的另外三支短尾纤中，其中一支短尾纤与DFB激光光源（6）以ST连接器相连接，另一支短尾纤经过莫尔透射光栅与第一光电管（8）相连，第三支短尾纤直接与第二光电管（10）相连接；所述第一光电管（9）和第二光电管（10）的信号经双通道数据采集处理模块（11）采集并转换成数字信号作相除运算后输入至计算机；所述3dB光纤耦合器（7）最长的尾纤端插入传感探头（5），所述最长的尾纤端的涂覆层（13）与传感探头（5）相胶接；

所述传感探头（5）包括外钢桶（15）、设于外钢桶（15）内部的内衬钢桶（16）、设于内衬钢桶（16）内的陶瓷芯（17）、设于外钢桶（15）底部的带反射层（20）的谐振石英膜片（19）以及与陶瓷芯（17）相接的陶瓷芯固定件（14）；所述内衬钢桶（16）将谐振石英膜片（19）顶住；

所述最长的尾纤端剥去涂覆层（13）后形成的刻有第二莫尔透射光栅（21）的单模光纤裸芯悬针（18）插入陶瓷芯（17）并与之胶接，所述单模光纤裸芯悬针（18）穿出陶瓷芯（17）。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉的内植式高压电缆局部放电二维超声传感器，其特征在于：所述外钢桶（15）与内衬钢桶（16）之间采用冷压胶粘相连；所述最长的尾纤端的涂覆层（13）与传感探头（5）相胶接；所述陶瓷芯（17）与陶瓷芯固定件（14）冷压相接。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉的内植式高压电缆局部放电二维超声传感器，其特征在于：所述单模光纤裸芯悬针（18）靠近光源（6）的方向一侧刻有莫尔透射光栅（21）。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉的内植式高压电缆局部放电二维超声传感器，其特征在于：所述单模光纤裸芯悬针（18）穿出陶瓷芯（17）后的外露长度为0.5—1.5mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉的内植式高压电缆局部放电二维超声传感器，其特征在于：所述内衬钢桶（16）将谐振石英膜片（19）顶在外钢桶（15）的底部。

6.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉的内植式高压电缆局部放电二维超声传感器，其特征在于：所述谐振石英膜片（19）厚度为80—100um，直径为2.5mm。

7.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉的内植式高压电缆局部放电二维超声传感器，其特征在于：所述陶瓷芯（17）插入内衬钢桶（16）并与之冷压胶接。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于激光干涉的内植式高压电缆局部放电二维超声传感器，其特征在于：电缆接头的金属螺母（1）与内植螺纹陶瓷绝缘管（3）端面紧密接触并用环氧树脂（2）高温高压浇铸在一起，传感探头（5）借助陶瓷螺母（4）固定在内植螺纹陶瓷绝缘管（3）之中。