CN209640220U - 一种基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统。该系统包括程控电源、激光器、第一光学透镜、光纤传感器、第二光学透镜、光学探测器、信号放大模块和数据采集装置，信号输入光纤与光学探头的输入端连接，信号输出光纤与光学探头的输出端连接，光学探头与待测变压器的油水相接触，激光器的电源端与程控电源连接，激光器的输出端发射出的激光束通过第一光学透镜进入信号输入光纤输入端，信号输出光纤将光学探头的反射光通过第二光学透镜进入光学探测器，光学探测器与信号放大模块输入端连接，信号放大模块的输出端与数据采集装置连接。本实用新型提供的变压器微水测量系统，能对大型油浸式变压器油中的水分含量进行动态实时的监测。

Description

一种基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统

技术领域

本实用新型涉及大型电力变压器绝缘特性研究技术领域，特别是涉及一种基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统。

背景技术

电力变压器对电网中电能传输的稳定传输及改变电网的电压等级起到重要作用，它是电网运行中的一个重要电力设备。电网的安全可靠的运行主要是由电力设备的安全运行决定的，而变压器是主要的电力设备之一，因此对如何提升变压器的安全可靠性以及使用寿命是至关重要的。

电力系统的大型变压器普遍采用的是变压器油作为绝缘和冷却的介质。和空气相比变压器油有很多优点，绝缘的强度高，可以给绝缘材料提供一个隔离空气的环境，减少裸露在空气中的腐蚀；变压器油的比热比空气大，其良好的散热性能可以把变压器铁芯和绕组的热量，通过油受热膨胀和空气的对流散发出去，保障变压器正常运行。但是，变压器绝缘油及绝缘纸板中的水分含量严重影响着变压器的安全与稳定运行，变压器中水分含量过高会导致变压器绝缘性能下降、纤维老化加速、水分蒸发的产生的气泡会使变压器局部击穿电压降低，因此水分含量的升高严重影响到变压器的正常使用年限。

变压器油中微水检测是近些年国内外研究的热点，发展很快。但至今还没有一种检测方法能非常准确地检测出变压器油中微水的含量。目前的检测方法主要分为离线和在线检测两个方向：传统的离线方法主要有蒸馏法、色谱法、卡尔-费休法、重量法等等；在线方法主要有介电常数法、神经网络检测法(专家诊断系统)、射频及红外方法等等。离线检测方法原理简单、准确度高，但是用时太长，不能实时的监测变压器油中水分的动态变化；在线检测虽然近年来发展较快，但还不成熟，易受周围环境的影响，其测量稳定性和准确度仍有待进一步提高。

发明内容

本实用新型提供一种基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统，不仅能够对大型油浸式变压器油中的水分含量进行动态实时的监测，而且操作简单，极大的提高了试验效率，具有较高的试验应用价值。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统，包括程控电源、激光器、第一光学透镜、光纤传感器、第二光学透镜、光学探测器、信号放大模块和数据采集装置，所述光纤传感器包括光学探头、信号输入光纤和信号输出光纤，所述信号输入光纤与所述光学探头的输入端相连接，所述信号输出光纤与所述光学探头的输出端相连接，所述光学探头置于待测变压器油中，所述激光器的电源端与所述程控电源相连接，所述激光器的光源输出端发射出的激光束通过所述第一光学透镜进入所述信号输入光纤的输入端，所述信号输出光纤将所述光学探头的反射光通过所述第二光学透镜进入所述光学探测器的输入端，所述光学探测器的输出端与所述信号放大模块的输入端相连接，所述信号放大模块的输出端与所述数据采集装置相连接。

可选的，所述信号输入光纤的输入端、激光器和第一光学透镜的中心位置位于同一水平轴线上，所述信号输出光纤的输出端、光学探测器和第二光学透镜的中心位置位于同一水平轴线上。

可选的，所述信号放大模块包括放大器和AD模块，所述AD模块的输入端与所述光学探测器的输出端相连接，所述AD模块的输出端与所述放大器的输入端相连接，所述放大器的输出端与所述数据采集装置的输入端相连接。

可选的，所述数据采集装置为示波器、计算机或笔记本电脑。

可选的，所述信号输入光纤和信号输出光纤外均包覆有护套。

可选的，所述护套选用的材料为乙烯-四氟乙烯共聚物。

可选的，所述光学探头的表面覆有惰性金属薄膜，所述光学探头采用的型号为TOP200-100。

可选的，所述激光器为脉冲高功率光纤激光器，所述脉冲高功率光纤激光器的最低窄脉宽为5ns。

可选的，所述第一光学透镜、第二光学透镜为双凸透镜，所述双凸透镜采用的型号为DCX0801，焦距为25.4mm。

可选的，所述信号输入光纤、信号输出光纤采用的型号均为OM3-300。

该技术与现有技术相比，具有如下有益效果：

本实用新型提供的一种基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统，激光器管芯发出强度为I₀的入射光经第一光学透镜耦合送入信号输入光纤的输入端，光信号通过信号输入光纤送入到光学探头内，因为光学探头在不同的介电常数的介质中，其集光能力不同。如果变压器油的微水发生变化，油的介电常数会发生变化，在油中的光学探头透光能力会发生变化，通过对置于变压器油中的光学探头透光能力变化情况的监测，可监测变压器油中微水含量的变化，此时光信号进入光学探头后发生反射，反射光进入信号输出光纤，反射光从信号输出光纤输出端经第二光学透镜耦合送入光学探测器，光信号经过光学探测器转换成电信号进入信号放大模块进行信号放大处理，最后由数据采集装置对放大信号进行采集并分析后得出变压器油中微水的含量。

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图说明

图1为本实用新型实施例基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供一种基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统，不仅能够对大型油浸式变压器油中的水分含量进行动态实时的监测，而且操作简单，极大的提高了试验效率，具有较高的试验应用价值。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型实施例基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统的结构示意图，如图1所示，一种基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统，包括程控电源1、激光器2、第一光学透镜3、光纤传感器、第二光学透镜7、光学探测器8、信号放大模块9和数据采集装置10，所述光纤传感器包括光学探头5、信号输入光纤4和信号输出光纤6，所述信号输入光纤4与所述光学探头5的输入端相连接，所述信号输出光纤6与所述光学探头5的输出端相连接，所述光学探头5置于待测变压器油中，所述激光器2的电源端与所述程控电源1相连接，所述程控电源1能够向激光器2提供所需的电压；所述激光器2的光源输出端发射出的激光束通过所述第一光学透镜3进入所述信号输入光纤4的输入端，所述信号输出光纤6将所述光学探头5的反射光通过所述第二光学透镜7进入所述光学探测器8的输入端，所述光学探测器8的输出端与所述信号放大模块9的输入端相连接，所述信号放大模块9 的输出端与所述数据采集装置10相连接。所述信号输入光纤4的输入端、激光器2和第一光学透镜3的中心位置位于同一水平轴线上，所述信号输出光纤6的输出端、光学探测器8和第二光学透镜7的中心位置位于同一水平轴线上。所述信号放大模块9包括放大器和AD模块，所述AD模块的输入端与所述光学探测器8的输出端相连接，所述AD模块的输出端与所述放大器的输入端相连接，所述放大器的输出端与所述数据采集装置10的输入端相连接。所述数据采集装置10为示波器、计算机或笔记本电脑。所述信号输入光纤4和信号输出光纤6外均包覆有护套。所述变压器微水含量测量系统还包括显示器，所述显示器与所述数据采集装置10相连接。所述激光器2 为脉冲高功率光纤激光器，具有模块式结构的特点，其核心器件为光纤耦合输出大功率激光器，满足可靠性要求，最低窄脉宽可以达到5ns，输出稳定可靠的光功率，可调节输出功率。信号放大模块9能够对光电探测器8获取的信号进行进一步的过滤和放大，再经过数据采集装置10进行处理，获取的变压器油中微水含量的检测结果更加精确，其通过显示器进行显示变压器油中微水含量的检测结果，方便管理人员进行查看和监测。本系统结构简单、操作方便、精确度高、实时分析能力强、现场检测效果好。所述第一光学透镜3、第二光学透镜7为双凸透镜，所述双凸透镜采用的型号为DCX0801，焦距为25.4mm，具体规格如下表1：

表1

所述信号输入光纤4和信号输出光纤6为分布式光纤，所述分布式光纤选用长飞50/125(OM3-300)耐高温型多模光纤作为测量和传感光纤，该光纤采用聚酰亚胺涂覆层，最高运行温度达150℃，满足变压器内部高温环境测量的要求。同时，分布式光纤的护套材料选用乙烯-四氟乙烯共聚物。乙烯- 四氟乙烯共聚物的机械性能和绝缘性能良好，可耐受120℃以上的高温而不发生性状的改变。OM3-300型分布式光纤的规格见下表2。

表2

所述光学探头5的表面覆有惰性金属薄膜，惰性金属为化学性质稳定的金属，例如金或银，检测速度快、检测效率高、精确度高。所述光学探头5 选用TOP 200-100光学探头，带多模光纤和光纤束连接器，一端和流体接触，一端连接电路，对两相流折射率敏感，界面折、反射的行为遵从菲涅耳定律。所述光学探测器8选择带有较大内增益的APD雪崩光电二极管，主要负责光电信号的转化，比普通PIN光电二极管具有更高的灵敏度，信噪比低，适合于入射光功率较小的探测系统。

基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统的控制方法，包含以下步骤：

A.当系统工作时，激光器2发出的强度为I0的入射光经第一光学透镜3 耦合送入信号输入光纤4传输；

B.光学探头5和待测的油水两相流相接触，入射光在界面的反射能量再经信号输出光纤6传输、第二光学透镜7耦合到光学探测器8的接收管上；

界面反射回来的光强度I_R在数值上等于：

I_R＝I₀·R

其中，R是界面上的反射率。根据菲涅尔定律，当入射角很小时，反射率可以简单表示为

其中，n₁和n₂分别为入射与出射方介质的折射率。

假定水的体积比为v，那么反射率R可写为：

R＝v·R_w+(1-v)·R_o

其中，R_w是水的反射率，R_o是油的反射率。则水的体积比v可以表达为：

根据油、水的密度，可以得出油中水的质量比：

其中，ρ_w和ρ_o分别是水和油的密度；

C.光学探测器8接收到反射回来的光信号，完成光电转化，将其送入信号放大模块9，接收到的能量为：

其中P_e是光源的辐射强度，Ω_e是光源固有发散角。S为光学探头表面辐射后反射区域，L是光学探头的长度，α_l、α_f、α_g分别是光学透镜、信号输入/输出光纤和光学探头的透过率。P是信号输入/输出光纤的耦合效率，R是光学探头和油水两相流之间的反射率。

D.信号放大器模块9接收到电信号，整形放大后输出给数据采集装置10 进行数据分析与处理，得到变压器油中微水的含量，油中水分测量试验结束。

与传统的电类和机械类传感器相比，光纤传感器自身具有独特的优点：①光纤相对体积小，重量轻，质软可以弯曲。因此利用光纤可制成外形各异、尺寸不同的各种光纤传感器。这有利于航空、航天以及狭窄空间的应用。②电绝缘性能高，抗电磁干扰、雷电等，耐高温、腐蚀。由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。③光纤元件既是探测元件又是传输元件，可以在光纤干线上连接许多光纤传感敏感单元组成大范围的遥感系统，进行分布式检测测量。④灵敏度高。可以利用很长的光纤束来增大敏感度。测量对象广泛。目前己有可以测量温度、压力、位移、速度、电流、电场、磁场等的光纤传感器在现场使用。⑤对被测介质影响小，此特点对于医药生物领域的应用非常有利。因此，利用光纤传感器检测变压器油中水分具有非常广阔的前景。本实用新型提出的一种基于分布式光纤传感的变压器微水含量测量系统及方法可对大型油浸式变压器油中的水分含量进行动态实时的监测，且操作简单，极大得提高了试验效率，具有较高的试验应用价值。

介质的折射率和介质的介电常数及磁导率有如下关系：光纤一旦做成，其介电常数ε1是不变的，可见把光纤放在不同的介电常数的介质中，由于ε2 不同，其数值孔径是不一样的，即光纤放在不同的介电常数的介质中，其集光能力不同。变压器绝缘油及绝缘纸板中的水分含量不同时，油的介电常数发生变化，如果在油中放入光学探头5，与光学探头5相连的光纤芯的数值孔径就发生变化，即透光能力发生变化，通过对光纤透光的监测，从而达到监测变压器油中水分含量的变化。信号输入光纤4和信号输出光纤6均为多模光纤，多模光纤一端是稳定的光源信号输入，另一端引出光信号。光纤在不同的介电常数的介质中，其集光能力不同。如果变压器油的介电常数发生变化，在油中的光学探头5透光能力会发生变化，通过对置于变压器油中的光学探头透光能力变化情况的监测，可监测变压器油中微水含量的变化。

由于光纤具有绝缘性好、体积小、信号容易引出等优点，引出完全可以用于变压器油微水含量的在线检测而对变压器的正常工作不产生影响。结构简单，光通量大，灵敏度高，易于测试。

所述激光器2是整个系统的动力源，具有极高的功率密度和量子效率，良好的调制性、稳定性及长寿命，能够发出稳定的激光脉冲；所述光学透镜能够将激光器发出的入射光信号汇聚射入分布式光纤中，满足试验对入射光光强的要求；所述分布式光纤传输损耗尽可能小，有效截面积大，功率密度小，不容易产生非线性效应，满足系统的信噪比要求；所述光学探头5一端和流体接触，一端连接电路，对两相流折射率敏感，界面折、反射的行为遵从菲涅耳定律；所述光学探测器8主要负责光电信号的转化，具有高灵敏度，低噪声等效功率的特点，适合微弱信号的检测；所述信号放大模块9完成对输入电信号的整形放大，具有较高的精确度。当系统工作时，光学探头5和待测的油水两相流相接触,激光器2发出的入射光能量经第一光学透镜3耦合给分布式光纤,界面的反射能量再经分布式光纤传输、第二光学透镜7耦合到光学探测器8的接收管上；光学探测器8接收到反射回来的光信号，完成光电转化后将其送入信号放大模块9中，最后由数据采集装置10采集数据信息得出变压器油中微水的含量监测，完成变压器油中水分测量试验。

本实用新型提供的一种基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统，激光器管芯发出强度为I₀的入射光经第一光学透镜耦合送入信号输入光纤的输入端，光信号通过信号输入光纤送入到光学探头内，因为光学探头在不同的介电常数的介质中，其集光能力不同。如果变压器油的微水发生变化，油的介电常数会发生变化，在油中的光学探头透光能力会发生变化，通过对置于变压器油中的光学探头透光能力变化情况的监测，可监测变压器油中微水含量的变化，此时光信号进入光学探头后发生反射，反射光进入信号输出光纤，反射光从信号输出光纤输出端经第二光学透镜耦合送入光学探测器，光信号经过光学探测器转换成电信号进入信号放大模块进行信号放大处理，最后由数据采集装置对放大信号进行采集并分析后得出变压器油中微水的含量。本实用新型提供一种基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统，不仅能够对大型油浸式变压器油中的水分含量进行动态实时的监测，而且操作简单，极大的提高了试验效率，具有较高的试验应用价值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统，其特征在于，包括程控电源、激光器、第一光学透镜、光纤传感器、第二光学透镜、光学探测器、信号放大模块和数据采集装置，所述光纤传感器包括光学探头、信号输入光纤和信号输出光纤，所述信号输入光纤与所述光学探头的输入端相连接，所述信号输出光纤与所述光学探头的输出端相连接，所述光学探头置于待测变压器油中，所述激光器的电源端与所述程控电源相连接，所述激光器的光源输出端发射出的激光束通过所述第一光学透镜进入所述信号输入光纤的输入端，所述信号输出光纤将所述光学探头的反射光通过所述第二光学透镜进入所述光学探测器的输入端，所述光学探测器的输出端与所述信号放大模块的输入端相连接，所述信号放大模块的输出端与所述数据采集装置相连接。

2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统，其特征在于，所述信号输入光纤的输入端、激光器和第一光学透镜的中心位置位于同一水平轴线上，所述信号输出光纤的输出端、光学探测器和第二光学透镜的中心位置位于同一水平轴线上。

3.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统，其特征在于，所述信号放大模块包括放大器和AD模块，所述AD模块的输入端与所述光学探测器的输出端相连接，所述AD模块的输出端与所述放大器的输入端相连接，所述放大器的输出端与所述数据采集装置的输入端相连接。

4.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统，其特征在于，所述数据采集装置为示波器、计算机或笔记本电脑。

5.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统，其特征在于，所述信号输入光纤和信号输出光纤外均包覆有护套。

6.根据权利要求5所述的基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统，其特征在于，所述护套选用的材料为乙烯-四氟乙烯共聚物。

7.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统，其特征在于，所述光学探头的表面覆有惰性金属薄膜，所述光学探头采用的型号为TOP 200-100。

8.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统，其特征在于，所述激光器为脉冲高功率光纤激光器，所述脉冲高功率光纤激光器的最低窄脉宽为5ns。

9.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统，其特征在于，所述第一光学透镜、第二光学透镜为双凸透镜，所述双凸透镜采用的型号为DCX0801，焦距为25.4mm。

10.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的变压器微水测量系统，其特征在于，所述信号输入光纤、信号输出光纤采用的型号均为OM3-300。