基于Michelson光纤干涉的GIS局部放电超声信号检测技术

传统的局部放电超声检测技术主要是使用PZT传感器进行检测,但其性能已难以满足电力设备局部放电超声检测需求。近年来,研究人员对光纤超声传感器开展了大量研究,但缺乏针对传感器检测下限的研究,且测试较少在真实GIS平台上开展。为此,基于Michelson干涉原理研制光纤超声传感系统,并研究芯轴尺寸对传感器性能的影响规律,搭建声发射传感器性能测试平台,探究光纤传感器对微弱超声信号的检测性能,优化传感单元设计方案。在此基础上,基于126 kV GIS开展干涉型光纤超声传感器局部放电检测性能测试。实验结果表明:所研制干涉式光纤超声传感系统可用于实际GIS设备局部放电超声信号检测,所研制的光纤超声传感器平均灵敏度为82.5dB(0dB=1V/(m×s-1)),比PZT传感器(R15a)高18.7dB。对于GIS壳体尖端放电,光纤超声传感器的局部放电检测电压比PZT低44%,可测放电量低37.2%。在相同超声信号激励下,光纤传感器最大响应幅值比PZT高552%。     

变压器局部放电光纤超声检测技术及新复用方法

传统的变压器局部放电声波检测技术主要是使用压电陶瓷传感器进行外置式检测,检测效果较差。光纤超声传感器具有绝缘性能好、抗电磁干扰性能优异、尺寸小等优势,可深入变压器内部感知微弱超声信号,这为变压器局部放电检测提供一种全新的解决方案。目前,国内外诸多研究机构已针对于变压器局部放电检测需求研制出各种光纤超声传感器。这些传感器在实验室研究中表现出优异的检测性能,但尚鲜有工程应用。此外,文献报道的光纤超声传感器主要为单点式结构。光纤超声传感器的多路复用问题一直未能得到很好的解决。为此,对现有光纤超声传感器的研究现状进行总结,从基本原理、结构参数、性能指标等方面进行对比分析,为推动光纤超声传感器应用于现场电力变压器局部放电检测提供理论参考。并针对于光纤超声传感器多路复用问题,提出一种基于光频域扫描干涉仪的分布式光纤超声传感系统,该系统能够对变压器局部放电产生的超声波进行多点同步检测,实现放电源定位。     

基于多传感器融合的电力变压器内部放电定位与辨识技术

针对电力设备状态监测中传感器信息融合的难题,应用油中溶解气体、特高频、光纤超声等监测传感器构建了适用于变压器的融合传感阵列,提出了变压器内部放电的辨识策略。采用超声信号到达时间差估算实现了放电源定位,建立了多传感器监测特征融合算法,并结合K邻近（K nearest neighbors,KNN）算法实现了放电模式辨识。实验结果表明：放电源定位平均误差为45.1 mm,放电类型辨识准确率达到90.6%;所构建的多传感器融合感知策略与系统,可实现变压器内部放电源的准确定位与辨识,具有一定的应用推广价值。     

基于波分时分复用技术的变压器局部放电光纤超声定位技术研究

相比于压电陶瓷,光纤布喇格光栅(fiber Bragg grating,FBG)对于变压器局部放电产生超声信号的检测灵敏度高、抗干扰性能好,然而,现有研究尚未考虑通过多点FBG复用以扩大FBG用于变压器局放检测范围的相关方法。为此,该文提出了一种基于波分时分复用技术的多点FBG变压器局放超声定位技术。通过波分复用技术,实现了FBG传感器位置的识别;通过时分复用技术,解决了仅靠单个FBG难以满足变压器内局放超声信号全范围检测的难题。本文建立了基于多点FBG超声传感系统的变压器油中局放检测试验平台,对不同FBG测点对油中局放超声信号的检测结果进行了对比,并基于多点FBG对变压器油中同一局放源进行了超声定位试验。试验结果表明:对于油中局放超声信号的检测,不同FBG测点的检测频带相近,传感器一致性好;多点FBG能够实现变压器油中局放超声信号的准分布式测量,且基于多点FBG的测量结果能够通过网格搜索算法实现局放源的定位。     

基于声电联合传感阵列的变压器局部放电诊断技术研究

该文提出了一种基于光纤超声-超高频联合感知的局部放电溯源和模式辨识方法。首先采用光纤超声传感器与特高频传感器融合,构成声电联合传感阵列。然后,简化到达时间差溯源定位算法,并比较了传统遍历空间搜索与萤火虫优化算法、混沌精英哈里斯鹰优化算法的优化效果,混沌精英哈里斯鹰优化算法计算效率提高98.24%,平均定位误差减小8.16%。通过方差精简PRPD谱图特征量,并结合精细KNN算法实现了局部放电的模式辨识。实验结果表明,溯源定位平均误差为36.1 mm,故障识别准确率达到88.10%。最后,试制了变压器局部放电声电联合智能感知系统,实现了对变压器局部放电源的精准定性和精确定位。     

基于EFPI光纤超声传感器的油中局部放电定位

非本征法布里帕罗干涉(extrinsic fabry-perot interferometric,EFPI)的光纤超声传感器灵敏度高,不受电磁干扰的影响,文中将其应用于油中局部放电定位。首先设计了2×2的EFPI超声传感器阵列,可放置在油中检测局放超声波信号;然后根据可控响应功率(steered response power,SRP)声源定位理论对局放源进行定位;最后应用SRP和多重信号分类(multiple signal classification, MUSIC)算法处理实验信号并进行对比。结果表明文中设计的EFPI传感器阵列能够在油中检测到信噪比较高的局部放电信号;SRP算法测向误差小于MUSIC算法,能够根据单次测量实现定位,但定位精度有待进一步提高。文中提出的方法对于EFPI光纤超声传感器在电气设备局部放电定位方面的实际应用具有参考意义。     

基于线型腔光纤激光器的变压器局部放电长距离检测技术EI北大核心CSCD

用于电力设备局部放电检测的传统光纤声波传感器,因受灵敏度、介质相融性、难以与解调系统空间分离等因素影响尚未广泛应用。线型腔光纤激光器(linear cavity fiber laser,LCFL)因具有超窄出射线宽而对高频应变具有极高的检测灵敏度,且其体积微小,敏感单元与解调系统相互独立,可有效解决传统光纤声波传感器所面临的上述问题。该文提出并研制基于线型腔光纤激光器技术的局部放电声波检测系统。为解决LCFL光源本征特性在局部放电长距离检测应用中引入的外部光反馈噪声问题,利用半导体激光器外部光反馈理论确定光隔离器的安装位置,使LCFL工作于外部光反馈系数A区(0~200.6m)对系统进行优化,将系统长距离条件下的平均噪声幅值降低了87.49%。在80kVA油浸式变压器绕组长距离传导光纤局部放电检测平台开展实验,结果表明:所研究的LCFL局部放电检测系统在最大超声衰减情况下可有效应用于局部放电长距离检测。在相同超声激励源下,LCFL系统平均最大响应幅值比压电陶瓷传感器(piezoelectric transducer,PZT)高1354%,且稳定性优于PZT。     

一种用于电力变压器局部放电在线监测的光纤传感器

描述了一种光纤声波传感器系统，这种传感器用于大型电力变压器中局部放电产生声波信号的在线监测。传感器采用融硅的共振腔和在融硅的玻璃管中形成囊状的单膜光纤来形成F—B干涉仪。干涉仪采用低相干性的光采进行干涉。实验结果表明研制的这种光纤声波传感器测量变压器油中传播的声波信号具有比较高的灵敏度和较宽的带宽。     

用于变压器中局部放电定位的十字形超声阵列传感器研究

局部放电是电力变压器绝缘劣化的主要原因,研究局部放电定位对提高电网的安全运行很有帮助。该文研制了一种用于电力变压器局部放电定位的复合传感器,并针对该传感器进行了定位仿真和实验。复合传感器由共形的13阵元十字形超声波传感器阵列和2×2阵元的超高频传感器阵列组成。应用高阶累积量处理技术对十字形超声阵列进行虚拟扩展,扩展后阵列具有61个阵元的阵列性能,提高了超声阵列的孔径和方向性锐度,这极大减少了后续硬件电路和成本。利用扩展超声阵列配合超高频阵列来仿真局部放电定位,结果表明扩展阵列具有很好的定位效果。在噪声背景下与多重信号分类(multiple signal classification,MUSIC)方法作了比较,结果表明高阶累积量处理技术能更好地抑制各种高斯色噪声的干扰。基于该十字形超声波阵列传感器进行了局部放电定位实验,结果表明扩展后的十字形超声阵列能精确地定位局部放电,定位的相对误差小于5%。对较少数目阵元的阵列实施虚拟扩展技术,为阵列技术在电力设备上的实用化提供了可能性。     

基于光纤Bragg光栅的局放检测技术

为研究光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)技术用于检测局部放电(简称局放)超声信号的灵敏度和抗干扰性能,在实验室搭建了基于FBG的局放检测系统,对自由微粒放电和悬浮放电2种类型的局放信号进行了检测,并将检测结果与基于压电陶瓷(piezoelectric,PZT)传感器的局放系统进行了对比。此外,针对变电站存在的振动干扰和强电磁干扰,对系统的抗干扰能力进行了对比实验研究。实验结果显示:对于25 p C的自由微粒放电及130 p C的悬浮放电,基于FBG的局放检测系统和传统PZT局放检测系统均可测得明显的信号,前者可以取得与后者接近相同的灵敏度;对于振动干扰的情况,FBG及PZT局放检测系统均会测得明显的干扰信号,但信号的形状完全不同;对于强电磁干扰的情况,PZT局放检测系统会受到明显的影响,但FBG局放检测系统则能完全避开强电磁干扰。综合各项实验结果可得,相较传统PZT局放检测系统,FBG局放检测系统的检测灵敏度几乎一致,但抗干扰性能较优。     

用于油中局部放电定位且可重复布置的超声阵列与超高频复合传感器设计

局部放电(PD)是电力变压器绝缘劣化的主要原因,对局部放电进行定位有助于加强电力系统的安全运行。为此,研制了一种用于变压器中局部放电定位的、可重复布置的复合传感器,并对它进行了实验研究。该传感器由13阵元的L形超声阵列与超高频电磁传感器共形地组成,应用高阶累积量处理技术对L形阵列进行扩展后可使之具有97个虚拟阵元的性能,提高了超声阵列的孔径和方向锐度。在局部放电实验平台上进行了定位实验,结果表明该复合传感器能很好地识别及定位单个或多个局部放电源,定位的平均相对误差分别为2.1%和5.1%。对较少阵元数的阵列实施虚拟扩展利于形成微型化复合传感器,为阵列技术在电力设备监测中的实用化奠定了基础。     

用于检测变压器局部放电的荧光光纤传感系统研制

基于局部放电产生光效应的物理现象和荧光光纤具有传感一定波长微光信号的特性,研制出一种检测局部放电信号的荧光光纤传感系统.阐述了荧光光纤检测局部放电光信号的原理,给出了传感器主要参数和系统组件,在实验室搭建的模拟变压器油中局部放电试验研究平台上,与超高频法的检测结果相比较表明,两种方法在检测油中针-板绝缘缺陷产生的局部放电时,得到的放电脉冲都集中在工频正负电压峰值附近,且在反映放电脉冲次数和放电发生相位上具有很好的一致性.超高频法检测局部放电信号大小主要反映脉冲幅值高低,即得到的是φ-u-n三维谱图;光测法检测局部放电信号大小主要反映脉冲能量大小,即得到的是φ-p-n三维谱图.由于荧光光纤传感器可方便埋设于变压器绕组绝缘中,对复杂绝缘结构内部的局部放电进行在线监测具有广泛的应用前景.     

变压器局部放电超声法检测中超声传感器的应用

随着超声检测技术在变压器局部放电检测系统中的广泛应用,如何选择一个适合应用的超声传感器成为一个亟待解决的问题。通过对目前国内外变压器局部放电检测系统中超声传感器的应用现状及适用条件,以及各种传感器的灵敏度及工作频带等的实验和对比分析,指出了各种超声传感器的应用特点并预测了变压器局部放电检测系统中超声传感器的发展方向。     

基于FBG的电缆XLPE绝缘局部放电检测研究

光纤布拉格光栅(fiber bragg grating,FBG)的波长编码特性适用于电力电缆中间接头局部放电的准分布式检测。但是电缆主绝缘材料交联聚乙烯(XLPE)的弹性模量很低,利用FBG检测其局部放电声信号还存在可行性及灵敏度等问题。以XLPE为研究对象,对比了XLPE中尖刺-气隙放电和油中针-板放电所产生的声信号强度,分析了FBG传感器检测XLPE中尖刺-气隙放电声信号的灵敏度及衰减特性。实验表明:XLPE中尖刺-气隙放电产生的声信号强度远小于油中针-板放电;FBG传感器可测得最小300 pC的放电信号;XLPE中声信号衰减严重,FBG传感器测得的局部放电声信号幅值符合一阶指数衰减规律,衰减系数为0.07 Np/mm。     

FP型传感器局放声测系统的仿真研究

为在线测量变压器油中局部放电产生的超声波,建立了非本征型光纤法珀(FP)传感系统,传感器的传感单元FP腔由石英膜和尾纤端面组成,声波作用于石英膜上产生振动调制入射光波,通过解调含有局放信息的输出信号,可对变压器运行状态进行在线检测。针对FP传感器加工工艺要求高且工业上难以实现的问题,建立了光纤光栅解调系统,该系统具有全介质结构和抗电磁干扰特性。系统仿真和计算结果表明,增加石英膜半径和FP腔的端面反射率,可提高系统灵敏度;通过选择合适的FBG,可得到理想的系统传递函数。     

基于L型阵列传感器的局放超声定位实验研究

电气设备局部放电超声阵列定位方法是将超声阵列传感器与阵列信号处理技术应用于局部放电超声定位的一种新方法,具有较高的可靠性,能准确实现局放源的空间定位。实验设计研制了超声阵列传感器阵元与阵列传感器装配体,组合得到L型超声阵列传感器,并搭建了一套局放超声定位系统。结合现有的局放超声阵列定位方法,开展了大量的单、双局放源的定位实验研究。结果表明,L型阵列传感器可有效实现对局放超声信号的检测及局放源的空间定位,满足工程需要。     

基于复合阵列传感器的应用射线追迹反推变压器中局部放电源

研制了将25阵元十字型超声阵列和2×2阵元特高频阵列共同构成复合阵列传感器。研究了适用于复合阵列传感器的定位算法。将特高频阵列虚拟扩展为13阵元,超声阵列虚拟扩展为193阵元。利用扩展的特高频阵列由双边相关变换算法来预估局部放电源的方位,根据预估结果再对扩展的超声阵列使用旋转信号子空间算法进行精确定向。为了提高单一阵列在局部放电定位中定向成功率和精度,以特高频信号为例,利用基于几何光学与一致性几何绕射理论的射线追迹法研究了对局部放电辐射电磁波轨迹的反演。在变压器模型中的局部放电定位试验表明,基于复合阵列传感器的定位算法对局部放电产生的宽带信号有良好的适应性,以及对局部放电辐射电磁波的追迹反演使定位精确度与成功率均远大于单一阵列的结果,发挥了特高频阵列灵敏度高而超声阵列定向精确度高的优点。     

光纤传感技术在变压器状态检测中的应用研究

实现对变压器等电力系统关键设备的状态检测,迫切需要适合强电场环境的各种在线监测技术。简要介绍近年来兴起的相关光纤传感技术进展,重点描述适于变压器油温、绕组温度在线监测的光纤光栅温度传感系统;用于局放检测的光纤超声传感器;用于变压器油溶解性气体分析的光纤多种气体监测技术。最后给出了基于全光纤传感技术的变压器状态监测方案。     

光纤传感技术在变压器状态检测中的应用研究

实现对变压器等电力系统关键设备的状态检测,迫切需要适合强电场环境的各种在线监测技术.简要介绍近年来兴起的相关光纤传感技术进展,重点描述适于变压器油温、绕组温度在线监测的光纤光栅温度传感系统;用于局放检测的光纤超声传感器;用于变压器油溶解性气体分析的光纤多种气体监测技术.最后给出了基于全光纤传感技术的变压器状态监测方案.     

大型变压器局部放电多目标定位实验

为了解决大型变压器内部局部放电源难以准确定位的问题,进行了以变压器内部同时存在多个放电源的定位为对象,通过传感器阵列接收放电源辐射的超声波信号,应用阵列信号处理技术中的空间谱估计理论,分析阵列传感器所接收信号的特征信息,实现局部放电的多目标定位的研究。研制了4阵元均匀等间隔线阵,建立了局部放电定位实验系统,针对单放电源和二个放电源的不同情况,对放电源空间位置进行了定位模拟实验。实验结果表明,该法具有良好的定位准确度,能有效地估计出变压器内多个放电点的空间位置,可实现电力变压器内部多局部放电源的定位,为变压器内多局放源的定位建立了实验研究基础。