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。     

用于液体介质中局放声测的非本征光纤法珀传感器

用膜片与光纤尾纤端面构成非本征光纤法珀传感器,测量液体介质中局部放电产生的声波,所组成系统具有全介质结构和抗电磁干扰能力。采用尾纤分别与石英膜和微电子机械系统(micro electronic mechanical systems,MEMS)工艺获得硅膜制成传感器,根据理论分析和计算机仿真结果建立确定传感器参数的方法。应用压电超声传感器与两种膜片的光纤传感器共同测量局放产生的声发射信号。实验结果表明,硅膜结构的非本征光纤法珀传感器最小可测放电量达到了150 pC,实验同时验证了法珀腔长工作点对测量灵敏度的影响。     

基于光纤迈克尔逊干涉仪的GIS内置局部放电超声传感技术

气体绝缘开关设备(gas insulation switchgear, GIS)局部放电超声传感器主要采用外置安装方法。受制于GIS设备内部的复杂结构和SF6气体的强声波吸收率,局部放电产生的超声波信号传达至GIS外壳时往往非常微弱,传统的压电传感器灵敏度难以满足对局部放电微弱声波信号的检测需求。因此,基于光纤传感器的全绝缘和抗电磁干扰特性,提出了一种内置型迈克尔逊超声传感技术,设置仿真和试验研究光纤对于GIS内部电场分布的影响。分析光纤环的尺寸对超声信号检测灵敏度的影响,搭建平台测试光纤超声传感器的频响特性和抗干扰性能。在此基础上,搭建了GIS局部放电检测试验平台开展局部放电检测试验。结果表明：内置式迈克尔逊超声传感光纤环布置在GIS局部放电模型附近后可以检测到8.8 pC的尖端放电、15.3 pC的自由颗粒放电和53.5 pC的沿面放电,且相同放电量下压电传感器未测得有效信号。     

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。     

一种新的电力变压器超声局部放电定位方法研究

近年来研究者已采用多种基于超声法的定位算法来确定电力变压器内局部放电源的位置,但多数方法会忽视超声信号复杂的传播路径对局放源定位的影响,造成较大误差。本文首先分析了由局放产生的声波信号在变压器内复杂的传播过程,尤其是超声信号穿过变压器外壳后被传感器接收过程中的波形转换现象。然后根据实际变压器尺寸建立了变压器模型,该模型中任意一个节点可代表一个局放源的潜在位置。在建立的模型基础上,提出了优化传播路径搜索算法,该算法可还原声波的传播过程并计算出从潜在局放点到传感器位置间的最快路径,进而实现局放源的精确定位。最后在35 kV变压器实验平台上进行了局放定位实验,结果优化传播路径算法的平均定位误差为18.3 cm,验证了该算法的可行性与精确度。     

光纤振动传感器的信号检测电路设计

基于干涉仪的相位调制型光纤传感器具有极高的灵敏度,其中探测微弱光信号的光电信号检测电路起着重要的作用。针对光纤振动传感器系统,分析了PIN光电二极管前放电路和典型跨阻抗PIN-FET的组件电路,为减小前放I/V变换电路中跨阻阻值很大而带来的热噪声,设计了T型电阻网络。利用结构简单、性价比高的PIN光电二极管的前放检测和滤波器电路,对Sagnac干涉仪的输出的光信号进行了检测。实验表明该电路有效地降低了输出光电流噪声的均方值,其性能可靠,完全满足振动传感器的实际应用的测量要求。     

基于有源光纤光栅阵列的局部放电声发射检测与定位技术EI北大核心CSCD

针对现有光纤超声传感器复用系统光路繁琐、传感器无法实现多点同步测量等不足,该文提出一种基于有源光纤光栅(fiber bragg grating,FBG)阵列的局放声发射传感检测方法。通过抑制系统的弛豫振荡噪声、引入不平衡干涉仪和声光调制器将微小波长变化的检测转化为相位变化进行解调,使系统检测灵敏度明显提高;理论推导并验证非平衡干涉仪臂长差优化设置方案,使光纤超声传感阵列各传感元检测下限比压电陶瓷换能器(piezoelectric transducer,PZT)低17.1%~19.7%。在此基础上,开展变压器油中局部放电检测与定位实验。实验表明:在1000mm×1000mm×1100mm的油箱内定位精度小于40mm;对于变压器油中悬浮放电模型,有源FBG的局部放电检测起始电压比PZT低22.2%,可测放电量低24.0%。结果可为变压器油中局部放电提供一种高灵敏度的检测与定位方法。     

变压器绕组内部局放超声定位仿真及试验研究

应用有限元方法对变压器绕组内超声信号进行仿真,验证了在变压器绕组内布置多个超声传感器进行检测和定位的方案。设计了一种新型结构的EFPI光纤传感器,可适用于变压器绕组内部的局放检测和定位。最后在35 kV变压器单相绕组中进行了传感器布置和局放定位试验。结果表明:该方法对变压器绕组中局放的定位精度在5 cm以内,实现了变压器绕组内部局部放电的精确定位,为变压器绕组内部局放信号的检测和定位提供了一种新的方法。     

基于光纤光栅传感器的变压器测温系统设计

阐述了基于光纤光栅传感器的变压器测温系统的工作原理和硬件、软件的设计过程.Bragg光栅的中心波长是温度的线性函数,由FBG-T-01光纤传感器通过波分复用原理构成光纤传感器阵列作为测温元件,运用可调谐发布里—珀罗腔(F-P)滤波解调法对波分复用的光信号进行波长的检测.为了能够及时发现变压器绕组温度异常问题,设计的变压器测温系统同时将测点温度和测点温升速率作为判据来判断变压器绕组温度是否正常.测试结果表明,光纤光栅测温系统精度高,稳定性好,能够很好完成变压器测温任务.     

变压器局放检测光纤超声传感器优化设计与分析

光纤超声传感器凭借抗干扰能力强、灵敏度高等优点有望成为变压器局部放电在线监测的有效手段。简述了光纤超声传感器膜片和腔体设计的基本原理,从灵敏度和响应频率入手,分析了多种因素对灵敏度和响应频率的影响,并对传感器进行了优化设计最后在变压器本体上进行了局部放电检测试。结果表明,只要传感器安装位置合理,布置多个传感器就可以有效检测到变压器内部由局部放电产生的超声信号。     

Evaluation of methods for discrimination of energized underground power cables

The maintenance and repair of underground cable power networks often requires the discrimination of energized cables among a group of unenergized ones. Presently, an invasive detection method is performed which requires utility personnel to puncture the protective cable shielding, creating a potentially hazardous situation. This paper presents a noninvasive approach for energized cable detection based on the electrically induced acoustic waves inside of the cable. The influence of background electric fields on the performance of this approach is studied. In addition, the use of a fiber optic acoustic sensor would significantly increase the safety of the detection procedure, borrowing on the intrinsic electrically insulating properties of optical fibers (i.e. dielectric, immunity to electromagnetic interference, etc.). Feasibility studies and preliminary experiments were performed using a fiber Fabry-Pérot interferometric acoustic sensor. The performance of the fiber optic sensor is compared with that of a piezoelectric accelerometer. A detailed analysis of the test results is included. Recommendations are given for correct interpretation of test results based on the specifics of a power system and sensor type.     

Acousto-optical PD detection for transformers

Partial discharge (PD) is one of the factors that could lead to failure of power transformers, leading to power outage and expensive repairs. The acoustic wave induced by PD can be measured and used for monitoring, diagnosing, and locating potential failures in the transformers. Fiber optic sensors have been shown to be attractive devices for PD detection because of a number of inherent advantages including small size, high sensitivity, electrical nonconductivity, and immunity to electromagnetic interference. A fiber optic sensor based on a Fabry-Perot interferometry is constructed by a simple micromachining process compatible with microelectromechanical system technology. The sensors are used in a transformer to measure PD acoustic waves. The experimental results show the sensor not only has an inherent high signal to noise capability, but is able to accurately localize the PD sources inside the transformer.     

A Set of Fiber Optics Experiments

A set of ten experiments designed to introduce undergraduate electrical engineering students to the area of fiber optics is described. The projects include measurement of pertinent parameters of optical fibers, sources, and detectors (the major components of fiber optic systems), the construction of a simple fiber optic communication link, the use of an optical fiber as a sensor of acoustic waves, and the making of a holographic optical element to serve as a fiber coupler. Although the experiments are expressly designed for a project-type laboratory, they are also suitable for other situations such as classroom demonstrations.     

光纤温度传感器在电力系统中的应用现状综述

首先介绍了光纤温度传感器的优点及发展现状,并重点介绍了应用最为广泛的分布式光纤温度传感器与光纤光栅温度传感器的基本原理。概述了当前光纤温度传感器在电力系统中基本的应用模式,并综述了光纤温度传感器对电力系统主要设备进行温度监测的现状与意义。针对光纤温度传感器在电力系统中应用存在的问题与不足,提出了相应的解决方案并对其前景进行了展望。     

高压开关柜在线监测系统中光纤传感器的应用研究

光纤温度传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、小型化、重量轻等特点,它为高压电气设备温度监测研究提供了新思路。以KYN28-12(Z)型开关柜为研究对象,对高压开关柜内部温度和电磁环境进行了分析,论证了光纤温度传感器在高压开关柜温度检测系统中的最佳放置位置和通信传输可行性。     

关于遮光式光纤温度传感器探头一致性的研究

探究了一种应用于消防温度探测的光纤温度传感器探头一致性的工艺改良方案。相对于传统温度测量方法,遮光式光纤温度传感器具有更广泛的使用前景,成本低廉、测温结果可靠。经过改良后的光纤温度传感探头制作工艺将显著提高传感探头的一致性,利于遮光式光强度调制型温度传感器的大规模系统组装,使得其应用前景得到了拓展。     

空芯光纤多模干涉型温度传感器

提出了一种基于空芯光纤中多模干涉效应的光纤温度传感器,传感器由一小段内径为5μm、长度为20 mm空芯光纤两端与单模光纤熔接构成单模-空芯-单模(SMF-HCF-SMF)三段式结构。使用宽带光源照射该传感结构,通过监测传感器的透射光谱,利用传感器的多模干涉特征峰值波长对温度的敏感性实现温度监测。在30℃~80℃范围内行了升温实验,得到了线性良好、灵敏度为24.3 pm/℃的温度传感特性。该传感器结构紧促、制作简便、可靠性高。     

新型光电式电压互感器研究

本文提出一种应用于500KV的光电式电压互感器。该互感器基于石英晶体的逆压电效应。高压经圆筒电容器分压后加到圆柱状的石英晶体上,晶体的压电形变被缠绕在晶体圆柱表面上的椭圆芯双模光纤传感,由低相干干涉仪对光纤中传播的两个空间模(LP01模和偶数LP11模)的微分光波相位的调制进行检测。该互感器除电容分压、石英晶体外,是一个全光纤的解决方案,没有准直仪、偏振片和波片等块状光学元件;进而降低了成本、提高了精度、便于规模化生产。本文给出了电压互感器的系统结构及绝缘设计,研究了互感器的性能,为高压电压互感器的应用提供了理论依据。     

对射式螺旋形光纤液位传感器的设计与实现

介绍了一种将对射和螺旋两种结构结合在一起的光纤液位传感器。该传感器以两根侧发光光纤为基础,其中一根作为发射光纤,另一根作为接收光纤,当液面变化引起外部介质折射率发生变化时,发射光纤中光功率的损耗量会发生变化,耦合进入接收光纤的光功率会随之变化,通过检测此变化量即可获知液面高度信息。相对于直接使用两根直侧发光光纤对射的结构而言,螺旋结构的引入会提高光功率相对变化量,从而使其获得更好的性能。实验结果表明,该传感器能够实现液位的连续测量,并具有较好的重复性能。