一种电力设备局放超声信号的实时监测装置及监测方法与流程

1.本发明属于电力设备监测技术领域，涉及一种电力设备局放超声信号的实时监测装置及监测方法。


背景技术：

2.电力设备长期在高电压、热等因素作用下，其内绝缘老化破坏逐渐发展将导致绝缘性能显著下降，成为变电设备可靠运行的隐患，也是危及电网运行安全的重要源头。导致绝缘事故发生的罪魁祸首大多是局放，局放是大型电力设备绝缘性能开始下降的初期表征现象，其继续发展将导致绝缘体被击穿引起电力事故，因此对大型电力设备局放在线监测显得尤为重要。局放发生时会伴随有电信号、光信号、超声信号及化学反应产生；对于电信号的检测方法主要是脉冲电流法，这种方法技术成熟，但非常容易受到大型电力设备运行现场高电场和强磁场的干扰，进而导致检测精度和灵敏度不足。射频检测法虽然检测的灵敏度很高，但对局放点定位能力较弱。对于光信号的检测方法主要是紫外光谱法和红外光谱法，紫外光谱法主要针对于大型电力设备外部局放现象进行检测，红外光谱法则针对因局放而引起的局部温度升高现象进行检测，这两种方法无法有效检测电力设备内部局放现象。气相色谱法则是针对绝缘介质在发生局放时会发生化学反应产生新的化学物质这一现象来进行检测的，该方法虽然检测准确，但是在检测时间上相对滞后。相对于上述局放检测方法，超声信号检测法具有高时效性、易于检测及抗电磁干扰等特点，同时通过阵列布置传感器检测局放超声信号还可以快速对局放点进行定位。
3.现有的对局放超声信号的检测方法一是采取传统的外置压电陶瓷进行检测，但无法深入设备内部进行检测。并且，压电陶瓷声发射传感器在使用时需紧密贴合于高压电力设备的壳体外部，虽然该检测方法较为成熟，但在使用时由于传感器本身的特性几乎无法实现实时在线检测，只能够通过定期巡检的方式进行检测。现有检测方法二是可内置的光纤声波传感器检测法，目前主要有fbg光纤光栅与非本征f-p法珀两种。但这两种检测方式也有其自身的局限。fbg光纤光栅法检测局放超声信号，必须要考虑到温度的交变影响，因此传感器在使用时一般都需要加入辅助光纤光栅来消除温度影响，这使得传感器整体结构变得较为复杂，并且光纤光栅对低频振荡的响应也非常明显，电力设备其内部工频振动及地面及箱体传来的外界振动也会干扰fbg光纤光栅声波传感器对局放超声信号的检测。非本征光纤f-p法布里珀罗传感器由于具有结构简单、体积小巧及灵敏度高等优良特点受到广泛的关注和研究，但法珀传感器可检测频带宽度受制于自身固有频率，在实际应用时存在检测特性发生变化、应用安装范围受限以及传感器一致性差等问题。
4.因此，需要一种不受温度干扰，可检测频域范围宽，不受声波传播介质特性约束，检测灵敏度高，结构简单小巧，系统可靠性高，制作工艺简单，成本低的监测装置或监测方法，来解决这一系列的问题。


技术实现要素：

5.本发明解决技术问题所采取的技术方案是：一种电力设备局放超声信号的实时监测装置，包括：激光光源，光电转换器件，数据采集器件，光纤耦合器，光纤连接器，光纤传感器，局放信号源腔体；
6.激光光源用于输出功率稳定的激光，激光光源为内部主动光源；
7.光电转换器件用于同步获取光纤传感器返回的光信号，并转换为电信号；
8.数据采集器件用于同步采集光电转换器件获取的电信号，对局放高频信号进行监测；
9.光纤耦合器用于对前反向光信号进行耦合；
10.光纤连接器用于连接光纤耦合器与光纤传感器；
11.光纤传感器用于感应周围介质因压力变化而引起的折射率变化，光纤传感器前端为陶瓷插芯，光纤端面研磨平滑；
12.激光光源经过光纤耦合器后光连接至光纤连接器，光纤连接器光连接光纤传感器，光电转换器件光连接光纤耦合器，光电转换器件电连接数据采集器件；
13.光纤传感器的前端面安装在局放信号源腔体内部或安装在局放信号源腔体缝隙附近。
14.优选的，所述光电转换器件具有信号增益功能，对获取的微弱信号进行放大。
15.优选的，所述激光光源包括1310nm或1550nm的光通信波段。
16.优选的，所述光纤耦合器包括光纤规格为单模石英光纤，耦合比为1:1。
17.优选的，所述实时监测装置的光连接的光纤接口包括fc/apc规格，能够降低系统内端面反射。
18.优选的，所述数据采集器件同步采集光电转换器件获取的电信号的最大采集频率大于100mhz，可满足局放高频信号的监测。
19.本发明还公开一种电力设备局放超声信号的实时监测方法，本检测方法用于上述实时监测装置，包括以下步骤：
20.步骤一：将光纤传感器的前端面安装在局放信号源腔体内部或安装在局放信号源腔体缝隙附近；
21.步骤二：启动激光光源，激光光源的光信号，经光纤耦合器与光纤连接器，到达光纤传感器的前端面；
22.步骤三当局放信号源腔体存在局部放电时，会伴随产生超声信号，声压会引起局放信号源腔体内部或局放信号源腔体缝隙附近介质的折射率发生改变，从而影响回波反射的强度；
23.步骤四：回波反射的光信号，经光纤连接器与光纤耦合器，到达光电转换器件；
24.步骤五：光电转换器件将同步获取的返回的光信号，并转换为电信号后送至数据采集器件；
25.步骤六：数据采集器件实时高速采集光纤传感器前光纤端面回波反射光强度的周期性变化；
26.步骤七：通过反射光强度的周期性变化进而判断电力设备的局部放电情况。
27.优选的，所述步骤一中，光纤传感器布设方式包括多个传感探头阵列或多点传感
器分布，利用超声波信号到达不同位置传感器的信号时延或强度变化可进一步实现局放点定位。
28.本发明的有益效果是：
29.本发明监测装置通过测试超声波信号的压力场引起传感器周围介质折射率变化，进而引起界面回波反射率的变化规律，直接反映出超声波信号的频率与幅值特征。多个传感探头阵列或多点传感器分布，利用超声波信号到达不同位置传感器的信号时延或强度变化可进一步实现局放点定位。本发明监测方法具备诸多优点：不受温度干扰，可检测频域范围宽，不受声波传播介质特性约束，检测灵敏度高，结构简单小巧，系统可靠性高，制作工艺简单，成本低。
附图说明
30.图1是一种电力设备局放超声信号的实时监测装置内部监测图；
31.图2是外部监测图；
32.图3是压力与折射率的关系图；
33.图4是局放信号监测试验信号图。
34.图中：1、激光光源；2、光电转换器件；3、数据采集器件；4、光纤耦合器；5、光纤连接器；6、光纤传感器；7、局放信号源腔体。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的相关技术进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
36.参考图1～4，一种电力设备局放超声信号的实时监测装置，包括：激光光源1，光电转换器件2，数据采集器件3，光纤耦合器4，光纤连接器5，光纤传感器6，局放信号源腔体7；
37.激光光源1用于输出功率稳定的激光，激光光源1为内部主动光源；
38.光电转换器件2用于同步获取光纤传感器6返回的光信号，并转换为电信号；
39.数据采集器件3用于同步采集光电转换器件2获取的电信号，对局放高频信号进行监测；
40.光纤耦合器4用于对前反向光信号进行耦合；
41.光纤连接器5用于连接光纤耦合器4与光纤传感器6；
42.光纤传感器6用于感应周围介质因压力变化而引起的折射率变化，光纤传感器6前端为陶瓷插芯，光纤端面研磨平滑；
43.激光光源1经过光纤耦合器4后光连接至光纤连接器5，光纤连接器5光连接光纤传感器6，光电转换器件2光连接光纤耦合器4，光电转换器件2电连接数据采集器件3；
44.光纤传感器6的前端面安装在局放信号源腔体7内部或安装在局放信号源腔体7缝隙附近。
45.进一步的，所述光电转换器件2具有信号增益功能，对获取的微弱信号进行放大。
46.进一步的，所述激光光源1包括1310nm或1550nm的光通信波段。
47.进一步的，所述光纤耦合器4包括光纤规格为单模石英光纤，耦合比为1:1。
48.进一步的，所述实时监测装置的光连接的光纤接口包括fc/apc规格，能够降低系统内端面反射。
49.进一步的，所述数据采集器件3同步采集光电转换器件2获取的电信号的最大采集频率大于100mhz，可满足局放高频信号的监测。
50.本发明还公开一种电力设备局放超声信号的实时监测方法，本检测方法用于上述实时监测装置，包括以下步骤：
51.步骤一：将光纤传感器6的前端面安装在局放信号源腔体7内部或安装在局放信号源腔体7缝隙附近；
52.步骤二：启动激光光源1，激光光源1的光信号，经光纤耦合器4与光纤连接器5，到达光纤传感器6的前端面；
53.步骤三当局放信号源腔体7存在局部放电时，会伴随产生超声信号，声压会引起局放信号源腔体7内部或局放信号源腔体7缝隙附近介质的折射率发生改变，从而影响回波反射的强度；
54.步骤四：回波反射的光信号，经光纤连接器5与光纤耦合器4，到达光电转换器件2；
55.步骤五：光电转换器件2将同步获取的返回的光信号，并转换为电信号后送至数据采集器件3；
56.步骤六：数据采集器件3实时高速采集光纤传感器6前光纤端面回波反射光强度的周期性变化；
57.步骤七：通过反射光强度的周期性变化进而判断电力设备的局部放电情况。
58.进一步的，所述步骤一中，光纤传感器6布设方式包括多个传感探头阵列或多点传感器分布，利用超声波信号到达不同位置传感器的信号时延或强度变化可进一步实现局放点定位。
59.实施例
60.本实施例中，激光光源1的光信号，经光纤耦合器4与光纤连接器5，到达光纤传感器6的前光纤端面，光纤传感器6安装于局放信号源腔体7内部，当腔体内存在局部放电时，会伴随产生超声信号，声压会引起腔体内介质的折射率n2发生改变，从而影响回波反射的强度。通过光电转换器件2与数据采集器件3实时高速采集光纤传感器6前光纤端面回波反射光强度的周期性变化，就可以直接反映出局放信号源腔体7内超声压力场的变化规律。
61.根据菲涅尔公式原理，一束光在两种不同介质的临界面会产生反射。光在介质临界面反射时的菲涅尔公式为：
62.r＝(n1cosi-n2cosi)^2/(n1cosi n2cosi)^2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式(1)
63.当光束接近正入射(入射角i约等于0)时，反射率计算公式是：r＝(n1-n2)^2/(n1 n2)^2，其中n1，n2分别是两种介质的真实折射率(即相对于真空的折射率)。
64.由式(1)可见，当波长为定值时，影响介质临界面回波反射率的因素主要是两种介质的入射角i和折射率n1，n2。本实施例中，入射角0≤i≤na0.22，可看做混合定量。介质临界面为光纤传感器6前光纤端面，介质1为石英光纤本身，n1为定量。介质2为局放信号源腔体7内部介质，可能为空气、sf6气体、或变压器油等，n2为变量。由此可见，最终可以影响回波反射率r的因子，主要为n2。
65.影响介质自身折射率的主要因素是介质的密度，当介质材料的密度增大时，单位长度内的分子团、分子和原子数量增加，极化次数n增大，折射率就会随密度的增加而增大。并且，一般介质的密度随压力的增大而增大，特别是气态物质，液态物质次之，固态物质较弱。因此，当压力增大时，分子团、分子和原子间的间距变小，单位长度内的分子团、分子和原子的数量就会增大，极化次数n增大，折射率就会随压力的增加而增大，压力与折射率之间的关系，如图3所示。而压力的表现形式有很多种形态，声压便是其中的一种，声压以声波的形式传播，传播介质可以是气体、液体及固体等。根据声波的频率范围，＞20khz的就是人类听觉范围感受不到的超声波。测试结果如图4所示，其中ch1为脉冲电流检测参考信号、ch2为本专利系统光纤传感器检测信号。
66.电力设备绝缘内部发生局部放电时，同时伴随产生超声波信号。超声波信号由局部放电源沿着绝缘介质、金属件或空气传导到电力设备外壳，并通过介质和缝隙向周围空气传播。通过在电力设备内部或附近安装超声波传感器，可以耦合到局部放电产生的超声波信号进而判断电力设备的局部放电情况。本实施例通过测试超声波信号引起传感器周围介质折射率变化，进而引起界面回波反射率的变化规律，直接反映出超声波信号的频率与幅值特征。多个传感探头阵列或多点传感器分布，利用超声波信号到达不同位置传感器的信号时延或强度变化可进一步实现局放点定位。
67.综上所述，本发明提供了一种电力设备局放超声信号的实时监测装置及监测方法，通过测试超声波信号的压力场引起传感器周围介质折射率变化，进而引起界面回波反射率的变化规律，直接反映出超声波信号的频率与幅值特征。多个传感探头阵列或多点传感器分布，利用超声波信号到达不同位置传感器的信号时延或强度变化可进一步实现局放点定位。本发明监测方法具备诸多优点：不受温度干扰，可检测频域范围宽，不受声波传播介质特性约束，检测灵敏度高，结构简单小巧，系统可靠性高，制作工艺简单，成本低；解决了以往局放测试中的受温度干扰、可检测频域范围小、受声波传播介质特性约束、检测灵敏度低、系统可靠性差的问题，因此本发明拥有广泛的应用前景。
68.需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。