CN101813742A - 利用光纤对电网高压局部放电进行探测及定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种电网高压局部放电的监测方法，具体涉及到利用光纤对高压局部放电实现在线监测的分布式探测方法。本方法利用高压局部放电会产生频率成分丰富的声波、超声波的特性，用光纤作为感应元，通过对(超)声波的感应来探测高压局部放电的发生，并确定放电发生的位置。使用光纤探测高压电网的放电，不易受电磁干扰，可实现分布式探测，并可在电网正常工作的情况下，进行实时在线监测。

Description

利用光纤对电网高压局部放电进行探测及定位的方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种利用光纤探测电网中高压局部放电，确定放电位置的监测方法。

背景技术

当今电力与社会经济已不可分割，智能电网已成为世界电力发展的新趋势。实现电网智能化，需对设备、发电厂和线路运行状态实时分析评估，对电网故障发展做到早期预警，这些必须依赖于实时测量在线监测技术，利用在电网设备中的先进传感器，通过对运行设备、线路的在线状态检测，实时获取电网运行状态数据，当电网中出现故障或发生其他问题时，发现故障，确定其发生位置。使用在线监测技术不但可以避免停电检修但来的诸多不变，而且更能真实地反应设施的实际运行情况。现代化先进的实时在线传感测量技术是及时进行设备维修，使设备运行在最佳状态，实现电网稳健工作的基本保障。

电网电气设施的局部放电属常见现象，特别常发生于变压器、电缆接头和终端头部位等处，局部放电是电网设施绝缘劣化的前兆，如果没有及时发现、处理，放电引起的电气损伤升级，最终会导致绝缘击穿，造成电网事故，通常社会影响面广，甚至可能会带来重大经济损失。通过局部放电的在线监测，可及时发现电网设施内部绝缘存在的潜伏性缺陷，避免突发性绝缘故障。目前，国内电气设施的高压局部放电检测设施仍处起步阶段，有效手段缺乏。同时，由于电网的分布广，尤其是对密如蛛网的电缆长距离局部放电离检测，更是缺乏有效的实时监测技术。

局部放电检测是以发生局部放电产生的电、光、声等现象为依据，通过描述该现象的物理量来表征局部放电的状态。局部放电过程中会产生电脉冲、电磁辐射，产生波、光、气体生成物等，并能产生能量损耗引起局部过热，相应的检测方法有脉冲电流法、气相色谱法、超声波法、无线电干扰检测法、光测法等多种检测方法。在这些方法中，对不同高压局部放电点的检测，大都需要由点状传感器或仪器来完成，大面积监测则需要通过大量的点状传感器来完成，实现方式繁琐，难度较大。

目前，使用最广泛的方法是脉冲电流法和超声波检测法。脉冲电流法中常采用的是罗戈夫斯基线圈型电流传感器，测量局部放电射频频段(3MHz～30MHz)的信号。但由于现场中存在很多电磁干扰，如电力***载波，通讯无线电广播干扰、高频保护信号、电力***谐波干扰等等以及设备自生工作特性带来的一些干扰，这种方法虽然可以避开现场中大量的低频及中频干扰，但难以避开大量的射频范围内的干扰。超声波检测是针对高压局部放电中70kHz～150kHz的超声频率成分，但由于这部分超声能量衰减较快，同是由于声电换能元件的效率还不够高，这种探测技术目前常与无线电干扰等检测方法结和起来，先由后者大致探测到放电的存在，再用超声波探测器依次逐个排查，探测效率偏低。同样，这两种方法也是使用点状传感器，进行大范围探测的不便之处可想而知。

发明内容

本发明的目的在于提出一种探测效率高，并可实现分布式实时监测的对电网高压局部放电进行探测和定位的方法。

本发明提供的探测和定位方法，是采用光纤作为感应元，对电网高压局部放电产生的频率较高的声波、超声波成分进行感应。通过一定的光路结构，将光纤感应的信息提取出来，获得高压放电的信息，同时，利用局部高压放电产生的(超)声波频率成分丰富这一特性，结合光路的特点，来确定高压放电的位置。

在电网局部高压放电中，会产生频率较高的声波和超声波，频率分布从十千赫左右到几十千赫，这种波通过介质，如空气，传输到光纤处，在声压的作用下，由于光弹效应，光纤的长度和折射率等物理参数发生变化，使得在光纤内传输的光的相位发生变化。因此，本发明使用光纤来探测电网高压局部放电并确定放电的位置。

由于光相位的变化无法用光电器件直接获得，必须经过干涉的方法将这种变化转换为光强变化。考虑到电网高压放电产生的(超)声波信号中含有丰富的频率成分，本发明中采用单芯反馈式白光干涉结构，利用信号中的干涉光路所获得的信号频率成分特性来确定高压放电的位置，具体如图1所示，其中：

干涉光路由N*M(N、M为整数)耦合器1、P*Q(P、Q为整数)耦合器2、光纤延迟器3，光纤(光缆)4和反馈装置6构成。1a1、1a2、…、1aN、1b1、1b2为耦合器1的端口，1a1、1a2、…、1aN是同向端口，共N个，1b1、1b2是耦合器1的另一组同向端口(共M个)中的两个端口。2a1、2a2、2b1为耦合器2的端口，2a1、2a2是耦合器2的一组同向端口(共P个)中的两个端口，2b1是耦合器2的另一组同向端口(共Q个)中的一个端口。光纤4沿着所要监测的电网设施布设，用来感应局部高压放电。反馈装置6使沿光纤传输来的光重新进入光纤4返回到耦合器2，它可以是在光纤端面镀膜等形成的反射镜，也可以是法拉第旋转反射镜。光源为宽带光源。光源经耦合器1的端口1a1输入，经耦合器1分光后分别经端口1b1、1b2输出，形成两光路：

I：1b1→3→2a1→2b1→4→6→4→2b1→2a2→1b2

II：1b2→2a2→2b1→4→6→4→2b1→2a1→3→1b1

这里箭头表示光的传输方向，标号表示该标号所代表的部件。在耦合器1处重新会合，发生干涉，干涉信号分别经端口1a1、1a2、…、1aN输出。由于使用的是宽谱光源，光源的相干长度很短，光路中其他路径的光不会发生干涉。将干涉信号输入光电探测装置将光信号转变成电信号，便可对电信号进行处理、分析和判断。

虽然1a1、1a2、…、1aN的每个端口都有干涉信号输出，但只需对相关的端口的干涉信号进行处理。要进行处理的干涉信号的端口、数量，根据光路所采取的干涉光路相位差解调方案而定：可以利用耦合器的不同端口输出干涉光的初始相位不同，分别从两个端口获得干涉信号，通过相位还原算法解调出两干涉光路的相位差；也可以通过PGC(相位生成载波)的方法解调出相位差，这时只需要取一个端口的干涉信号即可。

从光源的输入端口取出干涉信号的光路连接方式如图2所示，光源通过环形器7，或耦合器8与耦合器1的端口1a1相连。7a、7b、7c为环形器7的端口，8a、8b、8c为耦合器8的端口，其中8b与8a为同向端口。从端口7b或8b即可取出干涉信号。

对于高压放电位置的确定可以根据从干涉信号中解调出的相位差信号的频谱特性来获得。由于光路的结构特性，在相位差的频谱中，存在频率陷落点，即“陷波点”，根据陷波点的位置即可确定高压放电发生的位置。“陷波点”如图3所示，在这幅通过时频变换得到的幅度-频率图中，“○”所标示的位置即为频率陷波点。在单芯反馈结构中，陷波点与局部高压放电位置的关系为：

$f_{\mathrm{unll}}\left(k\right)=\frac{k}{2}\·\frac{c}{2n_{\mathrm{eff}}L},(k=2n-1,n\∈N)$

其中，f_null(k)为k阶陷波点的频率，n_eff为光纤的有效折射率，c为光速，L为放电感应点5与反馈装置6的光纤长度。例如，当放电发生在L＝20km时，对于单模光纤结构来说，相邻阶的陷波点的频率间隔约为2.5kHz，对于高压局部放电产生的频率范围几十kHz的(超)声波扰动来说，会获得多个陷波点。

本发明中使用的光源是宽带光源，可以是(超辐射二极管)SLD，也可以是ASE光源。采用的耦合器1、2可以是光纤熔融拉锥型，也可是波导型。反馈装置可以是在光纤末端镀反射膜实现，也可是带有尾纤的、由分立光学器件实现的反射装置，也可是法拉第旋转反射镜(FRM)。用于感应高压局部放电的光纤可以是为了监测需要沿着电气设施布设的光纤、光缆，也可利用光纤复合电缆中固有的光纤。

本发明使用光纤作为传感元，以光纤作为信息传递媒介，将非光量转化为光量进行测量，同传统的电网高压局部放电传感器相比，一个显著有点是不易受到电磁波干扰。

本发明的另一个突出特点是可实现分布式传感，监测***易于实现。由于光纤的每一点都具有感应作用，因此，是一种分布式传感器，可用一根光纤实现多点的监测，而传统的点传感器仅能对单点进行监测，对多点的监测需要多个传感器才能实现，使得监测***复杂，工程繁琐。

本发明的另一个优点是不但可以实时探测到电网中高压局部放电的发生，而且可同时确定发生的位置，不需要像一些方法那样，用不同的设备分别实现探测和定位功能。

由于本发明使用光纤进行感应，可在线实时监测，不需要电网停电检修，同时，在线监测更可真实地反应电网实际运行的情况。这是该发明的另一突出特点。

附图说明

图1为探测和定位电网设施高压放电的全光纤白光干涉结构。

l为N*M(N、M为整数)耦合器、2为P*Q(P、Q为整数)耦合器、3为光纤延迟器，4是用作感应的光纤(光缆)，5是高压放电的感应点，6为反馈装置。1a1、1a2、…、1aN、1b1、1b2为耦合器1的端口。2a1、2a2、2bl为耦合器2的端口。

图2是从光源输入端口取出干涉信号的方法。7为环形器，8为耦合器。7a、7b、7c为环形器7的端口，8a、8b、8c为环形器8的端口。

图3是从干涉信号解调出的相位信号的频谱，“○”为频率“陷波点”。

图4是一具体实施方案。9是光纤复合电缆。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步描述本发明。

本实施例如图4所示。该实施方法中利用光纤复合电缆9中的光纤对该电缆中的高压局部放电进行监测。

使用的光源是电子集团总公司44研究所生产的SO3-B型超超辐射二极管(SLD)。耦合器1采用均分的3*3光纤熔融拉锥型单模耦合器，耦合器2采用均分的2*2光纤熔融拉锥型单模耦合器，皆为武汉邮电研究院生产。光纤延迟器使用的光纤为G652型单模光纤。光电转换及信息处理中使用的光电转换器件为44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。反馈装置6为光纤末端蒸镀铝膜制作，反射率大于95％。

光源从的端口1a1输入，干涉信号从3*3耦合器的1a2、1a3两个端口输出干涉信号，利用这两个端口输出的干涉信号初始相位相差为

的特性，解调出光纤感应到的相位信息。干涉信号经过光电转换和放大等处理后，经模数转换，通过软件对信号进行分析处理，给出高压局部放电的位置。

Claims (6)

1.一种利用光纤对电网高压局部放电进行探测和定位的方法，其特征在于采用单芯反馈式白光干涉结构，利用信号中的干涉光路所获得的信号频率成分特性来确定高压放电的位置，其中：

干涉光路由N*M耦合器(1)、P*Q耦合器(2)、光纤延迟器(3)，光纤(4)和反馈装置(6)构成；1a1、1a2、…、1aN、1b1、1b2为N*M耦合器(1)的端口，1a1、1a2、…、1aN是同向端口，共N个，1b1、1b2是N*M耦合器(1)的另一组M个同向端口中的两个端口；2a1、2a2、2b1为P*Q耦合器(2)的端口，2a1、2a2是P*Q耦合器(2)的一组P个同向端口中的两个端口，2b1是P*Q耦合器(2)的另一组Q个同向端口中的一个端口；光纤(4)沿着所要监测的电网设施布设，用来感应局部高压放电；反馈装置(6)使沿光纤传输来的光重新进入光纤(4)返回到P*Q耦合器(2)；光源为宽带光源；光源经N*M耦合器(1)的端口1a1输入，经N*M耦合器(1)分光后分别经端口1b1、1b2输出，形成两光路：

I：1b1→3→2a1→2b1→4→6→4→2b1→2a2→1b2

II：1b2→2a2→2b1→4→6→4→2b1→2a1→3→1b1

这里箭头表示光的传输方向，标号表示该标号所代表的部件；在N*M耦合器(1)处重新会合，发生干涉，干涉信号分别经端口1a1、1a2、…、1aN输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于从光源的输入端口取出干涉信号的光路连接方式如下，光源通过环形器(7)，或耦合器(8)与N*M耦合器(1)的端口1a1相连；7a、7b、7c为环形器(7)的端口，8a、8b、8c为耦合器(8)的端口，其中8b与8a为同向端口，从端口7b或8b即可取出干涉信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于根据所述光路结构特性从陷波点与局部高压放电位置的如下关系确定放电位置：

$f_{\mathrm{null}}\left(k\right)=\frac{k}{2}\·\frac{c}{2n_{\mathrm{eff}}L},$ (k＝2n-1，n∈N)

其中，f_null(k)为k阶陷波点的频率，n_eff为光纤的有效折射率，c为光速，L为放电感应点(5)与反馈装置(6)的光纤长度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的光源为SLD或ASE光源。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的N*M耦合器(1)和P*Q耦合器(2)是光纤熔融拉锥型或波导型。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的反馈装置为由光纤末端镀反射膜实现或由带有尾纤的、由分立光学器件实现的反射装置，或者为法拉第旋转反射镜。

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