CN106093736B - 频率响应特性可调谐的局部放电超声光纤传感***及方法 - Google Patents

频率响应特性可调谐的局部放电超声光纤传感***及方法 Download PDF

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Abstract

一种频率响应特性可调谐的局部放电超声光纤传感***及方法，该***包括宽谱光源、光电探测器、光电探测器、3x3光纤耦合器、延迟光纤、引导光纤、传感光纤、光功率监测模块、三通道数据采集***和工控机；其方法为：根据待测电力设备局部放电超声的频率特性调节延迟光纤和传感光纤长度使整体传感***的频率响应特性与其相匹配，当传感光纤已敷设在电力设备时，通过改变延迟光纤长度来调节整体传感***的频率响应特性，该方法优点在于仅通过更换两段光纤，即延迟光纤和传感光纤，即可实现整体传感***频率响应曲线的调节，有助于使用单一传感***完成由于电力设备不同带来不同频率特性的局部放电超声的检测。

Description

频率响应特性可调谐的局部放电超声光纤传感***及方法
技术领域
本发明涉及电力设备局部放电测试技术领域，具体涉及一种频率响应特性可调谐的局部放电超声光纤传感***及方法。
背景技术
局部放电测量是评估电力设备的重要指标之一，近年来随着光纤传感技术的发展与成熟化，在各领域内被越来越多的应用。应用光纤传感***测量局部放电超声具有多个优点。光纤不受电磁干扰，其与电力设备绝缘***兼容并可以内置入电力设备内，光纤作为线传感器可测量多个测量点并可实现分布式传感。此外，由于局部放电属于宽频信号，不同类型的放电频谱特征一般不同，传统压电陶瓷传感器一旦加工成型其频带特性无法更改，对于在不同类型电力设备上测量不同类型放电超声一般需要使用不同的压电陶瓷传感器。
发明内容
为解决上述现有问题，本发明的目的在于基于光纤传感器本身的宽频传感特性基础上利用一种光纤传感***的光路特性来实现快速调谐传感***频率特性的***及方法，其优点在于在该***未安装前可通过调节传感光纤和延迟光纤长度来调整测试***的频率响应特性曲线，即使光纤传感器已内置入电力设备中，仍可在外部通过调节延迟光纤来调节整体传感***频带特性，以适应不同类型局部放电的传感要求。
本发明所采用的技术方案是：
一种频率响应特性可调谐的局部放电超声光纤传感***，包括3x3对称光纤耦合器4，选取3x3对称光纤耦合器4的任一侧，该侧的三个接口分别与宽谱光源1的输出、第一光电探测器2和第二光电探测器3的输入端相连，3x3对称光纤耦合器4另一侧的三个接口分别与第一引导光纤6、第二引导光纤8和光功率监测模块10的输入端相连；第一引导光纤6的另一端与延迟光纤5相连，延迟光纤5的另一端与第三引导光纤7相连，第三引导光纤7的另一端与传感光纤9相连，传感光纤9的另一端与第二引导光纤8相连；第一光电探测器2和第二光电探测器3的输出端与三通道数据采集***11的任意两个通道相连，三通道数据采集***11未连接第一光电探测器2和第二光电探测器3的通道用以采集工频电压，三通道数据采集***11的输出端与工控机12相连。
上述所述频率响应特性可调谐的局部放电超声光纤传感***的测试方法，包括如下步骤：
步骤1：搭建权利要求1所述频率响应特性可调谐的局部放电超声光纤传感***，根据以下公式计算所搭建的频率响应特性可调谐的局部放电超声光纤传感***的归一化频率响应特性，
cos(ωsz/v)-cos(ωs(l-z/v)
其中ωs为目标信号的角频率，l为光纤总长度即引导光纤6、7、8、延迟光纤5、传感光纤9的长度总和，z为传感光纤9所处的位置，v为光纤中光的速度；比对所得归一化频率响应特性是否覆盖相应的待测电力设备中局部放电超声的频率范围；
步骤2：将传感光纤9置入待测区域中，打开宽谱光源1，将三通道数据采集单元11设置为工频电压输入端口触发，此时若出现局部放电，其产生的超声会调制传感光纤9的折射率及其长度；相应的，经过传感光纤9的两束光的相位会出现调制现象，当两束光被调制的相位不同时，在第一光电探测器2和第二光电探测器3所检测到的光强由于干涉现象出现变化，因此由光强所转换成的电流信号出现变化，通过三通道数据采集单元11采集该电信号，在工控机12中进行信号处理，结合采集到的电压相位信息制作局部放电相位谱图，其具体为：
步骤201：三通道数据采集单元11分别采集了第一光电探测器2和第二光电探测器3传递的电信号和工频电压信号，将第一光电探测器2和第二光电探测器3的幅值信号进行相减操作；将第一光电探测器2和第二光电探测器3的幅值信号所处的时刻，即幅值信号对应的时间信号除以20毫秒并乘以360度得到相位信号；
步骤202：对步骤201处理后的幅值信号利用巴特沃斯滤波器进行滤波；
步骤203：将步骤202中所处理得到的信号作为纵轴坐标，将步骤201处理所得到的相位信号作为横轴坐标，将其制成二维局部放电相位谱图；
步骤3：计算所测量幅值信号的峰值信噪比，即时域测量结果最大值除以均方根值，若所测量信号信噪比不满足要求，调节延迟光纤5的长度来调节传感***频率响应曲线的峰值点，直到测量结果信噪比满足需求；若调节延迟光纤5无法改善信噪比，则停止测试，将传感光纤9取出并重新制作总长度更长的传感光纤9，并重新从步骤1开始测试；
步骤4：若待测电力设备出现更换，其局部放电超声频率分布也会有变换，则重新将传感光纤9取出并重新制作新的延迟光纤5和传感光纤9，其频率响应特性根据步骤1进行计算，要求传感***的频率响应特性需覆盖待测信号的频率特性。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明提出了一种频率响应特性可调谐的局部放电超声光纤传感***及其测试方法。与现有压电陶瓷传感***具有固定的频率响应特性相比，该方法的优势在于可通过调节延迟光纤5和传感光纤9的长度来调节整体传感***的频率响应特性。此外，即使传感光纤9已安装入待测区域，仍可通过在待测区域外部调节延迟光纤5来调节传感***频率响应特性以提高信噪比。同时该传感***具有光纤传感器传统的抗电磁干扰，可内置入电力设备的特点。
附图说明
图1为本发明传感***整体示意图。
图2为根据步骤1中所计算的当传感光纤9放置在不同位置时的传感***归一化频率响应特性曲线。其中光纤总长度为1600米。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种频率响应特性可调谐的局部放电超声光纤传感***，包括宽谱光源1，光电探测器2，光电探测器3，3x3光纤耦合器4，延迟光纤5，引导光纤6、7、8，传感光纤9，光功率监测模块10，三通道数据采集***11，工控机12。
其中，选取3x3对称光纤耦合器4的任一侧，该侧的三个接口分别与宽谱光源1的输出、第一光电探测器2和第二光电探测器3的输入端相连，3x3对称光纤耦合器4另一侧的三个接口分别与第一引导光纤6、第二引导光纤8和光功率监测模块10的输入端相连；第一引导光纤6的另一端与延迟光纤5相连，延迟光纤5的另一端与第三引导光纤7相连，第三引导光纤7的另一端与传感光纤9相连，传感光纤9的另一端与第二引导光纤8相连；第一光电探测器2和第二光电探测器3的输出端与三通道数据采集***11的任意两个通道相连，三通道数据采集***11未连接第一光电探测器2和第二光电探测器3的通道用以采集工频电压，三通道数据采集***11的输出端与工控机12相连。其***示意图见图1。
上述所述测试***的测试方法，包括如下步骤：
步骤1：搭建图1所述频率响应特性可调谐的局部放电超声光纤传感***，根据以下公式计算所搭建的频率响应特性可调谐的局部放电超声光纤传感***的归一化频率响应特性，
cos(ωsz/v)-cos(ωs(l-z/v)
其中ωs为目标信号的角频率，l为光纤总长度即引导光纤6、7、8、延迟光纤5、传感光纤9的长度总和，z为传感光纤9所处的位置，v为光纤中光的速度。比对所得归一化频率响应特性是否覆盖相应的待测电力设备中局部放电超声的频率范围。附图2是当l为1600米时，不同位置处(z)传感光纤的归一化频率响应特性曲线。
步骤2：将传感光纤9置入待测区域中，利用粘合剂将传感光纤固定在待测区域，保证其紧密贴合。打开宽谱光源1，第一光电探测器2、第二光电探测器3和工控机12和三通道数据采集单元11，并将三通道数据采集单元11设置为工频电压输入端口触发，调整宽谱光源1的输出光强，观察第一光电探测器2和第二光电探测器3采集到的光强转换为的电流，增大光强直到该电流饱和。若出现局部放电，其产生的超声会调制传感光纤9的折射率及其长度。相应的，经过传感光纤9的两束光的相位会出现调制现象，当两束光被调制的相位不同时，在第一光电探测器2和第二光电探测器3所检测到的光强由于干涉现象出现变化，因此由光强所转换成的电流信号出现变化，通过三通道数据采集单元11采集该电信号，在工控机12中进行信号处理，结合采集到的电压相位信息制作局部放电相位谱图，其具体为：
步骤201：三通道数据采集单元11分别采集了第一光电探测器2和第二光电探测器3传递的电信号和工频电压信号。将第一光电探测器2和第二光电探测器3的幅值信号进行相减操作。将第一光电探测器2和第二光电探测器3的幅值信号所处的时刻，即幅值信号对应的时间信号除以20毫秒并乘以360度得到相位信号。
步骤202：对步骤201处理后的幅值信号利用巴特沃斯滤波器进行滤波，巴特沃斯滤波器的阶数可选为3阶。
步骤203：将步骤202中所处理得到的信号作为纵轴坐标，将步骤201处理所得到的相位信号作为横轴坐标，将其制成二维局部放电相位谱图。
步骤3：计算所测量幅值信号的峰值信噪比，即时域测量结果最大值除以均方根值，若所测量信号信噪比不满足要求，调节延迟光纤5的长度来调节传感***频率响应曲线的峰值点，直到测量结果信噪比满足需求。若调节延迟光纤5无法改善信噪比，则停止测试将传感光纤9取出并重新制作总长度更长的传感光纤9，并重新从步骤1开始测试。
步骤4：若待测电力设备出现更换，其局部放电超声频率分布一般会有变换，则重新将传感光纤9取出并重新制作新的延迟光纤5和传感光纤9，其频率响应特性根据步骤1进行计算，要求传感***的频率响应特性需覆盖待测信号的频率特性。

Claims (1)

1.一种频率响应特性可调谐的局部放电超声光纤传感***，其特征在于：包括3x3对称光纤耦合器(4)，选取3x3对称光纤耦合器(4)的任一侧，该侧的三个接口分别与宽谱光源(1)的输出、第一光电探测器(2)和第二光电探测器(3)的输入端相连，3x3对称光纤耦合器(4)另一侧的三个接口分别与第一引导光纤(6)、第二引导光纤(8)和光功率监测模块(10)的输入端相连；第一引导光纤(6)的另一端与延迟光纤(5)相连，延迟光纤(5)的另一端与第三引导光纤(7)相连，第三引导光纤(7)的另一端与传感光纤(9)相连，传感光纤(9)的另一端与第二引导光纤(8)另一端相连；第一光电探测器(2)和第二光电探测器(3)的输出端与三通道数据采集***(11)的任意两个通道相连，三通道数据采集***(11)未连接第一光电探测器(2)和第二光电探测器(3)的通道用以采集工频电压，三通道数据采集***(11)的输出端与工控机(12)相连；
所述频率响应特性可调谐的局部放电超声光纤传感***的测试方法，包括如下步骤：
步骤1：搭建所述频率响应特性可调谐的局部放电超声光纤传感***，根据以下公式计算所搭建的频率响应特性可调谐的局部放电超声光纤传感***的归一化频率响应特性，
cos(ωsz/v)-cos(ωs(l-z/v)
其中ωs为目标信号的角频率，l为光纤总长度即第一引导光纤(6)、第三引导光纤(7)、第二引导光纤(8)、延迟光纤(5)、传感光纤(9)的长度总和，z为传感光纤(9)所处的位置，v为光纤中光的速度；比对所得归一化频率响应特性是否覆盖相应的待测电力设备中局部放电超声的频率范围；
步骤2：将传感光纤(9)置入待测区域中，打开宽谱光源(1)，将三通道数据采集单元(11)设置为工频电压输入端口触发，此时若出现局部放电，其产生的超声会调制传感光纤(9)的折射率及其长度；相应的，经过传感光纤(9)的两束光的相位会出现调制现象，当两束光被调制的相位不同时，在第一光电探测器(2)和第二光电探测器(3)所检测到的光强由于干涉现象出现变化，因此由光强所转换成的电流信号出现变化，通过三通道数据采集单元(11)采集该电流信号，在工控机(12)中进行信号处理，结合采集到的电压相位信息制作局部放电相位谱图，其具体为：
步骤201：三通道数据采集单元(11)分别采集了第一光电探测器(2)和第二光电探测器(3)传递的电信号和工频电压信号，将第一光电探测器(2)和第二光电探测器(3)的幅值信号进行相减操作；将第一光电探测器(2)和第二光电探测器(3)的幅值信号所处的时刻，即幅值信号对应的时间信号除以20毫秒并乘以360度得到相位信号；
步骤202：对步骤201处理后的幅值信号利用巴特沃斯滤波器进行滤波；
步骤203：将步骤202中所处理得到的信号作为纵轴坐标，将步骤201处理所得到的相位信号作为横轴坐标，将其制成二维局部放电相位谱图；
步骤3：计算所测量幅值信号的峰值信噪比，即时域测量结果最大值除以均方根值，若所测量信号信噪比不满足要求，调节延迟光纤(5)的长度来调节传感***频率响应曲线的峰值点，直到测量结果信噪比满足需求；若调节延迟光纤(5)无法改善信噪比，则停止测试，将传感光纤(9)取出并重新制作总长度更长的传感光纤(9)，并重新从步骤1开始测试；
步骤4：若待测电力设备出现更换，其局部放电超声频率分布也会有变换，则重新将传感光纤(9)取出并重新制作新的延迟光纤(5)和传感光纤(9)，其频率响应特性根据步骤1进行计算，要求传感***的频率响应特性需覆盖待测信号的频率特性。
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