CN109387760A - 一种基于光纤光栅的局部放电定量检测***及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于光纤光栅的局部放电定量检测***及方法，该检测***包括依次连接的激光器、光纤耦合器、电流探头、光电转换器与数据采集卡，其中，电流探头包括螺纹管、超磁致伸缩棒与光纤光栅，超磁致伸缩棒与光纤光栅均固定于螺纹管内；光纤光栅固定在超磁致伸缩棒上，光纤光栅的轴向轴线与超磁致伸缩棒的轴向轴线相重合；激光器通过光纤与光纤光栅连接，光纤光栅通过光纤与数据采集卡连接。当超磁致伸缩棒在外磁场的作用下沿轴向发生伸缩时，其产生的应变传递到光纤光栅上，应变致使光纤光栅长度发生变化，使得反射光的中心波长发生变化，通过测量反射光的变化，即可得到被测电流的大小，具有较好的局部放电检测灵敏度。

Description

一种基于光纤光栅的局部放电定量检测***及方法

技术领域

本申请涉及电气设备在线监测技术领域，尤其涉及一种基于光纤光栅的局部放电定量检测***及方法。

背景技术

局部放电是指绝缘介质中发生局部击穿所导致的放电现象，也是绝缘劣化的初始征兆，它将加剧绝缘劣化的发展，并最终导致整个绝缘***的奔溃。当介质发生局部放电时，会产生电脉冲、电磁波、超声波、光、局部过热等现象并发生一些新的化学产物，与此相对应的出现了脉冲电流检测法、特高频检测法、超声波检测法等，其中脉冲电流检测法能够较好地实现局部放电的定量分析，是分析绝缘劣化成都的重要指标。

传统的脉冲电流检测所使用的核心元件时罗氏线圈，与之相比，全光纤电流检测法具有暂态特性良好、可交互性强、可数字化、具备自诊断检测能力以及很好的抗干扰能力等一系列独特优势。传统的光纤电流传感器是基于法拉第磁光效应设计的，其工作原理为将被测导体通电后，以导体为轴，将光纤绕成圈，由于外磁场的作用，光纤中的法拉第旋转角发生改变，通过测量其改变量可以间接地测量电流。

但是，这种光纤电流传感中由外界环境干扰(振动、温度变化)产生的随机线性双折射会对***性能产生不良影响。

发明内容

本申请提供了一种基于光纤光栅的局部放电定量检测***及方法，以解决外界环境干扰对目前光纤电流传感器***性能产生不良影响的问题。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：

第一方面，本申请实施例公开了一种基于光纤光栅的局部放电定量检测***，包括依次连接的激光器、光纤耦合器、电流探头、光电转换器与数据采集卡，其中，

所述电流探头包括螺纹管、超磁致伸缩棒与光纤光栅，所述超磁致伸缩棒与光纤光栅均固定于所述螺纹管内；所述光纤光栅固定在所述超磁致伸缩棒上，所述光纤光栅的轴向轴线与所述超磁致伸缩棒的轴向轴线相重合。

可选的，所述电流探头还包括安装槽，所述安装槽的内侧面设置有多个滑轮，所述超磁致伸缩棒固定于所述安装槽内，所述超磁致伸缩棒的外表面与所述滑轮接触。

可选的，所述超磁致伸缩棒的底部中心固定在所述安装槽上。

可选的，所述安装槽的内侧面设置有油层，所述超磁致伸缩棒的外表面与所述油层接触。

可选的，所述激光器通过所述光纤耦合器与所述电流探头的输入端连接，所述电流探头的输出端通过所述光纤耦合器与所述光电转换器的输入端连接；

所述光电转换器的输出端与所述数据采集卡连接。

可选的，所述激光器为中心波长为1550nm的半导体激光器。

可选的，所述光纤光栅的中心波长为1550nm。

第二方面，本申请实施例还提供了一种基于光纤光栅的局部放电定量检测方法，所述方法包括：

将基于光纤光栅的局部放电定量检测***安装至电气设备的铁芯接地引线上，其中，所述基于光纤光栅的局部放电定量检测***为第一方面所述的***；

建立电流参量与所述电气设备的局部放电量之间的标定关系；

检测所述电气设备的局部放电脉冲电流波形；

根据所述标定关系与所述局部放电脉冲电流波形确定局部放电量。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请提供的基于光纤光栅的局部放电定量检测***包括依次连接的激光器、光纤耦合器、电流探头、光电转换器与数据采集卡，其中，电流探头包括螺纹管、超磁致伸缩棒与光纤光栅，超磁致伸缩棒与光纤光栅均固定于螺纹管内；光纤光栅固定在超磁致伸缩棒上，光纤光栅的轴向轴线与超磁致伸缩棒的轴向轴线相重合。本申请提供的局部放电定量检测***基于超磁致伸缩材料与光纤光栅，基于磁致伸缩材料在外磁场的作用下磁化状态发生改变，致使其尺寸伸长或者缩短，当超磁致伸缩棒在外磁场的作用下沿轴向发生伸缩时，其产生的应变传递到光纤光栅上，二者的应变量相等，应变致使光纤光栅长度发生变化，使得作用在光纤光栅上激光的反射光的中心波长发生变化，通过测量反射光的变化，即可得到被测电流的大小。该检测***能够解决传统光纤电流传感器易受线性双折射影响和制作工艺要求极高的问题，能够实现对铁芯接地电流的全过程无源定量检测，并具有较好的局部放电检测灵敏度。

本申请实施例提供的一种应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种基于光纤光栅的局部放电定量检测***的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的基于光纤光栅的局部放电定量检测***中超磁致伸缩棒的安装示意图；

图3为本申请实施例提供的基于光纤光栅的局部放电定量检测***中超磁致伸缩棒的安装俯视图；

图4为本申请实施例提供的一种基于光纤光栅的局部放电定量检测方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

参见图1，为本申请实施例提供的一种基于光纤光栅的局部放电定量检测***的结构示意图。

如图1所示，本申请实施例提供的基于光纤光栅的局部放电定量检测***包括依次连接的激光器1、电流探头与数据采集卡4，其中，

电流探头包括螺纹管5、超磁致伸缩棒6与光纤光栅7，超磁致伸缩棒6与光纤光栅7均固定于螺纹管5内，光纤光栅7固定在超磁致伸缩棒6上，且光纤光栅7的轴向轴线与超磁致伸缩棒6的轴向轴线相重合；激光器1通过光纤与光纤光栅7连接，光纤光栅7通过光纤与数据采集卡4连接。具体地，超磁致伸缩棒6与光纤光栅7均安装在螺纹管5的内部，螺纹管5的外部缠绕有被测光纤，被测光纤有电流通过，在螺纹管5外侧形成外磁场。基于超磁致伸缩材料的超磁致伸缩棒6在外磁场的作用下磁化状态发生改变，致使其尺寸伸长或者缩短的特性，使用温度不敏感型固定胶将光纤光栅沿轴向固定在超磁致伸缩棒上作为传感元件，二者视为一个整体。

为固定超磁致伸缩棒6，如图2、图3所示，电流探头还包括安装槽8，安装槽8的内侧面设有多个滑轮9，超磁致伸缩棒6的底部中心固定在安装槽8上，且超磁致伸缩棒6的外表面与滑轮9接触。具体地，超磁致伸缩棒6安装在由树脂材料加工的安装槽8中，其中安装槽8的长度为10厘米，宽度为5厘米，高度为3厘米，滑轮9的直径为1厘米。

安装槽8的内侧面设置有油层，超磁致伸缩棒6的外表面与油层接触。具体地，在安装槽8的底面和侧面上涂覆润滑油，安装槽8内侧面的滑轮9对超磁致伸缩棒6起到固定作用，解决了超磁致伸缩材料易脆和抗拉强度差的问题。

当超磁致伸缩棒6在外磁场的作用下沿轴向发生伸缩时，超磁致伸缩棒6在安装槽8内产生伸缩，通过安装槽8内侧面的滑轮9保证了超磁致伸缩棒6的伸缩稳定性，且安装槽8的底面涂有润滑油，超磁致伸缩棒6在伸缩时，减小了超磁致伸缩棒6的底面与安装槽8底面之间的摩擦力。

由于光纤光栅7固定在超磁致伸缩棒6上，超磁致伸缩棒6在外磁场作用下产生的应变传递至光纤光栅7上，二者的应变量相等，应变致使光纤光栅7长度发生变化。光纤光栅7形变量与电流量大小的对应关系如下：

在磁场强度为H的磁场作用下，超磁致伸缩棒6沿轴向方向的磁致伸缩量与外加磁场的关系式如式(1)所示：

其中，L——超磁致伸缩棒长度；

ΔL——超磁致伸缩棒长度的变化量；

C——磁致伸缩材料的伸缩系数。

由纵向应变公式知，超磁致伸缩棒的轴向应变为：ε_m＝ΔL/L。

光纤光栅沿轴向固定在超磁致伸缩棒上，其轴向应变ε_f和超磁致伸缩棒的轴向应变ε_m一样，被测局部放电脉冲电流与光纤光栅轴向应变的对应关系如式(2)所示：

ε_f＝KI² (2)

其中，K——与伸缩系数对应的常量。

由式(2)可知，被测光纤的通电电流与光纤光栅的长度变化量成正比关系，当超磁致伸缩棒在外磁场作用下沿纵向发生伸缩时，其产生的应变传递至光纤光栅上，应变致使光纤光栅长度发生变化，使得激光器发射激光的反射光的中心波长发生变化，通过测量反射光的变化，即可得到被测电流的大小。

激光器发射的激光通过光纤进入光纤光栅7，被测光纤产生的外磁场使得超磁致伸缩棒6与光纤光栅7产生伸缩，使得光纤光栅的长度发生变化，致使反射光发生变化，反射光通过光纤进入数据采集卡，通过数据采集卡4对反射光进行处理分析，获得被测电流的大小。可选的，激光器1为中心波长为1550nm的半导体激光器，光纤光栅7的中心波长为1550nm。

本申请实施例中，激光器1与电流探头之间设有光纤耦合器2，激光器1通过光纤与光纤耦合器2的输入端连接，光纤耦合器2的输出端通过光纤与光纤光栅7连接。光纤耦合器是光纤与光纤之间进行可拆卸(活动)连接的器件，它是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，即通过光纤耦合器2将激光器1输出的激光顺利导入光纤光栅7内。可选的，光纤耦合器2为3dB耦合器。

数据采集卡4与光纤耦合器2连接，用于采集电流探头反射的激光。激光器1发射的激光进入电流探头的光纤光栅7中，光纤光栅7在外磁场作用下腔体长度发生改变，从而改变了激光反射条件，使得激光的反射光的中心波长发生变化。反射光通过光纤传递至光纤耦合器2中，再通过光纤耦合器2传递至数据采集卡4中。

光纤耦合器2与数据采集卡4之间设有光电转换器3，光纤耦合器2的输出端与光电转换器3的输入端连接，光电转换器3的输出端与数据采集卡4连接。光电转换器3将接收到的反射光转换为电信号，电信号输出至数据采集卡4中，通过数据采集卡4对其进行处理，得到被测光纤的电流大小。

本申请实施例提供的基于光纤光栅的局部放电定量检测***的工作原理如下：激光器1产生1550nm的激光，激光经过光纤耦合器进入电流探头，激光在电流探头的光纤光栅中产生反射，当被测光纤缠绕在电流探头的螺纹管上后，被测光纤通电产生外磁场，超磁致伸缩棒在外磁场作用下沿纵向发生伸缩，其产生的应变传递至光纤光栅上，应变致使光纤光栅长度发生变化，使得反射光的中心波长发生变化；变化后的反射光经光纤耦合器进入光电转换器，将反射光转换为电信号，电信号输出至数据采集卡中，数据采集卡对电信号进行处理，得到被测光纤的电流大小。

本申请实施例提供的局部放电定量检测***基于超磁致伸缩材料与光纤光栅，超磁致伸缩材料与光纤光栅在外磁场作用下产生伸缩应变，使得反射光的波长发生变化，通过测量反射光的变化，得到被测电流的大小，解决了传统光纤电流传感器易受线性双折射影响和制作加工工艺要求极高的问题，实现了对铁芯接地电流的全过程不带电定量检测，并具有较好的局部放电检测灵敏度。

基于上述实施例提供的基于光纤光栅的局部放电定量检测***，本申请实施例还提供了一种基于光纤光栅的局部放电定量检测方法。

如图4所示，本申请实施例提供的基于光纤光栅的局部放电定量检测方法包括：

S100：将基于光纤光栅的局部放电定量检测***安装至电气设备的铁芯接地引线上。

在变压器铁芯接地引线安装本申请提供的基于光纤光栅的局部放电定量检测***，在安装时，应保证光纤的长度，使得本***的电气部分(数据采集卡等)尽量远离电磁波干扰源。在安装时，应保证光纤尽可能少的弯曲。在现场电磁干扰特别强烈的情况下，应在螺线管外加装屏蔽层。

S200：建立电流参量与电气设备的局部放电之间的标定关系。

用标定方波发生器标定电气设备的单位幅值放电量，标定10、100pC两个档位。根据单位幅值放电量与电流大小求解线性关系式y＝ax+b，建立电流参量与局部放电视在放电量的标定关系。

S300：检测电气设备的局部放电脉冲电流波形。

电气设备产生局部放电后，检测***的数据采集卡检测到局部放电脉冲电流波形。

S400：根据标定关系与局部放电脉冲电流波形确定局部放电量

检测到局部放电脉冲电流波形后，根据标定关系确定局部放电量。

本申请实施例提供的基于光纤光栅的局部放电定量检测方法对电气设备的局部放电情况进行定量检测，实现了对铁芯接地电流的全过程无源定量检测，并具有较好的局部放电检测灵敏度。

需要说明的是，在本说明书中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或顺序。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (8)

1.一种基于光纤光栅的局部放电定量检测***，其特征在于，包括依次连接的激光器、光纤耦合器、电流探头、光电转换器与数据采集卡，其中，

所述电流探头包括螺纹管、超磁致伸缩棒与光纤光栅，所述超磁致伸缩棒与光纤光栅均固定于所述螺纹管内；所述光纤光栅固定在所述超磁致伸缩棒上，所述光纤光栅的轴向轴线与所述超磁致伸缩棒的轴向轴线相重合。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述电流探头还包括安装槽，所述安装槽的内侧面设置有多个滑轮，所述超磁致伸缩棒固定于所述安装槽内，所述超磁致伸缩棒的外表面与所述滑轮接触。

3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述超磁致伸缩棒的底部中心固定在所述安装槽上。

4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述安装槽的内侧面设置有油层，所述超磁致伸缩棒的外表面与所述油层接触。

5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述激光器通过所述光纤耦合器与所述电流探头的输入端连接，所述电流探头的输出端通过所述光纤耦合器与所述光电转换器的输入端连接；

所述光电转换器的输出端与所述数据采集卡连接。

6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述激光器为中心波长为1550nm的半导体激光器。

7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述光纤光栅的中心波长为1550nm。

8.一种基于光纤光栅的局部放电定量检测方法，其特征在于，所述方法包括：

将基于光纤光栅的局部放电定量检测***安装至电气设备的铁芯接地引线上，其中，所述基于光纤光栅的局部放电定量检测***为权利要求1-7任一项所述的***；

建立电流参量与所述电气设备的局部放电量之间的标定关系；

检测所述电气设备的局部放电脉冲电流波形；

根据所述标定关系与所述局部放电脉冲电流波形确定局部放电量。