CN110174597A - 一种基于荧光光纤的局部放电定位***和定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于荧光光纤的局部放电定位方法，通过荧光光纤获取局部放电信号，分别获取所述荧光光纤两端输出的激发光信号，根据荧光光纤两端获取的激发光信号计算得到局部放电位置。上述优化设计的基于荧光光纤的局部放电定位方法，通过荧光光纤感测导体局部放电信号，利用从荧光光纤两端出射的激发光的衰减原理，对与局部放电位置对应的激发光产生位置进行定位，从而实现局部放电位置的精确可靠定位。本发明还公开了一种基于荧光光纤的局部放电定位的定位***。
Description
技术领域
本发明涉及局部放电检测领域，尤其涉及一种基于荧光光纤的局部放电定位***和定位方法。
背景技术
气体绝缘全封闭组合电器(GIS)、变压器、环网柜等电气设备在高压输变电***中扮演着十分重要的角色，任何器件故障均有可能造成较大的经济损失，而导致这些器件故障的一个重要原因是器件内部的绝缘劣化引起的局部放电(简称局放)。
局放是绝缘劣化的一个表象，同时会使绝缘缺陷进一步扩大而加深劣化程度，因此在电力***中需要实时在线监测局放，并能准确的定位局放，进而提前采取防护措施。局放检测方法均是基于局放过程中发生的物理或化学现象，现有检测方法包括脉冲电流法、超高频法(UHF)、超声波法、化学分析法、光测法等。脉冲电流法是唯一一个拥有国际标准的检测方法，具有设备简单、灵敏度高的优点，但是该方法抗干扰能力差；超高频法在使用内置式传感器时能够提升自身的抗干扰能力，但无法对局放进行定位；超声波法易受振动及声音的干扰；化学分析法需要长期累积数据，不适合实时监测。光测法以荧光光纤作为感测元件，在电器设备内部不受干扰，并且当采用合适的光电探测器时其检测精度极高。目前，国内已有多个团队对光测法进行了深入的研究，其中包括清华大学、西安交通大学、重庆大学等，但他们均无法做到对局放进行实时定位。
发明内容
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种基于荧光光纤的局部放电定位***和定位方法。
本发明提出的一种基于荧光光纤的局部放电定位方法，包括下列步骤：
通过荧光光纤获取局部放电信号，分别获取所述荧光光纤两端输出的激发光信号，根据荧光光纤两端获取的激发光信号计算得到局部放电位置。
优选地，所述根据荧光光纤两端获取的激发光信号计算得到局部放电位置，具体为：根据荧光光纤两端获取的激发光的光功率强度计算得到荧光光纤激发光发生位置，其中，所述激发光发生位置至荧光光纤第一端的距离X与呈线性关系，P1和P2分别为荧光光纤第一端和第二端输出的光功率强度。
优选地，其中，L为所述荧光光纤长度，α为所述荧光光纤传输衰减系数。
优选地，所述分别获取所述荧光光纤两端荧光出射光信号，具体为：分别通过获取所述荧光光纤两端的第一传输光纤和第二传输光纤的出口的光功率强度确定所述荧光光纤两端荧光出射光信号；
根据下列公式计算激发光位置至荧光光纤第一端的距离X：
其中，D1和D2分别为第一传输光纤和第二传输光纤的长度，β1和β2分别为第一传输光纤和第二传输光纤的传输衰减系数，P1′和P2′分别为第一传输光纤和第二传输光纤的出口处获取的光功率强度。
优选地，对所述计算得到的局部放电位置进行修正；
所述修正值通过下列等式得出：
其中，k为荧光光纤本征常数。
本发明中，所提出的基于荧光光纤的局部放电定位方法，通过荧光光纤获取局部放电信号，分别获取所述荧光光纤两端输出的激发光信号，根据荧光光纤两端获取的激发光信号计算得到局部放电位置。上述优化设计的基于荧光光纤的局部放电定位方法，通过荧光光纤感测导体局部放电信号，利用从荧光光纤两端出射的激发光的衰减原理，对与局部放电位置对应的激发光产生位置进行定位，从而实现局部放电位置的精确可靠定位。
本发明还公开了一种用于实现上述的基于荧光光纤的局部放电定位方法的定位***，其特征在于，包括：荧光光纤、第一光电探测模块、第二光电探测模块、信号处理模块；
第一光电探测模块和第二光电探测模块的信号输入端分别与荧光光纤两端连接，第一光电探测模块和第二光电探测模块的信号输出端与信号处理模块连接，信号处理模块根据第一光电探测模块和第二光电探测模块的探测信号计算与局部放电对应的激发光位置；
优选地，信号处理模块根据第一光电探测模块和第二光电探测模块获取的荧光出射光功率强度计算得到激发光位置，其中，所述激发光位置至荧光光纤第一端的距离X与呈线性关系，P1和P2分别为荧光光纤第一端和第二端的输出光功率强度；
更优选地，其中，L为所述荧光光纤长度，α为所述荧光光纤传输衰减系数。
优选地，还包括第一传输光纤和第二传输光纤，第一传输光纤两端分别与荧光光纤的第一端和第一光电探测模块连接，第二传输光纤两端分别与荧光光纤的第二端和第二光电探测模块连接，信号处理模块根据下列公式计算与放电位置对应的激发光位置至荧光光纤第一端的距离X：
其中，D1和D2分别为第一传输光纤和第二传输光纤的长度，β1和β2分别为第一传输光纤和第二传输光纤的传输衰减系数，P1′和P2′分别为第一传输光纤21和第二传输光纤22的出口处获取的光功率强度；
优选地，还包括第一非金属光纤连接器和第二非金属光纤连接器，第一传输光纤与荧光光纤第一端通过第一非金属光纤连接器连接，第二传输光纤与荧光光纤第二端通过第二非金属光纤连接器连接。
优选地，信号处理模块通过下列公式对计算得到的激发光位置进行修正：
其中，k为荧光光纤本征常数。
优选地，包括多根荧光光纤，多根荧光光纤平行布置且共同围成检测空间。
优选地，第一光电探测模块和/或第二光电探测模块的入射端均设有窄带滤光片；
优选地，第一光电探测模块包括第一光纤耦合器和第一光电探测器，第二光电探测模块包括第二光纤耦合器和第二光电探测器；
更优选地，还包括隔离外壳，隔离外壳上设有进线口、出线口、第一光纤连接端口、第二光纤连接端口，荧光光纤位于隔离外壳内且两端分别与第一光纤连接端口和第二光纤连接端口连接；
进一步优选地，荧光光纤沿进线口向出线口方向延伸。
本发明中，所提出的基于荧光光纤的局部放电定位***，通过荧光光纤对导体局部放电进行捕获，抗干扰性能优异，通过对荧光光纤两端的信号进行探测，从而能够对荧光光纤上与局部放电对应的激发光位置进行定位，实现对导体局放位置的精确定位。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于荧光光纤的局部放电定位***的一种实施方式的结构示意图。
图2为本发明提出的一种基于荧光光纤的局部放电定位***的另一种实施方式的结构示意图。
具体实施方式
如图1和2所示，图1为本发明提出的一种基于荧光光纤的局部放电定位***的一种实施方式的结构示意图，图2为本发明提出的一种基于荧光光纤的局部放电定位***的另一种实施方式的结构示意图。
参照图1，本发明提出的一种基于荧光光纤的局部放电定位方法，包括下列步骤：
通过荧光光纤1获取局部放电信号，分别获取所述荧光光纤1两端输出的激发光信号，根据荧光光纤1两端获取的激发光信号计算得到局部放电位置。
为了详细叙述本实施例提出的基于荧光光纤的局部放电定位方法，本实施例还提出一种用于实现所述的基于荧光光纤的局部放电定位方法的定位***，包括：荧光光纤1、第一光电探测模块、第二光电探测模块、信号处理模块7；
第一光电探测模块和第二光电探测模块的信号输入端分别与荧光光纤1两端连接，第一光电探测模块和第二光电探测模块的信号输出端与信号处理模块7连接，信号处理模块7根据第一光电探测模块和第二光电探测模块的探测信号计算与局部放电对应的激发光位置。
在本实施例的定位***的具体工作方式中，参照图1，预先将荧光光纤放置在待检测导体100一侧，且沿导体100延伸方向布置；导体100发生局放时，荧光光纤上与导体局放对应位置产生激发光信号，并且激发光信号朝荧光光纤两端传输，通过第一光电探测器41和第二光电探测器42获取荧光光纤两端的输出信号，信号处理器根据两端输出信号中的光学特征参数得出荧光光纤的激发光产生位置，从而对导体局放进行定位。
在本实施例中，所提出的基于荧光光纤的局部放电定位方法，通过荧光光纤获取局部放电信号，分别获取所述荧光光纤两端输出的激发光信号，根据荧光光纤两端获取的激发光信号计算得到局部放电位置。通过上述优化设计的基于荧光光纤的局部放电定位方法，通过荧光光纤感测导体局部放电信号，利用从荧光光纤两端出射得到的激发光衰减，对与局部放电位置对应的激发光产生位置进行定位，从而实现局部放电位置的精确可靠定位。
在信号处理器具体信号处理中，选择不同光学特征参数均可得出荧光光纤的激发光产生位置。例如，根据光学经典传输理论：L＝CT，其中，C为激发光在光纤中的行进速度，L为激发光在光纤中的行进距离，T为激发光产生位置到光电探测器的时间，基于该理论，信号处理器可以通过两端光电探测器接收到光的时间差得到激发光产生位置。
然而，由于检测局放的荧光光纤长度的限制，致使荧光光纤两端探测到光信号的时间差较小，因此对于常规光电探测设备而言，荧光光纤两端光电探测器的探测信号时间差受探测精度影响较大，造成通过信号时间差计算的位置精确性误差较大。
在本实施例中，根据《光纤光学原理及应用(2012年)》中提出的根据光纤的传输特性：
PZ＝P0*exp(-γZ)； (1)
其中，γ为传输衰减系数，Z为光纤长度，PZ为输出光信号强度，P0为输入光信号强度。
所述根据荧光光纤1两端获取的激发光信号计算得到局部放电位置，具体为：根据荧光光纤1两端获取的激发光的光功率强度计算得到荧光光纤1激发光发生位置，其中，所述激发光发生位置至荧光光纤1第一端的距离X与呈线性关系，P1和P2分别为荧光光纤1第一端和第二端输出的光功率强度。
基于等式(1)，可以推出，
P0＝Pz*exp(YZ)； (2)
那么，发生局放时，根据公式(2)，可以得到荧光光纤1第一端和第二端输出的光功率强度：
P1＝P0′*exp(-αX) (3)
P2＝P0′*exp[-α(L-X)] (4)
其中，X为所述激发光发生位置至荧光光纤1第一端的距离，P0′为荧光光纤的初始激发光的光功率强度；
从而根据等式(3)(4)得到：
其中，L为所述荧光光纤1长度，α为所述荧光光纤1传输衰减系数。因此，根据荧光光纤两端探测的光功率强度P1和P2，即可得到X的精确定位。
在具体实施方式中，例如，在GIS设备局放检测中，由于设备侧壁开口具有严格要求，在荧光光纤布置时，荧光光纤两端的光信号能够通过传输光纤从单侧信号出口法兰输出，从而在不影响GIS的正常工作环境的情况下，对局放进行检测；因此，本实施例的定位***还包括第一传输光纤21和第二传输光纤22，第一传输光纤21两端分别与荧光光纤1的第一端和第一光电探测模块连接，第二传输光纤22两端分别与荧光光纤1的第二端和第二光电探测模块连接；在布置环境的空间存在一定限制时，荧光光纤两端通过传输光纤与光电探测器连接，便于荧光光纤的布置和连接。
此时，在信号处理时，需要进一步考虑两根传输光纤衰减对光电探测模块的探测结果的影响，根据等式(1)，两端传输光纤入口的光信号强度分别为：
P1＝P1′*exp(β1D1) (6)
P2＝P2′*exp(β2D2) (7)
其中，D1和D2分别为第一传输光纤21和第二传输光纤22的长度，β1和β2分别为第一传输光纤21和第二传输光纤22的传输衰减系数，P1′和P2′分别为两端光电探测模块探测的光功率强度，即为第一传输光纤和第二传输光纤出口的光功率强度。因此，联合等式(5)、(6)、(7)能够得到：
根据等式(8)，在计算中只需根据光探测模块得到的光功率强度即可计算得出X的值，从而精确定位局放发生的位置。
在实际操作中，由于荧光光纤本征参数的影响，信号处理模块7通过下列公式对计算得到的激发光位置进行修正：
其中，k为荧光光纤1本征常数。
在一种实施方式中，由于均匀光纤材料本身的晶体结构影响，荧光光纤在某一点产生的激发光向光纤两端的传输功率存在一定差异，因此，为了消除这种差异对计算结果的影响，荧光光纤两端出口处的修正光功率强度分别为：
P修1＝P初1′*exp(-αX修)； (10)
P修2＝P初2′*exp[-α(L-X修)]； (11)
其中，P初1′为朝向荧光光纤第一端方向的激发光初始光功率强度，P初2′为朝向荧光光纤第二端方向的激发光初始光功率强度；
联合等式(10)(11)计算得到：
此时，根据等式(9)(12)得到：
在实际操作中，针对现有定位***的荧光光纤，可通过预设光源模拟局放发生，从而计算***中荧光光纤的本征常数k值。
在进一步具体实施方式中，由于GIS设备内部导体为高压导体，其周围产生高压电场，因此在荧光光纤与传输光纤连接时选择非金属光纤连接器，第一传输光纤21与荧光光纤1第一端通过第一非金属光纤连接器31连接，第二传输光纤22与荧光光纤1第二端通过第二非金属光纤连接器32连接，在检测局放时，非金属光纤连接器不会对导体周围的电场产生影响。
为了提高局放检测的灵敏度，可以在导体周围布置多根荧光光纤1，多根荧光光纤1平行布置且共同围成检测空间，通过多根荧光光纤能够捕获导体周向不同方向上的局放激发光，提高检测精度。
在其他具体实施方式中，当发生局放时，荧光光纤受到局放影响吸收波长为λ1的光信号，激发出波长为λ2的光信号并沿着荧光光纤到达两端，通过光电探测器获取波长为λ2的光信号，由于λ2大于λ1，因此为了避免λ1对最终检测结果的影响，在第一光电探测模块和第二光电探测模块的入射端设置窄带滤光片，从而过滤波长为λ1的光信号。
在光电探测器的具体设计方式中，第一光电探测模块包括第一光纤耦合器51和第一光电探测器41，第二光电探测模块包括第二光纤耦合器52和第二光电探测器42。
当检测开放环境中导体200的局放时，参照图2，本实施例的定位装置还包括隔离外壳6，隔离外壳6上设有进线口、出线口、第一光纤连接端口、第二光纤连接端口，荧光光纤1位于隔离外壳6内且两端分别与第一光纤连接端口和第二光纤连接端口连接；安装时，通过隔离外壳将导体的待检测段隔离在外壳内，并且导体两端分别穿过进线口和出线口，荧光光纤位于导体一侧且两端分别通过光纤连接端口与外部光电探测器连接，在导体外部形成隔离的检测空间，防止外部环境光对荧光光纤造成干扰。
在荧光光纤的具体布置方式中，荧光光纤1沿进线口向出线口方向延伸。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于荧光光纤的局部放电定位方法，其特征在于，包括下列步骤：
通过荧光光纤(1)获取局部放电信号，分别获取所述荧光光纤(1)两端输出的激发光信号，根据荧光光纤(1)两端获取的激发光信号计算得到局部放电位置。
2.根据权利要求1所述的基于荧光光纤的局部放电定位方法，其特征在于，所述根据荧光光纤(1)两端获取的激发光信号计算得到局部放电位置，具体为：根据荧光光纤(1)两端获取的激发光的光功率强度计算得到荧光光纤(1)激发光发生位置，其中，所述激发光发生位置至荧光光纤(1)第一端的距离X与呈线性关系，P1和P2分别为荧光光纤(1)第一端和第二端输出的光功率强度。
3.根据权利要求2所述的基于荧光光纤的局部放电定位方法，其特征在于，其中，L为所述荧光光纤(1)长度，α为所述荧光光纤(1)传输衰减系数。
4.根据权利要求2所述的基于荧光光纤的局部放电定位方法，其特征在于，所述分别获取所述荧光光纤(1)两端荧光出射光信号，具体为：分别通过获取所述荧光光纤(1)两端的第一传输光纤(21)和第二传输光纤(22)的出口的光功率强度确定所述荧光光纤(1)两端荧光出射光信号；
根据下列公式计算激发光位置至荧光光纤(1)第一端的距离X：
其中，D1和D2分别为第一传输光纤(21)和第二传输光纤(22)的长度，β1和β2分别为第一传输光纤(21)和第二传输光纤(22)的传输衰减系数，P1′和P2′分别为第一传输光纤(21)和第二传输光纤(22)的出口处获取的光功率强度。
5.根据权利要求2或4所述的基于荧光光纤的局部放电定位方法，其特征在于，对所述计算得到的局部放电位置进行修正；
所述修正值通过下列等式得出：
其中，k为荧光光纤(1)本征常数。
6.一种用于实现权利要求1-5任一项所述的基于荧光光纤的局部放电定位方法的定位***，其特征在于，包括：荧光光纤(1)、第一光电探测模块、第二光电探测模块、信号处理模块(7)；
第一光电探测模块和第二光电探测模块的信号输入端分别与荧光光纤(1)两端连接，第一光电探测模块和第二光电探测模块的信号输出端与信号处理模块(7)连接，信号处理模块(7)根据第一光电探测模块和第二光电探测模块的探测信号计算与局部放电对应的激发光位置；
优选地，信号处理模块(7)根据第一光电探测模块和第二光电探测模块获取的荧光出射光功率强度计算得到激发光位置，其中，所述激发光位置至荧光光纤(1)第一端的距离X与呈线性关系，P1和P2分别为荧光光纤(1)第一端和第二端的输出光功率强度；
更优选地，其中，L为所述荧光光纤(1)长度，α为所述荧光光纤(1)传输衰减系数。
7.根据权利要求6所述的基于荧光光纤的局部放电定位***，其特征在于，还包括第一传输光纤(21)和第二传输光纤(22)，第一传输光纤(21)两端分别与荧光光纤(1)的第一端和第一光电探测模块连接，第二传输光纤(22)两端分别与荧光光纤(1)的第二端和第二光电探测模块连接，信号处理模块(7)根据下列公式计算与放电位置对应的激发光位置至荧光光纤(1)第一端的距离X：
其中，D1和D2分别为第一传输光纤(21)和第二传输光纤(22)的长度，β1和β2分别为第一传输光纤(21)和第二传输光纤(22)的传输衰减系数，P1′和P2′分别为第一光电探测模块获取的光功率强度和第二光电探测模块获取的光功率强度；
优选地，还包括第一非金属光纤连接器(31)和第二非金属光纤连接器(32)，第一传输光纤(21)与荧光光纤(1)第一端通过第一非金属光纤连接器(31)连接，第二传输光纤(22)与荧光光纤(1)第二端通过第二非金属光纤连接器(32)连接。
8.根据权利要求6所述的基于荧光光纤的局部放电定位***，其特征在于，信号处理模块(7)通过下列公式对计算得到的激发光位置进行修正：
其中，k为荧光光纤(1)本征常数。
9.根据权利要求6所述的基于荧光光纤的局部放电定位***，其特征在于，包括多根荧光光纤(1)，多根荧光光纤(1)平行布置且共同围成检测空间。
10.根据权利要求6所述的基于荧光光纤的局部放电定位***，其特征在于，第一光电探测模块和/或第二光电探测模块的入射端均设有窄带滤光片；
优选地，第一光电探测模块包括第一光纤耦合器(51)和第一光电探测器(41)，第二光电探测模块包括第二光纤耦合器(52)和第二光电探测器(42)；
更优选地，还包括隔离外壳(6)，隔离外壳(6)上设有进线口、出线口、第一光纤连接端口、第二光纤连接端口，荧光光纤(1)位于隔离外壳(6)内且两端分别与第一光纤连接端口和第二光纤连接端口连接；
进一步优选地，荧光光纤(1)沿进线口向出线口方向延伸。
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