基于光纤布拉格光栅的电力变压器局部放电检测系统及检测方法

摘要

基于光纤布拉格光栅的电力变压器局部放电检测系统，包括：LD泵浦源、波分复用器、掺饵光纤、隔离器、第一第二光纤耦合器、第一第二光纤布拉格光栅、光电探测器、声发射采集卡及计算机；LD泵浦源、波分复用器、掺饵光纤、隔离器、第一光纤耦合器的两个输入端在同一回路中，组成环形腔掺铒光纤激光器；第一光纤耦合器的一个输出端连接第一光纤布拉格光栅，第一光纤耦合器的另一个输出端连接第二光纤耦合器的一个输入端；第二光纤耦合器的一个输出端连接第二光纤布拉格光栅，第二光纤耦合器的另一输入端连接光电探测器；光电探测器通过声发射采集卡和计算机相连接。本发明可以对变压器进行在役实时和连续监测，抗电磁干扰能力强，受温度影响小，检测精度高，灵活性好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光纤布拉格光栅的电力变压器局部放电检测系统及检测方法， 属于声发射无损检测技术领域。

背景技术

大型电力变压器是电力系统的重要设备之一，是变电站的核心设备，其运行状况直 接关系着电力系统的安全经济运行。随着电力系统的发展和电压等级的提高，局部放电 (Partial Discharge，简称PD)已经成为电力变压器绝缘劣化的主要原因之一，因而局部 放电的检测与评价也就成为变压器绝缘状况检测的重要手段。运行中的电力变压器内部 发生局部放电时，其局部放电量的大小在一定程度上反映了绝缘缺陷的状况，放电功率 的强弱反映了绝缘老化过程能量变换的强弱，而放电次数与放电间隔则反映了绝缘老化 的速度和程度。当局部放电发展到严重阶段时，固体绝缘材料和油迅速分解，导致整个 绝缘被击穿，因此检测局部放电的程度能知道绝缘状况。

变压器在局部放电过程中，总是伴随着脉冲电流、电磁辐射以及声、光、热等现象。 近年来利用局部放电过程中产生的声发射信号来对其进行判断和定位的方法越来越引 起人们的重视。这是因为当介质内发生局部放电时，由于分子的激烈撞击，气泡的形成 和发展，液体的流动以及固体材料的微小开裂，会产生一定的声发射信号。通过研究发 现，局部放电产生的这些声信号与局部放电的程度和类型有着一定的对应关系，因此可 以用声发射检测手段对局部放电进行监测，从而得到电力变压器的健康状况。

现有的中国专利200510000496.3“局部放电测量方法及其装置”直接测量局部放电 的电脉冲信号，存在抗干扰能力差、测量频率低、频带窄、包含的信息量少等问题；中 国专利CN201010023128.1“电力变压器局部放电在线检测和定位系统”、 200920102761.2“一种适用于变压器局部放电检测的超声平面阵列传感器”用的都是超 声波检测法，超声波传感器的灵敏度较差，无法再现场有效地检测到信号；中国专利 200820152381.5“气体绝缘组合电器局部放电检测系统”揉合了超高频检测和声发射检 测技术，检测效率高，但所用的声发射传感器为传统的压电式传感器，体积大，易受电 磁干扰的影响。

发明内容

本发明的目的在于，克服已有的技术局限，提供一种基于光纤布拉格光栅的电力变 压器局部放电检测系统及检测方法，可以对变压器进行在役实时和连续监测，抗电磁干 扰能力强，受温度影响小，检测精度高，灵活性好。

本发明的技术方案：基于光纤布拉格光栅的电力变压器局部放电检测系统包括：LD 泵浦源、波分复用器、掺饵光纤、隔离器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一光 纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅、光电探测器、声发射采集卡及计算机；LD泵浦 源、波分复用器、掺饵光纤、隔离器、第一光纤耦合器的两个输入端A口和B口在同一 回路中，组成环形腔掺铒光纤激光器；第一光纤耦合器的一个输出端C口连接第一光纤 布拉格光栅，第一光纤耦合器的另一个输出端D口连接第二光纤耦合器的一个输入端E 口；第二光纤耦合器的一个输出端G口连接第二光纤布拉格光栅，第二光纤耦合器的另 一输入端F口连接光电探测器；光电探测器通过声发射采集卡和计算机相连接。

LD泵浦源发出的光经波分复用器将引入掺饵光纤；掺饵光纤中的饵离子吸收能量 后发生粒子数反转，进而产生放大的自发辐射，光信号被放大；再通过隔离器传输到第 一光纤耦合器上；大部分的光经第一光纤耦合器的另一个输出端D口输出，小部分的光 经第一光纤耦合器的一个输出端C口被第一光纤布拉格光栅反射后，作为反馈光返回回 路中；第一光纤耦合器的另一输出端D口输出的窄带激光，作为输入进入第二光纤耦合 器一个输入端E口，再从第二光纤耦合器的一个输出端G口到达第二光纤布拉格光栅， 符合中心波长的光回到第二光纤耦合器的另一输入端F口出射，进入光电探测器；光电 探测器将光信号转化为电信号后，输入声发射采集卡，在声发射采集卡中进行信号的综 合分析与处理，最后在计算机中得以显示。

所述LD泵浦源的中心波长为980nm，输出功率≥180mW，输出光功率长期稳定度 为±0.01dB。

所述波分复用器的工作波长为980nm或1550nm，隔离特性为29.6dB。

所述第一光纤耦合器的分光比为90∶10，第二光纤耦合器的分光比为50∶50。

所述第一光纤布拉格光栅作为环形掺饵光纤激光器的滤波器，第二光纤布拉格光栅 作为声发射检测系统的传感器；第一和第二光纤布拉格光栅的反射率、边模抑制比、3dB 带宽、温度灵敏度系数等参数基本一致，中心波长相差0.1nm；现场检测时，第一和第 二光纤布拉格光栅应放置于同一温度环境中。

所述第二光纤布拉格光栅的中心波长1550nm，反射率＞90％，3dB带宽＜0.20nm。

本发明与现有技术相比的优点在于：现有的电力变压器局部放电超声波传感器灵敏 度比较差，基于声发射原理的压电陶瓷传感器又易受电磁干扰的影响，而本发明将光纤 布拉格光栅声发射传感技术引入电力变压器局部电压的检测，灵敏度高，抗电子干扰能 力强，体积小，灵活性好；本发明采用双光栅法，将滤波FBG与传感FBG放在同一温 度环境中，它们的中心波长随温度的变化同节奏的偏移，这就大大降低了电力变压器周 围的环境温度变化对声发射检测的影响，精度高，信噪比高。

附图说明

图1为本发明结构框图。

图中：1、LD泵浦源，2、波分复用器(WDM)，3、掺饵光纤(EDF)，4、隔离 器(ISO)，5、第一光纤耦合器，6、第一光纤布拉格光栅(FBG)，7、第二光纤布拉 格光栅(FBG)，8、第二光纤耦合器，9、光电探测器，10、声发射采集卡，11、计算 机。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的基于光纤布拉格光栅的电力变压器局部放电检测系统包 括：LD泵浦源1，波分复用器(WDM)2，掺饵光纤(EDF)3，隔离器(ISO)4，第 一、第二光纤耦合器5、8，第一、第二光纤布拉格光栅(FBG)6、7，光电探测器9， 声发射采集卡10，计算机11；其中，LD泵浦源1、WDM 2、EDF 3、ISO 4、第一光纤 耦合器5在同一回路中，组成环形腔掺铒光纤激光器；第一光纤耦合器5的A口和B 口，在上述回路内；第一耦合器5的C口连接第一FBG 6，第一光纤耦合器5的D口， 连接第二光纤耦合器8的E口；第二光纤耦合器8的G口连接第二FBG 7，第二光纤耦 合器8的F口，连接光电探测器9；光电探测器9再依次与声发射采集卡10和计算机 11相连接。

LD泵浦源1发出的光经WDM 2将引入EDF 3，光纤中的饵离子吸收能量后发生粒 子数反转，进而产生放大的自发辐射，光信号被放大，再通过隔离器4传输到第一光纤 耦合器5上，90％的光经D口输出，10％的光经C口被第一FBG 6反射后，作为反馈光 返回回路中。反馈光沿顺时针在腔内传输，再经过WDM 2耦合进EDF3，完成一次循环。 每一次循环过程中光波的能量均得到放大，当增益大于回路中的传输损耗时，产生振荡， 从而形成环形掺饵光纤激光器。

第一光纤耦合器5的D口输出的窄带激光，作为输入进入第二光纤耦合器8的E 口，再从G口到达第二FBG 7，符合中心波长的光回到第二光纤耦合器8后从F口出射， 进入光电探测器9。光电探测器9将光信号转化为电信号后，输入声发射采集卡10，在 声发射采集卡11中进行信号的综合分析与处理，最后在计算机11中得以显示。

泵浦光源，可以为掺饵光纤中的饵离子提供能量，发生粒子数反转。泵浦源的选择 非常关键，它直接影响光纤激光器的输出性能，要求泵浦源能够提供稳定的能量且使用 寿命长。980nm激光二极管具有噪声低、泵浦效率高、驱动电流小、增益平坦性好等优 点，故被本实施例所选用。其输出功率≥180mW，输出光功率长期稳定度为±0.01dB。

光纤耦合器是一种光无源器件，是用来连接两根或多根光纤，使光纤中传输的光信 号在特殊的耦合区发生耦合，并进行功率或波长分配的元器件。目前主要有熔融拉锥法 制单模光纤耦合器，它是将两根(或两根以上)除去涂覆层的光纤以一定的方法靠拢，在 高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构。所 述第一光纤耦合器的分光比为90∶10，第二光纤耦合器的分光比为50∶50。

光隔离器可以使信号光在光纤回路中只能沿正方向传输，这样可以有效防止后向反 射和散射作用影响激光器的输出稳定性。它的选择指标是插入损耗低、隔离度优于40dB。

波分复用器是用来提高传输信息容量，把输入的信号光和泵浦光源输出的泵浦光混 合起来的装置。本事实例中所用的波分复用器的工作波长为980nm或1550nm，隔离特 性为29.6dB。

所述第一FBG作为环形掺饵光纤激光器的滤波器，第二FBG作为声发射检测系统 的传感器；在器件选择上，第一第二FBG要选取反射率、边模抑制比、3dB带宽、温度 灵敏度系数等参数基本一致，中心波长相差0.1nm左右的光纤布拉格光栅；在现场检测 时，将第一第二FBG放置于同一温度环境中，使它们的中心波长随着现场温度的漂移 而同向等值地变化，从而消除温度因素对系统检测准确性的影响。