变压器局部放电光纤超声检测技术及新复用方法

传统的变压器局部放电声波检测技术主要是使用压电陶瓷传感器进行外置式检测,检测效果较差。光纤超声传感器具有绝缘性能好、抗电磁干扰性能优异、尺寸小等优势,可深入变压器内部感知微弱超声信号,这为变压器局部放电检测提供一种全新的解决方案。目前,国内外诸多研究机构已针对于变压器局部放电检测需求研制出各种光纤超声传感器。这些传感器在实验室研究中表现出优异的检测性能,但尚鲜有工程应用。此外,文献报道的光纤超声传感器主要为单点式结构。光纤超声传感器的多路复用问题一直未能得到很好的解决。为此,对现有光纤超声传感器的研究现状进行总结,从基本原理、结构参数、性能指标等方面进行对比分析,为推动光纤超声传感器应用于现场电力变压器局部放电检测提供理论参考。并针对于光纤超声传感器多路复用问题,提出一种基于光频域扫描干涉仪的分布式光纤超声传感系统,该系统能够对变压器局部放电产生的超声波进行多点同步检测,实现放电源定位。     

基于Michelson光纤干涉的GIS局部放电超声信号检测技术

传统的局部放电超声检测技术主要是使用PZT传感器进行检测,但其性能已难以满足电力设备局部放电超声检测需求。近年来,研究人员对光纤超声传感器开展了大量研究,但缺乏针对传感器检测下限的研究,且测试较少在真实GIS平台上开展。为此,基于Michelson干涉原理研制光纤超声传感系统,并研究芯轴尺寸对传感器性能的影响规律,搭建声发射传感器性能测试平台,探究光纤传感器对微弱超声信号的检测性能,优化传感单元设计方案。在此基础上,基于126 kV GIS开展干涉型光纤超声传感器局部放电检测性能测试。实验结果表明:所研制干涉式光纤超声传感系统可用于实际GIS设备局部放电超声信号检测,所研制的光纤超声传感器平均灵敏度为82.5dB(0dB=1V/(m×s-1)),比PZT传感器(R15a)高18.7dB。对于GIS壳体尖端放电,光纤超声传感器的局部放电检测电压比PZT低44%,可测放电量低37.2%。在相同超声信号激励下,光纤传感器最大响应幅值比PZT高552%。     

基于线型腔光纤激光器的变压器局部放电长距离检测技术EI北大核心CSCD

用于电力设备局部放电检测的传统光纤声波传感器,因受灵敏度、介质相融性、难以与解调系统空间分离等因素影响尚未广泛应用。线型腔光纤激光器(linear cavity fiber laser,LCFL)因具有超窄出射线宽而对高频应变具有极高的检测灵敏度,且其体积微小,敏感单元与解调系统相互独立,可有效解决传统光纤声波传感器所面临的上述问题。该文提出并研制基于线型腔光纤激光器技术的局部放电声波检测系统。为解决LCFL光源本征特性在局部放电长距离检测应用中引入的外部光反馈噪声问题,利用半导体激光器外部光反馈理论确定光隔离器的安装位置,使LCFL工作于外部光反馈系数A区(0~200.6m)对系统进行优化,将系统长距离条件下的平均噪声幅值降低了87.49%。在80kVA油浸式变压器绕组长距离传导光纤局部放电检测平台开展实验,结果表明:所研究的LCFL局部放电检测系统在最大超声衰减情况下可有效应用于局部放电长距离检测。在相同超声激励源下,LCFL系统平均最大响应幅值比压电陶瓷传感器(piezoelectric transducer,PZT)高1354%,且稳定性优于PZT。     

变压器局部放电超声法检测中超声传感器的应用

随着超声检测技术在变压器局部放电检测系统中的广泛应用,如何选择一个适合应用的超声传感器成为一个亟待解决的问题。通过对目前国内外变压器局部放电检测系统中超声传感器的应用现状及适用条件,以及各种传感器的灵敏度及工作频带等的实验和对比分析,指出了各种超声传感器的应用特点并预测了变压器局部放电检测系统中超声传感器的发展方向。     

基于光纤迈克尔逊干涉仪的GIS内置局部放电超声传感技术

气体绝缘开关设备(gas insulation switchgear, GIS)局部放电超声传感器主要采用外置安装方法。受制于GIS设备内部的复杂结构和SF6气体的强声波吸收率,局部放电产生的超声波信号传达至GIS外壳时往往非常微弱,传统的压电传感器灵敏度难以满足对局部放电微弱声波信号的检测需求。因此,基于光纤传感器的全绝缘和抗电磁干扰特性,提出了一种内置型迈克尔逊超声传感技术,设置仿真和试验研究光纤对于GIS内部电场分布的影响。分析光纤环的尺寸对超声信号检测灵敏度的影响,搭建平台测试光纤超声传感器的频响特性和抗干扰性能。在此基础上,搭建了GIS局部放电检测试验平台开展局部放电检测试验。结果表明：内置式迈克尔逊超声传感光纤环布置在GIS局部放电模型附近后可以检测到8.8 pC的尖端放电、15.3 pC的自由颗粒放电和53.5 pC的沿面放电,且相同放电量下压电传感器未测得有效信号。     

用于油中局部放电检测的Fabry-Perot光纤超声传感技术

高压电气设备中局部放电(PD)的光学检测方法是具有多重优势的新型检测方法,它灵敏度高,不受电磁干扰(EMI)的影响,有着高强度的绝缘性能。为此,介绍了基于Fabry-Perot(F-P)干涉法的F-P光纤超声检测系统的特点和原理,制作了局部放电模型,并使用F-P光纤传感器与压电陶瓷(PZT)传感器进行了联合检测。试验验证了F-P光纤传感器检测的局部放电信号幅值与局部放电量的关系,并研究了不同检测角度下F-P光纤传感器检测的局部放电信号响应。结果表明:F-P光纤传感器可以有效地检测到局部放电信号,有较高的检测灵敏度;F-P光纤传感器检测的局部放电信号幅值与局部放电量在一定范围内有着正相关关系;该F-P光纤传感器能够检测到全角度的局部放电信号。因此,F-P光纤传感器可以很好地应用在高压电气设备的状态监测中。     

一种用于高压电气设备局放超声检测的新型EFPI传感器

本文介绍了一种新型结构的光纤EFPI超声传感器，可内置于变压器、GIS等高压电气设备，并用新型结构的光纤EFPI超声传感器在不同温度和不同压强条件下，进行局部放电超声信号的检测。新型传感器采用全石英焊接工艺，在F-P腔上开孔，使绝缘介质进入F-P腔，平衡了石英膜片两侧由于温度和绝缘介质产生的压强差，并在石英膜片内表面上局部镀铝膜，提高膜片内表面的光反射率，提升了传感器的灵敏度。通过用传感器在不同温度、不同距离下进行测试，验证了传感器的温度、频率等性能，为检测高压电气设备内部局部放电提供了一种新的检测方法。     

提高高频电流传感器灵敏度的方法

高频电流传感器是变压器局部放电在线监测的关键部件。本文对主频电流传感器的输出响应进行了理论分析与模拟试验，探讨了影响高频电流传感器灵敏度的若干因素，提出了提高高频电流传感器灵敏度的几种有效方法，理论分析与实测误差〈５％。     

基于有源光纤光栅阵列的局部放电声发射检测与定位技术EI北大核心CSCD

针对现有光纤超声传感器复用系统光路繁琐、传感器无法实现多点同步测量等不足,该文提出一种基于有源光纤光栅(fiber bragg grating,FBG)阵列的局放声发射传感检测方法。通过抑制系统的弛豫振荡噪声、引入不平衡干涉仪和声光调制器将微小波长变化的检测转化为相位变化进行解调,使系统检测灵敏度明显提高;理论推导并验证非平衡干涉仪臂长差优化设置方案,使光纤超声传感阵列各传感元检测下限比压电陶瓷换能器(piezoelectric transducer,PZT)低17.1%~19.7%。在此基础上,开展变压器油中局部放电检测与定位实验。实验表明:在1000mm×1000mm×1100mm的油箱内定位精度小于40mm;对于变压器油中悬浮放电模型,有源FBG的局部放电检测起始电压比PZT低22.2%,可测放电量低24.0%。结果可为变压器油中局部放电提供一种高灵敏度的检测与定位方法。     

基于宽频带声电检测的变压器现场局部放电诊断及定位方法

为提升变压器局部放电特高频信号检测灵敏度和抗干扰能力,研制了上限检测频率达480 MHz的特高频线圈传感器,其具备在变压器铁芯/夹件接地位置检测局部放电特高频电流信号的能力。在实验室设置局部放电模拟缺陷,研究了变压器悬浮电位放电和绝缘表面放电的信号特征,有助于对现场检测的信号进行类型识别。研究了变压器现场检测去干扰方法,在此基础上研究了基于宽频带声电检测的变压器现场局部放电诊断及定位方法,并进行了实测验证,检出110 kV变压器内部局部电位放电缺陷,有助于提升变压器局部放电现场检测水平和诊断准确性。     

高灵敏硅凹槽膜片型光纤F-P局部放电超声传感器

文中设计并制备了一种硅凹槽膜片型光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)超声传感器,用于电力设备局部放电检测。采用有限元软件优化设计传感膜片的凹槽参数,与传统圆形膜片相比,硅凹槽膜片的静态灵敏度提升4.09倍且谐振频率基本不变。通过耦合效率修正传统双光束干涉模型,研究F-P腔长对传感器干涉光谱对比度的影响,以提升传感器的声压灵敏度。利用微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)制备硅凹槽膜片,其凹槽直径为829.44 μm,厚度为2.09 μm,F-P腔长为163.600 μm。在谐振频率61.5 kHz处,传感器声压灵敏度可达357.78 mV/Pa,并结合气体绝缘开关(gas insulated switchgear,GIS)局部放电缺陷模型对传感器性能进行验证。实验结果表明,文中所制备的光纤F-P超声传感器具有声压灵敏度高、实时性好、超声信号检测能力强等优点。     

基于F-P光纤超声传感器和概率神经网络的油中局部放电模式识别研究

F-P光纤超声传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强、电绝缘性良好等诸多优点,可在油中检测局部放电发出的超声信号。为了识别F-P光纤超声传感器所测局部放电信号的故障类别,建立了油楔、悬浮、尖端和沿面4种典型的局部放电模型,并进行了相关的试验研究。针对超声脉冲波形研究了一种信号特征参数提取的方法,实现了特征参数的提取,然后应用概率神经网络对超声信号进行智能模式识别,分析了识别效果。建立的4种局部放电模型能够产生稳定的超声信号,满足试验要求,并提取了超声脉冲波形特征参数,对其运用概率神经网络进行模式识别分析,结果发现识别效果良好,有较高的识别正确率。     

一种用于电力变压器局部放电在线监测的光纤传感器

描述了一种光纤声波传感器系统，这种传感器用于大型电力变压器中局部放电产生声波信号的在线监测。传感器采用融硅的共振腔和在融硅的玻璃管中形成囊状的单膜光纤来形成F—B干涉仪。干涉仪采用低相干性的光采进行干涉。实验结果表明研制的这种光纤声波传感器测量变压器油中传播的声波信号具有比较高的灵敏度和较宽的带宽。     

基于多参量光纤F-P传感的变压器局部放电与油温传感方法

为及时准确掌握电力变压器的运行状态,简化变压器内部传感器的安装布置,针对局部放电和油温这两大变压器运行状态关键特征参量,提出基于法布里-泊罗干涉(Fabry-Perot interference)原理的变压器局部放电与油温多参量光纤传感方法.设计了谐振频率在121 kHz的光纤F-P超声探头,采用光强解调法,基于超声波...     

EFPI光纤超声传感器及其潜在局放检测应用综述

电力设备的绝缘问题是导致电力设备故障和事故的主要原因之一,通过局部放电监测可以提前判断电力设备绝缘状况。目前已有多种针对局部放电的检测方法,其中光纤珐珀(Fabry-Perot,F-P)超声传感器具有抗电磁干扰能力强、绝缘性好、灵敏度高等优势,在超声检测方面得到了众多研究者的青睐。为此概述了几种常用的局部放电检测方法,介绍了光纤F-P腔的干涉原理以及光纤F-P超声传感器的工作机制,重点总结归纳了基于银膜片、聚合物膜片、石墨烯薄膜和硅膜片非本征光纤F-P超声传感器的性能制备方法,同时详细分析了光纤F-P超声传感器在模拟局部放电源的检测和定位中的优势。最后通过介绍微机电系统(micro-electro-mechanical systems,MEMS)技术在光纤F-P超声传感器中的应用现状,对基于MEMS技术的非本征光纤F-P超声传感器在局放检测中的应用前景进行了总结和展望。     

变压器绕组内部局放超声定位仿真及试验研究

应用有限元方法对变压器绕组内超声信号进行仿真,验证了在变压器绕组内布置多个超声传感器进行检测和定位的方案。设计了一种新型结构的EFPI光纤传感器,可适用于变压器绕组内部的局放检测和定位。最后在35 kV变压器单相绕组中进行了传感器布置和局放定位试验。结果表明:该方法对变压器绕组中局放的定位精度在5 cm以内,实现了变压器绕组内部局部放电的精确定位,为变压器绕组内部局放信号的检测和定位提供了一种新的方法。     

基于特高频自感知的变压器局部放电检测方法

特高频法检测局部放电有灵敏度高、信噪比高的优点,但对于变压器外置传感器灵敏度低而内置传感器会影响到变压器的实际运行,为此提出将变压器内部器件作为特高频天线感知局部放电产生的特高频电磁信号的自感知检测方法。选取变压器铁芯、高压绕组、高压套管末屏作为特高频天线,对其进行建模并进行特高频自感知检测的仿真研究。对变压器部件的天线特性参数进行仿真计算,结果表明在特高频范围内所选部件均可作为天线进行局部放电检测。对整体变压器进行建模,并仿真计算所选部件在变压器内部对特高频信号的接收特性。仿真结果显示变压器内部器件可对局部放电产生的特高频信号进行良好的感知,起到检测局部放电的作用。在实体变压器进行试验,进一步验证了所提出的局部放电特高频自感知检测的可行性。特高频自感知检测法无需外接传感器,可实现变压器现场局部放电高灵敏度安全性检测。     

变压器内置式超高频传感器安装位置选择仿真研究

在变压器局部放电超高频（UHF）检测中,局部放电检测灵敏度和有效性受到传感器安装位置的影响。为了确定传感器安装位置的影响程度和给出合理的安装建议,采用有限差分方法（FDTD）,以一台220 kV变压器为例,对不同位置局部放电源激发的电磁波在变压器内部结构中的传播特性进行仿真研究,并对内置式传感器的合理安装位置进行分析和讨论。结果表明：由变压器内部局部放电产生的电磁波具有较为复杂的传播特性;安装于变压器箱体正面及背面的传感器能够更好的检测发生在调压、低压、中压及高压绕组之间以及相间的局部放电。通过仿真研究,证明了变压器仿真模型能够有效指导实际变压器UHF传感器安装位置的选择。     

基于EFPI光纤超声传感器的油中局部放电定位

非本征法布里帕罗干涉(extrinsic fabry-perot interferometric,EFPI)的光纤超声传感器灵敏度高,不受电磁干扰的影响,文中将其应用于油中局部放电定位。首先设计了2×2的EFPI超声传感器阵列,可放置在油中检测局放超声波信号;然后根据可控响应功率(steered response power,SRP)声源定位理论对局放源进行定位;最后应用SRP和多重信号分类(multiple signal classification, MUSIC)算法处理实验信号并进行对比。结果表明文中设计的EFPI传感器阵列能够在油中检测到信噪比较高的局部放电信号;SRP算法测向误差小于MUSIC算法,能够根据单次测量实现定位,但定位精度有待进一步提高。文中提出的方法对于EFPI光纤超声传感器在电气设备局部放电定位方面的实际应用具有参考意义。     

基于光纤超声传感器的油纸绝缘局部放电超声波信号特性试验研究

对变压器绝缘进行有效的局部放电在线监测,可及时发现变压器的绝缘缺陷,确保整个电力系统的安全运行。本文采用光纤超声传感器对油中局部放电超声信号在油、绝缘纸板、钢板、绝缘纸钢板组合介质以及铜线圈中传播时,超声波衰减情况、传播速度和波形变化进行了试验研究,结果表明:超声波在油、绝缘纸、钢板以及组合介质中传播时信号强度会衰减,但波形不会变化;铜线圈对超声波影响最大,不仅衰减严重,速度减小,而且波形也会发生畸变。最后在实体变压器中进行了实际测量,取得较好的检测效果。