一种电气设备局放源测向装置，包括正方形传感器阵列和光学测量系统，所述传感器阵列的每个阵元包括球形外壳、设置于球形外壳中心的正方体重块和六个缠有光纤的弹性柱体，六个弹性柱体平均分为三组，每组的两个弹性柱体同轴，三组弹性柱体的轴线两两垂直且经过球形外壳的中心，其中两组弹性柱体的轴线分别平行于传感器阵列的两条垂直边，每个弹性柱体的一端粘结在正方体重块的一个面上，另一端顶在球形外壳的内壁上，每个弹性柱体上的光纤的一端设有法拉第旋转镜，另一端与光学测量系统连接。本发明专利技术采用光纤同振式矢量阵列传感器对局放进行测向，不仅频率响应好、抗电磁干扰能力强、测量精度高，而且具有体积小，适应性强，对设备影响小等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于检测电气设备绝缘油中局部放电点方向的装置，属于检测
技术介绍
电力系统与人们的生活息息相关，因此电力系统运行的可靠性至关重要。电力系统中很多电气设备的电压等级比较高，往往采用绝缘油进行绝缘。在电气设备运行过程中，电极之间的绝缘材料往往会由于缺陷，老化，运行过电压等原因使局部区域绝缘能力弱化，进而导致局部放电的发生。虽然局部放电一般并不会立即发展成绝缘击穿，但是长时间的局部放电将导致局放处的绝缘能力下降，极有可能引发严重的短路事故。因此有必要实时监测电气设备内部是否发生局部放电以及局放的具体方位角，以便为后续的检修提供参考。目前已有很多学者对电气设备局部放电的检测进行了探究，理论上有较大突破，也有很多检测装置出现。现有的电气设备局部放电定位方法主要有光定位法、电气定位法、特高频电磁波定位法、X射线激励定位法以及超声波定位法等。其中超声波定位法是根据局部放电产生的超声波的传播方向和时间来确定放电源的空间位置，由于该方法原理简单、抗电磁干扰能力强、成本低、能实现直接几何定位，因此应用较为广泛。已有的比较成熟的方法是采用标量声压传感器组成一定的阵列，通过测量超声波到达各个阵元时的相位差，再利用一定的定向和定位算法实现局放源的定位。标量声压传感器的缺陷是灵敏度很低，无声场的方位信息，不能确定目标，在声强处理中，各向同性噪声不能相互抵消，信噪比较低；并且利用普通超声定位装置在变压器油中检测局放时，由于干扰较多，噪声影响较大，声波可能发生反射，导致检测出与实际不相符的多个局放源，造成定位失败。目前比较前沿的是采用矢量传感器来确定局放源的方向或位置。矢量阵列传感器可以探测到超声波引起的振动，由传感器记录三个速度分量大小，进而
根据一定的算法确定局放源的方位角及位置。这种方法在同性噪声的抵消和信噪比的提高方面有较大进步，但是仍然采用了压电式传感器，在变压器内部复杂的电磁场环境中面临严重的干扰，因此检测效果仍不够理想。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种频率响应效果好、抗电磁干扰能力强、能够对电气设备局部放电位置进行精确测向的装置。本专利技术所述问题是以下述技术方案解决的：一种电气设备局放源测向装置，包括正方形传感器阵列和光学测量系统，所述传感器阵列的每个阵元包括球形外壳、设置于球形外壳中心的正方体重块和六个缠有光纤的弹性柱体，六个弹性柱体平均分为三组，每组的两个弹性柱体同轴，三组弹性柱体的轴线两两垂直且经过球形外壳的中心，其中两组弹性柱体的轴线分别平行于传感器阵列的两条垂直边，每个弹性柱体的一端粘结在正方体重块的一个面上，另一端顶在球形外壳的内壁上，每个弹性柱体上的光纤的一端设有法拉第旋转镜，另一端与光学测量系统连接。上述电气设备局放源测向装置，所述传感器阵列的每个阵元的球形外壳外部均设有弹性支架，所述弹性支架包括三个与球形外壳同心且所在平面两两相互垂直的圆环，不同圆环在交点处固定连接，每个圆环交点通过一个弹簧与球形外壳连接。上述电气设备局放源测向装置，所述光学测量系统包括波形发生器、波分复用传输装置、计算机以及与每个阵元中的每组弹性柱体相对应的多个测量单元，每个测量单元包括窄线宽激光器、光隔离器和光耦合器，多个测量单元中的窄线宽激光器的波长各不相同，所述波形发生器对所有测量单元的窄线宽激光器进行调制，每个窄线宽激光器的输出光依次经光隔离器和光耦合器后，同时进入对应的一组弹性柱体上的两根光纤，两根光纤中的光信号先由法拉第旋转镜调整偏振态，再返回光耦合器中发生干涉，产生干涉光，多个测量单元的光耦合器输出的干涉光经波分复用传输装置送入计算机，由计算机采用MUSIC算法或前向空间平滑算法对波达方向进行估计。上述电气设备局放源测向装置，所述波分复用传输装置包括合波器、后置光放大器、前置光放大器、分波器、数据采集卡及与各个测量单元相对应的多
个光电转换器，所述合波器的多个输入端分别接多个测量单元的光耦合器的输出光口，合波器的输出端依次经后置光放大器、光纤线路、前置光放大器接分波器的输入端，每个光电转换器的输入端接分波器的一个输出端，输出端经一个带通滤波器接数据采集卡的一个输入端，所述数据采集卡的信号输出端接计算机。上述电气设备局放源测向装置，相邻阵元的球形外壳的中心距为所测声波的半波长。上述电气设备局放源测向装置，所述球形外壳与其内部元件的平均密度与电气设备内绝缘油的密度相等。上述电气设备局放源测向装置，所述正方形传感器阵列为3×3阵列。本专利技术采用放置在电气设备绝缘油中的光纤同振式矢量阵列传感器对局部放电的位置进行测向，提升了侧向灵敏度，而且，其灵敏度随频率的增大而增大；本专利技术的抗电磁干扰能力强大，由于变压器内部有很强和很复杂的的电磁场环境，普通测量传感器很容易在这种电磁环境中感应电压，从而干扰传感器的正常运行，而本专利技术采用光纤来感应声波，并由光来传输信号，不易被强大的电磁场所影响。本专利技术的测量精度高，在相同的实验条件和相同的波达估计算法下，传统的标量传感器仿真误差的标准差一般在1度以内，实验误差的标准差一般在5度以内，而本专利技术光纤矢量传感器的仿真误差的标准差一般在0.5度以内，实验误差的标准差一般在4.1度以内。除此之外，本专利技术还具有体积小，适应性强，对电气设备的正常运行影响小等优点。附图说明图1为传感器阵列的结构示意图；图2为传感器阵列单阵元结构示意图；图3为传感器阵列单阵元内部结构示意图；图4为弹性柱体结构示意图；图5为光学测量系统框图；图6为本专利技术在应用过程中的仿真结果图。图中各标号表示为：1.圆环，2.弹簧，3.球形外壳，4.弹性柱体，5.正方体重块，6.光纤孔，7.光纤，8.法拉第旋转镜；OBA、后置光放大器；OPA、前置
光放大器；λ1、λ27、光波长。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。本专利技术包括正方形传感器阵列和光学测量系统。所述传感器阵列部分设置在电气设备的绝缘油中，用于感应局放源产生的超声波信号。传感器阵列部分为一个3×3的阵列，共9个传感器单元(阵元)，每个传感器单元外部设有弹性支架，弹性支架由三个所在平面两两相互垂直的圆环1和六个软弹簧2组成，三个圆环1共有六个交点，每个弹簧2的一端固定在一个圆环交点上，另一端与球形外壳3相连；圆环1的半径为6mm，由环氧树脂材料制作，弹簧长2mm，中间的球形外壳3由铝合金制造，半径为4mm。由于所测量超声波频率为50～80KHZ，行列之间的阵元间距(中心距)选择为12mm。每个传感器单元为一个封闭的球体，其平均密度与电气设备内绝缘油近似相等，本专利技术中设计为0.9g/cm3，重心位于球形外壳3的球心处。每个阵元中心处为一个铜块做的正方体重块5，边长为2.5mm；六个弹性柱体4的一端与正方体重块5的一个面相连接，另一端与球形外壳3内壁紧贴，弹性柱体4采用硅橡胶材料制造，底面直径为2.5mm，高为2.55mm。位于一条直线上的两个(一组)弹性柱体上缠有光纤，构成一对光纤臂，球形外壳3与弹性柱体接触位置附近设置有光纤孔6，光纤孔6的直径与光纤7外径相同，使光纤7刚好通过，光纤7为单模光纤，型号为8/125um。阵列传感器的主要制作步骤包括：1、在弹性柱体上刻上光纤槽，并将光本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种电气设备局放源测向装置，其特征是，构成中包括正方形传感器阵列和光学测量系统，所述传感器阵列的每个阵元包括球形外壳(3)、设置于球形外壳(3)中心的正方体重块(5)和六个缠有光纤(7)的弹性柱体(4)，六个弹性柱体(4)平均分为三组，每组的两个弹性柱体(4)同轴，三组弹性柱体(4)的轴线两两垂直且经过球形外壳(3)的中心，其中两组弹性柱体(4)的轴线分别平行于传感器阵列的两条垂直边，每个弹性柱体(4)的一端粘结在正方体重块(5)的一个面上，另一端顶在球形外壳(3)的内壁上，每个弹性柱体(4)上的光纤(7)的一端设有法拉第旋转镜，另一端与光学测量系统连接。
【技术特征摘要】
1.一种电气设备局放源测向装置，其特征是，构成中包括正方形传感器阵列和光学测量系统，所述传感器阵列的每个阵元包括球形外壳(3)、设置于球形外壳(3)中心的正方体重块(5)和六个缠有光纤(7)的弹性柱体(4)，六个弹性柱体(4)平均分为三组，每组的两个弹性柱体(4)同轴，三组弹性柱体(4)的轴线两两垂直且经过球形外壳(3)的中心，其中两组弹性柱体(4)的轴线分别平行于传感器阵列的两条垂直边，每个弹性柱体(4)的一端粘结在正方体重块(5)的一个面上，另一端顶在球形外壳(3)的内壁上，每个弹性柱体(4)上的光纤(7)的一端设有法拉第旋转镜，另一端与光学测量系统连接。2.根据权利要求1所述的一种电气设备局放源测向装置，其特征是，所述传感器阵列的每个阵元的球形外壳(3)外部均设有弹性支架，所述弹性支架包括三个与球形外壳(3)同心且所在平面两两相互垂直的圆环(1)，不同圆环(1)在交点处固定连接，每个圆环交点通过一个弹簧(2)与球形外壳(3)连接。3.根据权利要求1或2所述的一种电气设备局放源测向装置，其特征是，所述光学测量系统包括波形发生器、波分复用传输装置、计算机以及与每个阵元中的每组弹性柱体(4)相对应的多个测量单元，每个测量单元包括窄线宽激光器、光隔离器和光耦合器，多个测量单元中的窄线宽激光器的波长各不相同，所述波形发生器对所有测量单元的窄线宽激光器...
【专利技术属性】
技术研发人员：谢庆，王涛，张莹，刘丹，刘绪英，徐玉琴，律方成，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北;13
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