一种光纤分布式电力变压器振动传感系统技术方案

本发明专利技术属于电力设备在线监测领域，尤其涉及一种光纤分布式电力变压器振动传感系统。本发明专利技术以电力变压器发生内部机械故障时，箱体表面的振动信号会发生改变为理论基础，通过设计一种分布式光纤传感系统，将传感光纤蛇形绕制并粘贴于变压器油箱表面，可以实时采集并解调变压器上百个测点的振动信号，克服了现有技术存在的测点少、灵敏度低、易受电磁干扰、空间分辨率低等缺点。本发明专利技术使用低噪声窄线宽激光器、掺铒光纤放大器、带通滤波器可以最大限度的降低噪声影响；添加参考光纤可以进一步提升信噪比；设置光纤保护层与铠装光缆可以有效保护传感光纤，具有分布式、抗电磁干扰、长期可靠、电绝缘、高空间分辨率等诸多优点。高空间分辨率等诸多优点。高空间分辨率等诸多优点。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤分布式电力变压器振动传感系统


[0001]本专利技术属于电力设备在线监测领域，尤其涉及一种光纤分布式电力变压器振动传感系统。

技术介绍

[0002]电力变压器是电力系统中的重要电力设备。据统计，变压器各类内部机械故障中，绕组变形、绕组松动、铁芯松动等机械故障占比较大。变压器运行中由于受绕组周期性安培力、铁芯磁致伸缩及冷却设备开启等的影响，将产生周期性的振动信号，振动信号经由变压器油和底部支撑基座传至油箱，携带了内部机械结构的状态信息。当变压器内部出现机械故障时，油箱的振动信号会出现相应变化。因此通过在变压器油箱壁表面设置振动传感器，采集其振动波形即可有效反应内部机械状态，及时发现结构缺陷，对保证变压器正常运行具有重大意义。
[0003]目前针对电力变压器箱体振动信号的采集大多是直接在箱壁上采用永磁体粘贴压电式或电荷式加速度传感器，该方法简单易行，但由于传感探头外壳一般为金属材质，易受工频电磁干扰导致检测结果准确性下降，并且一次检测能够布置的探头数量有限，难以对变压器箱壁各部位实现大量测点的同时测量，使得检测结果受偶然因素影响较大，降低了故障诊断的可信度。
[0004]光纤传感技术是一种以光纤为载体，对其周围的物理量进行感应和探测的传感技术。光纤受到所在的外界物理量如：温度、压力、应变、电场、位移等影响时，内部传输光波的强度、相位、频率、偏振态等会发生一定规律的变化，通过检测光波的变化规律即可反演出外界物理量的变化。近年来，光纤传感技术发展迅速，光纤传感的成本低，绝缘性能好，灵敏度高，在电学传感方面具有优良的可靠性。光纤
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振动传感相结合的方法尤其是基于光干涉的传感方法在变压器振动信号检测方面具有巨大应用潜力，但使用此技术针对电力变压器进行振动传感的应用却鲜少看到。

技术实现思路

[0005]为了解决传统加速度传感器点式测量测点少、易受干扰、布线不便等诸多问题，本专利技术提出了一种光纤分布式电力变压器振动传感系统，通过将传感光纤蛇形布置于变压器油箱表面来实现多测点振动信号的同时采集；外层敷设光纤保护层、使用铠装光缆连接传感光纤从变压器箱体引出端到接入检测装置端的中间部分，起到了保护传感光纤的作用；采用低噪声窄线宽激光器保证光源的质量；向传感光纤中重复注入探测光脉冲遍历整条传感光纤，提取散射光信号的相位变化，获取变压器油箱各位置的振动信息；通过添加参考光纤，利用两路光信号进行拍频提高了信噪比，能够获取在传感光纤区域内被测量的时间和空间的详细信息，可以实现大范围、高空间分辨率的连续测量，适合于变压器油箱振动的检测。本系统一次能够获取上千个测点的振动波形信息，空间分辨率可达0.2米，振动检测频带为0
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10kHz，而变压器振动频率通常最高为1kHz，因此能够有效检测变压器油箱表面的振
动信号。具有传统检测方法所不具备的分布式、抗电磁干扰、长期可靠、电绝缘、高空间分辨率等诸多优点。
[0006]系统组成包括低噪声窄线宽激光器、传感光纤、参考光纤、光纤隔离器、光纤耦合器、光纤环形器、声光移频器及其驱动、光电探测器、半导体光放大器、掺铒光纤放大器、带通滤波器、偏振分束器、90
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光混频器、信号发生器、光电探测器、光纤保护层、解调系统和铠装光缆；其中，窄线宽激光器发出的窄线宽激光经光纤隔离器后被1
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2光纤耦合器分为传感臂和参考臂两路，传感臂一路依次串接声光移频器、半导体光放大器与掺铒光纤放大器，后经带通滤波器滤除噪声后接入环形器的1号端口，由环形器的2号端口连接传感光纤，变压器的振动将导致传感光纤的性质发生变化，此改变可等效为在传感光纤内部建立起一系列折射光栅，激光在折射光栅的作用下将产生背向散射光，携带了振动信息。背向散射光经由环形器的3号端口输出，后依次输入掺铒光纤放大器、带通滤波器与偏振分束器，与来自参考臂的原始参考光经偏振分离和混频后输入平衡光电探测器，后者输出电信号至数据采集卡，由解调系统解调出包含振动信息的光相位。
[0007]所述传感光纤使用0.9mm直径聚氨酯护套紧套单模光纤，将其呈蛇形绕制并牢固粘贴于变压器油箱表面，蛇形转弯弧度为180
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，半径5cm，相邻平行光纤间隔为10cm。光纤粘贴使用环氧树脂胶水，保证粘贴的牢固性与振动传递效率，同时在贴有光纤的变压器油箱壁外层贴附0.2mm厚铝箔胶带作为光纤保护层以防止光纤损坏脱落，胶带贴附区域应覆盖所有光纤粘贴区域，具体可视变压器规格选择。
[0008]所述参考光纤为普通单模石英光纤。
[0009]所述相位解调装置为基于Labview编程的软件，接收来自数据采集卡的波形信息，实现对光相位的解调。
[0010]所述激光器采用低噪声窄线宽激光器，激光器应具有30mW输出光功率、100Hz线宽，用于提供低噪声光源，保证系统的检测精度。
[0011]所述光纤环形器，是将进入其任意一端口的入射波，按照由静偏磁场确定的方向顺序传入下一端口的单向传输高频信号能量的非可逆器件，其作用是将光源信号单向传输到传感光纤并将背向散射光单向传输到第二路掺铒光纤放大器，起到单向传输并保护激光器的作用。
[0012]所述声光移频器，将入射光经超声光栅衍射，使得其传播方向和相位均发生改变，并且衍射光的频率在原输入光频率的基础上叠加40MHz的超声频率，为后续的拍频做准备。
[0013]所述半导体光放大器，接收来自信号发生器的重复频率20KHz，脉宽为2ns的脉冲信号，将入射连续光调节为重复频率20KHz，脉宽2ns的脉冲光，对应空间分辨率为0.2m，有效频带为0
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10KHz。
[0014]所述掺铒光纤放大器，是通过在单模石英光纤中掺入微量的铒离子，利用粒子数反转而实现放大输入光的器件，起到放大信号光、提高信噪比的作用。
[0015]所述带通滤波器，中心频率应与激光器输出光中心波长相匹配，带宽为0.2nm，起到滤除掺铒光纤放大器器件噪声的作用。
[0016]实际检测过程中可以采用两种方案。
[0017]1、巡检式。在被测变压器旁设置密封接线箱，接线箱箱体使用不锈钢材质，箱体接地，将检测装置整体放置于箱内，平时保持接线箱处于关闭状态，巡检时可打开箱体并使用
铠装光缆连接传感光纤与检测装置的光纤输入端，实现随时检测。
[0018]2、在线监测式。将检测装置放置于继保室内的机柜内，时刻保持检测装置与传感光纤之间可靠连接，实现在线监测振动状态，及时预警。
[0019]本专利技术的技术效果如下。
[0020]本专利技术提出的一种光纤分布式电力变压器振动传感系统，与传统加速度探头相比，空间分辨率更高，检测范围更大，检测点数提高上百倍；传感系统能够实时采集并解调相位信号，使得对变压器振动的实时监测成为可能。本专利技术提出的光纤布置方法使光纤与变压器箱体接触面积增大，大大提高检测点数与检测范围；设置光纤保护层可有效保护传感光纤，防止在使用过程中光纤损坏或脱落；本专利技术提出的两种检测方案可针本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光纤分布式电力变压器振动传感系统，其特征在于，该传感系统主要包括低噪声窄线宽激光器（1）、传感光纤（9）、参考光纤（21）、光纤隔离器（2）、光纤耦合器（3）、光纤环形器（8）、声光移频器（4）及其驱动（19）、光电探测器（16）、半导体光放大器（5）、掺铒光纤放大器（6）（10）、带通滤波器（7）（11）、偏振分束器（12）（13）、90
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光混频器（14）（15）、信号发生器（20）、光电探测器（16）、数据采集卡（17）、光纤保护层（23）、解调系统（18）和铠装光缆（25），述低噪声窄线宽激光器（1）依次连接光纤隔离器（2）、光纤耦合器（3）、声光移频器（4）、半导体光放大器（5）、掺铒光纤放大器（6）、带通滤波器（7）、光纤环形器（8）、传感光纤（9），所述光纤环形器（8）输出端依次连接掺铒光纤放大器（10）、带通滤波器（11）、偏振分束器（12），光纤耦合器（3）引出的参考光纤（21）连接偏振分束器（13）后与传感臂共同连接90
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光混频器（14）（15），后依次连接光电探测器（16）、数据采集卡（17）和解调系统（18）。2.根据权利要求1所述的一种光纤分布式电力变压器振动传感系统，所述的传感光纤（9）使用0.9mm直径聚氨酯护套紧套单模光纤，布置时将传感光纤蛇形绕制并牢固粘贴于变压器油箱正面、侧面和底面，蛇形转弯弧度为180
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，半径5cm，相邻平行光纤间隔为10cm，纤粘贴使用环氧树脂胶水，保证粘贴的牢固性与振动传递效率，在贴有光纤的变压器油箱壁外层额外设置一层光纤保护层（23）。3.根据权利要求1所述的一种光纤分布式电力变压器振动传感系统，所述的低噪声窄线宽激光器（1）输出窄线宽连续光，所述的声光移频器（4）将衍射光的频率在原输入光频率的基础上叠加的超声频率为40MHz；述信号发生器（20）向所述半导体光放大器（5）发送重复频率为20KHz，脉宽为2ns的脉冲信号，后者将连续光调为脉宽2ns、重复频率20KHz的光脉冲，可达到的空间分辨率...

【专利技术属性】
技术研发人员：马国明，秦炜淇，杜厚贤，张猛，齐鹏，谈元鹏，张中浩，林爽，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院有限公司国网福建省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：