頻率響應(yīng)特性可調(diào)諧的局部放電超聲光纖傳感系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種頻率響應(yīng)特性可調(diào)諧的局部放電超聲光纖傳感系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括寬譜光源、光電探測器、光電探測器、3x3光纖耦合器、延遲光纖、引導(dǎo)光纖、傳感光纖、光功率監(jiān)測模塊、三通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和工控機(jī)；其方法為：根據(jù)待測電力設(shè)備局部放電超聲的頻率特性調(diào)節(jié)延遲光纖和傳感光纖長度使整體傳感系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性與其相匹配，當(dāng)傳感光纖已敷設(shè)在電力設(shè)備時(shí)，通過改變延遲光纖長度來調(diào)節(jié)整體傳感系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性，該方法優(yōu)點(diǎn)在于僅通過更換兩段光纖，即延遲光纖和傳感光纖，即可實(shí)現(xiàn)整體傳感系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線的調(diào)節(jié)，有助于使用單一傳感系統(tǒng)完成由于電力設(shè)備不同帶來不同頻率特性的局部放電超聲的檢測。
【專利說明】
頻率響應(yīng)特性可調(diào)諧的局部放電超聲光纖傳感系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電力設(shè)備局部放電測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種頻率響應(yīng)特性可調(diào)諧的局部放電超聲光纖傳感系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]局部放電測量是評估電力設(shè)備的重要指標(biāo)之一，近年來隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展與成熟化，在各領(lǐng)域內(nèi)被越來越多的應(yīng)用。應(yīng)用光纖傳感系統(tǒng)測量局部放電超聲具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。光纖不受電磁干擾，其與電力設(shè)備絕緣系統(tǒng)兼容并可以內(nèi)置入電力設(shè)備內(nèi)，光纖作為線傳感器可測量多個(gè)測量點(diǎn)并可實(shí)現(xiàn)分布式傳感。此外，由于局部放電屬于寬頻信號，不同類型的放電頻譜特征一般不同，傳統(tǒng)壓電陶瓷傳感器一旦加工成型其頻帶特性無法更改，對于在不同類型電力設(shè)備上測量不同類型放電超聲一般需要使用不同的壓電陶瓷傳感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為解決上述現(xiàn)有問題，本發(fā)明的目的在于基于光纖傳感器本身的寬頻傳感特性基礎(chǔ)上利用一種光纖傳感系統(tǒng)的光路特性來實(shí)現(xiàn)快速調(diào)諧傳感系統(tǒng)頻率特性的系統(tǒng)及方法，其優(yōu)點(diǎn)在于在該系統(tǒng)未安裝前可通過調(diào)節(jié)傳感光纖和延遲光纖長度來調(diào)整測試系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性曲線，即使光纖傳感器已內(nèi)置入電力設(shè)備中，仍可在外部通過調(diào)節(jié)延遲光纖來調(diào)節(jié)整體傳感系統(tǒng)頻帶特性，以適應(yīng)不同類型局部放電的傳感要求。
[0004]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0005]一種頻率響應(yīng)特性可調(diào)諧的局部放電超聲光纖傳感系統(tǒng)，包括3x3對稱光纖耦合器4，選取3x3對稱光纖親合器4的任一側(cè)，該側(cè)的三個(gè)接口分別與寬譜光源I的輸出、第一光電探測器2和第二光電探測器3的輸入端相連，3x3對稱光纖耦合器4另一側(cè)的三個(gè)接口分別與第一引導(dǎo)光纖6、第二引導(dǎo)光纖8和光功率監(jiān)測模塊10的輸入端相連;第一引導(dǎo)光纖6的另一端與延遲光纖5相連，延遲光纖5的另一端與第三引導(dǎo)光纖7相連，第三引導(dǎo)光纖7的另一端與傳感光纖9相連，傳感光纖9的另一端與第二引導(dǎo)光纖8相連;第一光電探測器2和第二光電探測器3的輸出端與三通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)11的任意兩個(gè)通道相連，三通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)11未連接第一光電探測器2和第二光電探測器3的通道用以采集工頻電壓，三通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)11的輸出端與工控機(jī)12相連。
[0006]上述所述頻率響應(yīng)特性可調(diào)諧的局部放電超聲光纖傳感系統(tǒng)的測試方法，包括如下步驟:
[0007]步驟I:搭建權(quán)利要求1所述頻率響應(yīng)特性可調(diào)諧的局部放電超聲光纖傳感系統(tǒng)，根據(jù)以下公式計(jì)算所搭建的頻率響應(yīng)特性可調(diào)諧的局部放電超聲光纖傳感系統(tǒng)的歸一化頻率響應(yīng)特性，
[0008]cos( osz/v)-cos( ω8(1-ζ/ν)
[0009]其中0^為目標(biāo)信號的角頻率，I為光纖總長度即引導(dǎo)光纖6、7、8、延遲光纖5、傳感光纖9的長度總和，ζ為傳感光纖9所處的位置，V為光纖中光的速度;比對所得歸一化頻率響應(yīng)特性是否覆蓋相應(yīng)的待測電力設(shè)備中局部放電超聲的頻率范圍；
[0010]步驟2:將傳感光纖9置入待測區(qū)域中，打開寬譜光源I，將三通道數(shù)據(jù)采集單元11設(shè)置為工頻電壓輸入端口觸發(fā)，此時(shí)若出現(xiàn)局部放電，其產(chǎn)生的超聲會(huì)調(diào)制傳感光纖9的折射率及其長度;相應(yīng)的，經(jīng)過傳感光纖9的兩束光的相位會(huì)出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象，當(dāng)兩束光被調(diào)制的相位不同時(shí)，在第一光電探測器2和第二光電探測器3所檢測到的光強(qiáng)由于干涉現(xiàn)象出現(xiàn)變化，因此由光強(qiáng)所轉(zhuǎn)換成的電流信號出現(xiàn)變化，通過三通道數(shù)據(jù)采集單元11采集該電信號，在工控機(jī)12中進(jìn)行信號處理，結(jié)合采集到的電壓相位信息制作局部放電相位譜圖，其具體為:
[0011]步驟201:三通道數(shù)據(jù)采集單元11分別采集了第一光電探測器2和第二光電探測器3傳遞的電信號和工頻電壓信號，將第一光電探測器2和第二光電探測器3的幅值信號進(jìn)行相減操作;將第一光電探測器2和第二光電探測器3的幅值信號所處的時(shí)刻，即幅值信號對應(yīng)的時(shí)間信號除以20毫秒并乘以360度得到相位信號；
[0012]步驟202:對步驟201處理后的幅值信號利用巴特沃斯濾波器進(jìn)行濾波；
[0013]步驟203:將步驟202中所處理得到的信號作為縱軸坐標(biāo)，將步驟201處理所得到的相位信號作為橫軸坐標(biāo)，將其制成二維局部放電相位譜圖；
[0014]步驟3:計(jì)算所測量幅值信號的峰值信噪比，即時(shí)域測量結(jié)果最大值除以均方根值，若所測量信號信噪比不滿足要求，調(diào)節(jié)延遲光纖5的長度來調(diào)節(jié)傳感系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線的峰值點(diǎn)，直到測量結(jié)果信噪比滿足需求;若調(diào)節(jié)延遲光纖5無法改善信噪比，則停止測試，將傳感光纖9取出并重新制作總長度更長的傳感光纖9，并重新從步驟I開始測試；
[0015]步驟4:若待測電力設(shè)備出現(xiàn)更換，其局部放電超聲頻率分布也會(huì)有變換，則重新將傳感光纖9取出并重新制作新的延遲光纖5和傳感光纖9，其頻率響應(yīng)特性根據(jù)步驟I進(jìn)行計(jì)算，要求傳感系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性需覆蓋待測信號的頻率特性。
[0016]和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0017]本發(fā)明提出了一種頻率響應(yīng)特性可調(diào)諧的局部放電超聲光纖傳感系統(tǒng)及其測試方法。與現(xiàn)有壓電陶瓷傳感系統(tǒng)具有固定的頻率響應(yīng)特性相比，該方法的優(yōu)勢在于可通過調(diào)節(jié)延遲光纖5和傳感光纖9的長度來調(diào)節(jié)整體傳感系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性。此外，即使傳感光纖9已安裝入待測區(qū)域，仍可通過在待測區(qū)域外部調(diào)節(jié)延遲光纖5來調(diào)節(jié)傳感系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性以提高信噪比。同時(shí)該傳感系統(tǒng)具有光纖傳感器傳統(tǒng)的抗電磁干擾，可內(nèi)置入電力設(shè)備的特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明傳感系統(tǒng)整體示意圖。
[0019]圖2為根據(jù)步驟I中所計(jì)算的當(dāng)傳感光纖9放置在不同位置時(shí)的傳感系統(tǒng)歸一化頻率響應(yīng)特性曲線。其中光纖總長度為1600米。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0021]如圖1所示，本發(fā)明一種頻率響應(yīng)特性可調(diào)諧的局部放電超聲光纖傳感系統(tǒng)，包括寬譜光源I，光電探測器2，光電探測器3，3x3光纖耦合器4，延遲光纖5，引導(dǎo)光纖6、7、8，傳感光纖9，光功率監(jiān)測模塊10，三通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)11，工控機(jī)12。
[0022]其中，選取3x3對稱光纖耦合器4的任一側(cè)，該側(cè)的三個(gè)接口分別與寬譜光源I的輸出、第一光電探測器2和第二光電探測器3的輸入端相連，3x3對稱光纖耦合器4另一側(cè)的三個(gè)接口分別與第一引導(dǎo)光纖6、第二引導(dǎo)光纖8和光功率監(jiān)測模塊10的輸入端相連;第一引導(dǎo)光纖6的另一端與延遲光纖5相連，延遲光纖5的另一端與第三引導(dǎo)光纖7相連，第三引導(dǎo)光纖7的另一端與傳感光纖9相連，傳感光纖9的另一端與第二引導(dǎo)光纖8相連;第一光電探測器2和第二光電探測器3的輸出端與三通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)11的任意兩個(gè)通道相連，三通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)11未連接第一光電探測器2和第二光電探測器3的通道用以采集工頻電壓，三通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)11的輸出端與工控機(jī)12相連。其系統(tǒng)示意圖見圖1。
[0023]上述所述測試系統(tǒng)的測試方法，包括如下步驟:
[0024]步驟1:搭建圖1所述頻率響應(yīng)特性可調(diào)諧的局部放電超聲光纖傳感系統(tǒng)，根據(jù)以下公式計(jì)算所搭建的頻率響應(yīng)特性可調(diào)諧的局部放電超聲光纖傳感系統(tǒng)的歸一化頻率響應(yīng)特性，
[0025]cos( osz/v)-cos( ω8(1-ζ/ν)
[0026]其中0^為目標(biāo)信號的角頻率，I為光纖總長度即引導(dǎo)光纖6、7、8、延遲光纖5、傳感光纖9的長度總和，ζ為傳感光纖9所處的位置，V為光纖中光的速度。比對所得歸一化頻率響應(yīng)特性是否覆蓋相應(yīng)的待測電力設(shè)備中局部放電超聲的頻率范圍。附圖2是當(dāng)I為1600米時(shí)，不同位置處(ζ)傳感光纖的歸一化頻率響應(yīng)特性曲線。
[0027]步驟2:將傳感光纖9置入待測區(qū)域中，利用粘合劑將傳感光纖固定在待測區(qū)域，保證其緊密貼合。打開寬譜光源I，第一光電探測器2、第二光電探測器3和工控機(jī)12和三通道數(shù)據(jù)采集單元11，并將三通道數(shù)據(jù)采集單元11設(shè)置為工頻電壓輸入端口觸發(fā)，調(diào)整寬譜光源I的輸出光強(qiáng)，觀察第一光電探測器2和第二光電探測器3采集到的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為的電流，增大光強(qiáng)直到該電流飽和。若出現(xiàn)局部放電，其產(chǎn)生的超聲會(huì)調(diào)制傳感光纖9的折射率及其長度。相應(yīng)的，經(jīng)過傳感光纖9的兩束光的相位會(huì)出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象，當(dāng)兩束光被調(diào)制的相位不同時(shí)，在第一光電探測器2和第二光電探測器3所檢測到的光強(qiáng)由于干涉現(xiàn)象出現(xiàn)變化，因此由光強(qiáng)所轉(zhuǎn)換成的電流信號出現(xiàn)變化，通過三通道數(shù)據(jù)采集單元11采集該電信號，在工控機(jī)12中進(jìn)行信號處理，結(jié)合采集到的電壓相位信息制作局部放電相位譜圖，其具體為:
[0028]步驟201:三通道數(shù)據(jù)采集單元11分別采集了第一光電探測器2和第二光電探測器3傳遞的電信號和工頻電壓信號。將第一光電探測器2和第二光電探測器3的幅值信號進(jìn)行相減操作。將第一光電探測器2和第二光電探測器3的幅值信號所處的時(shí)刻，即幅值信號對應(yīng)的時(shí)間信號除以20毫秒并乘以360度得到相位信號。
[0029]步驟202:對步驟201處理后的幅值信號利用巴特沃斯濾波器進(jìn)行濾波，巴特沃斯濾波器的階數(shù)可選為3階。
[0030]步驟203:將步驟202中所處理得到的信號作為縱軸坐標(biāo)，將步驟201處理所得到的相位信號作為橫軸坐標(biāo)，將其制成二維局部放電相位譜圖。
[0031]步驟3:計(jì)算所測量幅值信號的峰值信噪比，即時(shí)域測量結(jié)果最大值除以均方根值，若所測量信號信噪比不滿足要求，調(diào)節(jié)延遲光纖5的長度來調(diào)節(jié)傳感系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線的峰值點(diǎn)，直到測量結(jié)果信噪比滿足需求。若調(diào)節(jié)延遲光纖5無法改善信噪比，則停止測試將傳感光纖9取出并重新制作總長度更長的傳感光纖9，并重新從步驟I開始測試。
[0032]步驟4:若待測電力設(shè)備出現(xiàn)更換，其局部放電超聲頻率分布一般會(huì)有變換，則重新將傳感光纖9取出并重新制作新的延遲光纖5和傳感光纖9，其頻率響應(yīng)特性根據(jù)步驟I進(jìn)行計(jì)算，要求傳感系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性需覆蓋待測信號的頻率特性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種頻率響應(yīng)特性可調(diào)諧的局部放電超聲光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于:包括3x3對稱光纖親合器(4)，選取3x3對稱光纖親合器(4)的任一側(cè)，該側(cè)的三個(gè)接口分別與寬譜光源(1)的輸出、第一光電探測器(2)和第二光電探測器(3)的輸入端相連，3x3對稱光纖耦合器(4)另一側(cè)的三個(gè)接口分別與第一引導(dǎo)光纖(6)、第二引導(dǎo)光纖(8)和光功率監(jiān)測模塊(10)的輸入端相連;第一引導(dǎo)光纖(6)的另一端與延遲光纖(5)相連，延遲光纖(5)的另一端與第三引導(dǎo)光纖(7)相連，第三引導(dǎo)光纖(7)的另一端與傳感光纖(9)相連，傳感光纖(9)的另一端與第二引導(dǎo)光纖(8)相連;第一光電探測器(2)和第二光電探測器(3)的輸出端與三通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(11)的任意兩個(gè)通道相連，三通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(11)未連接第一光電探測器(2)和第二光電探測器(3)的通道用以采集工頻電壓，三通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(11)的輸出端與工控機(jī)(12)相連。2.權(quán)利要求1所述頻率響應(yīng)特性可調(diào)諧的局部放電超聲光纖傳感系統(tǒng)的測試方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟1:搭建權(quán)利要求1所述頻率響應(yīng)特性可調(diào)諧的局部放電超聲光纖傳感系統(tǒng)，根據(jù)以下公式計(jì)算所搭建的頻率響應(yīng)特性可調(diào)諧的局部放電超聲光纖傳感系統(tǒng)的歸一化頻率響應(yīng)特性， cos(ω sz/v)-cos(ω8(1-ζ/ν) 其中《8為目標(biāo)信號的角頻率，I為光纖總長度即引導(dǎo)光纖6、7、8、延遲光纖5、傳感光纖9的長度總和，ζ為傳感光纖9所處的位置，V為光纖中光的速度；比對所得歸一化頻率響應(yīng)特性是否覆蓋相應(yīng)的待測電力設(shè)備中局部放電超聲的頻率范圍； 步驟2:將傳感光纖(9)置入待測區(qū)域中，打開寬譜光源(I)，將三通道數(shù)據(jù)采集單元(11)設(shè)置為工頻電壓輸入端口觸發(fā)，此時(shí)若出現(xiàn)局部放電，其產(chǎn)生的超聲會(huì)調(diào)制傳感光纖(9)的折射率及其長度;相應(yīng)的，經(jīng)過傳感光纖(9)的兩束光的相位會(huì)出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象，當(dāng)兩束光被調(diào)制的相位不同時(shí)，在第一光電探測器(2)和第二光電探測器(3)所檢測到的光強(qiáng)由于干涉現(xiàn)象出現(xiàn)變化，因此由光強(qiáng)所轉(zhuǎn)換成的電流信號出現(xiàn)變化，通過三通道數(shù)據(jù)采集單元(11)采集該電信號，在工控機(jī)(12)中進(jìn)行信號處理，結(jié)合采集到的電壓相位信息制作局部放電相位譜圖，其具體為: 步驟201:三通道數(shù)據(jù)采集單元(11)分別采集了第一光電探測器(2)和第二光電探測器(3)傳遞的電信號和工頻電壓信號，將第一光電探測器(2)和第二光電探測器(3)的幅值信號進(jìn)行相減操作;將第一光電探測器(2)和第二光電探測器(3)的幅值信號所處的時(shí)刻，SP幅值信號對應(yīng)的時(shí)間信號除以20毫秒并乘以360度得到相位信號； 步驟202:對步驟201處理后的幅值信號利用巴特沃斯濾波器進(jìn)行濾波； 步驟203:將步驟202中所處理得到的信號作為縱軸坐標(biāo)，將步驟201處理所得到的相位信號作為橫軸坐標(biāo)，將其制成二維局部放電相位譜圖； 步驟3:計(jì)算所測量幅值信號的峰值信噪比，即時(shí)域測量結(jié)果最大值除以均方根值，若所測量信號信噪比不滿足要求，調(diào)節(jié)延遲光纖(5)的長度來調(diào)節(jié)傳感系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線的峰值點(diǎn)，直到測量結(jié)果信噪比滿足需求;若調(diào)節(jié)延遲光纖(5)無法改善信噪比，則停止測試，將傳感光纖(9)取出并重新制作總長度更長的傳感光纖(9)，并重新從步驟I開始測試； 步驟4:若待測電力設(shè)備出現(xiàn)更換，其局部放電超聲頻率分布也會(huì)有變換，則重新將傳感光纖(9)取出并重新制作新的延遲光纖(5)和傳感光纖(9)，其頻率響應(yīng)特性根據(jù)步驟I進(jìn)行計(jì)算，要求傳感系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性需覆蓋待測信號的頻率特性。
【文檔編號】G01R31/12GK106093736SQ201610682015
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月17日 公開號201610682015.X, CN 106093736 A, CN 106093736A, CN 201610682015, CN-A-106093736, CN106093736 A, CN106093736A, CN201610682015, CN201610682015.X
【發(fā)明人】徐陽, 錢森, 陳浩, 李敬飛, 蘇磊
【申請人】西安交通大學(xué)