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一种用于变压器局部放电在线监测的光纤声发射传感器实验研究

更新时间：2019-12-25 13:27:07 大小：2M 上传用户：zhiyao6 查看TA发布的资源 标签：变压器光纤声发射传感器 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

提出了一种光纤声发射传感器并构建传感系统实现变压器局部放电在线监测,利用传感光栅体积小,重量轻,灵敏度高和抗电磁干扰的特点,将传感器置于变压器内部实现局部放电声发射信号的测量。研究了传感光栅实现声发射应力波测量的机理,声发射信号引起传感光栅反射光谱发生漂移,导致特定频点处反射光强发生变化,通过反射光强的变化实现声发射信号的测量。构建声发射传感系统实验模型并提出了一种系统性能优化策略,使系统工作在传感光栅反射光谱上升或下降沿的半峰值频点处,从而保障传感系统具有良好的线性输出特性;研究传感系统工作点稳定技术,设计信号反馈回路自动跟踪反射光谱的漂移,保证系统稳定工作在传感光栅半峰值频点处,消除温度变化对传感系统测量精度的影响。将封装好的传感器用于变压器局部放电现场检测,结果表明,光纤光栅声发射传感器与压电传感器相比具有灵敏度高、动态范围宽等优点,可以实现变压器局部放电在线监测。

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，

第

，

Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．７２２７３２２７７

ｐｐ

第

卷

３７

ꢀ

期

７

光

谱

学

与

光

谱

分

析

ꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ

－

，

Ｊｕｌ２０１７

ｙ

ꢀ

年

月

ＳｅｃｔｒｏｓｃｏａｎｄＳｅｃｔｒａｌＡｎａｌｓｉｓ

ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ ꢀ ｐ ꢀｐ

ｐｙｙ ꢀ

２０１７

ꢀꢀꢀ

７

ꢀ

一种用于变压器局部放电在线监测的光纤声发射传感器实验研究

１

２

，

徐

马

宾

健

ꢀ

，

齐鲁工业大学信息学院山东济南

１．

２５００２３

ꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ

，

山东财经大学计算机信息与工程学院山东济南

２．

２５０００２

ꢀ

，

提出了一种光纤声发射传感器并构建传感系统实现变压器局部放电在线监测利用传感光栅体积

ꢀ

摘

要

ꢀ

，，，。

重量轻灵敏度高和抗电磁干扰的特点将传感器置于变压器内部实现局部放电声发射信号的测量研

小

，，

究了传感光栅实现声发射应力波测量的机理声发射信号引起传感光栅反射光谱发生漂移导致特定频点

，。

处反射光强发生变化通过反射光强的变化实现声发射信号的测量构建声发射传感系统实验模型并提出

，，

了一种系统性能优化策略使系统工作在传感光栅反射光谱上升或下降沿的半峰值频点处从而保障传感

；，

系统具有良好的线性输出特性研究传感系统工作点稳定技术设计信号反馈回路自动跟踪反射光谱的漂

，，。

保证系统稳定工作在传感光栅半峰值频点处消除温度变化对传感系统测量精度的影响将封装好的传

移

，，、

感器用于变压器局部放电现场检测结果表明光纤光栅声发射传感器与压电传感器相比具有灵敏度高动

，

态范围宽等优点可以实现变压器局部放电在线监测

。

；；；；

关键词声发射光纤光栅变压器局部放电传感器

ꢀ

：

文献标识码

Ａ

：

／

（

）

中图分类号

ＴＰ２１６

ꢀꢀ

ＤＯＩ１０．３９６４．ｉｓｓｎ．１００００５９３２０１７０７２２７３０５

ꢀꢀꢀ

ｊ

－

，

部的传播过程中衰减严重到达油箱壁外的超声信号非常微

，，

加上箱体的反射作用在某些情况下难以检测到信号

。

弱

引

言

ꢀ

，

再次局部放电声发射信号可以通过变压器油或变压器壳体

，

变压器是电力工业中重要的电气设备之一由于长期运

，

等多种介质通道进行传播不同的信号传播途径也会影响局

ꢀꢀ

，，

行在高电压强磁场等恶劣的工作环境中变压器内部绝缘

。，

部放电定位的准确性而且压电传感器还存在响应频带

，，

性能较差的部位易发生局部放电导致绝缘材料损伤甚至

、、

动态范围小灵敏度低等问题也制约了声发射检测系统

窄

，

造成变压器损毁引发重大安全生产事故并产生巨大经济损

。

的性能提升因而探索一种具有较高灵敏度的传感器及传感

［］

１

。

，

技术实现变压器局部放电声发射信号的精确测量与定位及

失

变压器在局部放电过程中由于分子的剧烈撞击导致

、，

绝缘材料的微小开裂气泡的产生和爆裂这种能量的突然

，

时发现绝缘劣化部位并进行绝缘故障预警成为保障变压器

［

］

２３

。

－

，

释放在变压器内部产生瞬态应力波即声发射现象

、

安全平稳运行的迫切需求

。

与

，

其他检测方法相比声发射检测技术可以对变压器局部放电

、、、

光纤传感器因具有体积小重量轻耐腐蚀抗电磁干

。，

进行实时在线监测与故障定位因而利用声发射技术进行

、、，

灵敏度高易于实现被测信号的远距离监控等优点被

扰

。

、、

越来越多的用于高温高压强电磁干扰等恶劣的工作环境

局部放电监测受到越来越多的关注

［

］

６７

。

－

，

目前声发射检测系统大多采用压电类传感器实现声发

，

、

中

实现敏感信号的测量

光纤光栅传感器通过应力压

，

射信号的测量通过把传感器布置在变压器外部开展变压器

、

（）

波长的调制

Ｂｒａ

ｇｇ

强

温度等物理参量对光纤光栅布拉格

［

］

４５

。

－

，，，，，

传感信息因而还具有灵敏度高稳定性好结构简单采

内局部放电声发射信号的测量与定位研究

这种方法存

［］

８

。

研究一种

：，

在以下缺点首先压电类传感器容易受到变压器外部强磁

，

用波长编码易于构建分布式测量系统等优点

，

场的干扰而产生较大的引入噪声甚至导致传感器失灵

。

其

基于光纤光栅声发射传感器的变压器局部放电在线监测技术

，，

由于变压器内部结构的复杂性声发射信号在变压器内

。

具有重要意义

次

：

，

修订日期

２０１６０２１９

：

收稿日期

２０１６０６１２

－－

ꢀ

－

：

（

），

（），

济南市高校院所自主创新计划项目

ＺＲ２０１２Ｆ０１４

基金项目中国博士后科学基金项目

山东省自然科学基金项目

２０１１０４９１６０４

（

）

资助

ＪＮ２０１４０２００５

：

马

，

年生齐鲁工业大学信息学院教授

１９７３ｅｍａｉｌｓｄｄｘｍｂ１２６．ｃｏｍ

ꢀꢀ

：

作者简介

宾

ꢀ

－

＠

光谱学与光谱分析

第

ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ

卷

３７

２２７４

传感原理与性能分析

１

ꢀ

（

）

利用光纤材料的光

光纤光栅

ｆｉｂｅｒｏｔｉｃｂｒａ

－

ｒａｔｉｎ

ｇ

ꢀꢀ

ｐ ꢀ ｇｇｇ

ꢀ

，

敏性通过对一定区域内光纤折射率的调制在材料内部形成

，，

空间相位光栅使其能够反射特定波长的光而通过其他波

图

反射光强变化示意图

１

ꢀ

［］

９

。

，

长的光

根据其光学性质受控于外界温度应力变化的特

Ｆｉ．１Ｔｈｅｃｈａｎｅｓｏｆｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅｌｉｈｔｉｎｔｅｎｓｉｔ

ꢀ ꢀ

ｙ

ꢀ

ｇ

，

。

可以制成光纤光栅传感器其中心反射波长

性

与光纤光

Ｂ

栅的周期和光纤的折射率

间的关系可表示为

ｎ_ｆｆ

ｅ

传感系统模型建立与性能优化

２

ꢀ

（）

１

２ｎ

ｅｆｆ

λ ＝

Ｂ

、

当光纤光栅所处环境的温度应变或其他物理量发生变

ꢀꢀ

，

由于声发射信号是一种应力波传感光栅在声发射应力

ꢀꢀ

，

化时光栅的周期和纤芯折射率

，

会发生变化从而使

ｎ_ｆｆ

ｅ

，，

波的作用下其反射光谱会发生周期性漂移在特定频点处

［］

１０

反射光的中心波长发生变化

，

的反射光强也会随之而发生变化通过解调反射光强的变

２ｎ

ｅｆｆ

２

ｎ

＝

ｅｆｆ

Δλ ＝

Ｂ

ΔΛ＋ ΛΔ

，。

可以实现声发射信号的测量在声发射信号测量过程

化

２

ｎ

［

ｐ１

（

－ν

ｐ

）］

ｐ１１

（）

２

１

－

（

＋

２

１２

ελ

Ｂ

，，

窄带光源的输出保持稳定反射光强的变化是由传感光

中

）

２

。，

栅反射光谱漂移所引起的变压器发生局部放电时声发射

，

ｐ１

，

_１和 _２为光弹系数是纤芯材

其中

是轴向应变张量

ｐ１

，

应力波引起传感光栅反射光谱发生漂移当系统工作点靠近

。

料的泊松比

光纤光栅在声发射应力波的作用下引起传感光栅产生

轴向应变为

，

反射光谱的极大和极小值时系统的响应灵敏度会快速降

，

，；

而且解调波形会出现失真的情况当传感光栅的反射光

低

，。

谱发生轻微移动时反射光强变化很小如果工作点在反射

Ｌ

（

１

）

２

－ ν Δ

ｐ

（）

３

ε＝

Ｅ

，

光谱的峰值上则无论传感光栅的反射光谱向任何一侧移

，

Ｌ

，

Ｅ

，

为杨氏模量

ｐ

其中

为传感光栅的长度

为声波压力

，，。

反射光强都会降低无法实现声发射信号的测量因而

，

动

。

的变化量

（

选择合适的系统测量工作点半峰值频点处

），

可以使反射光

（）

带入式

３

（），

２

将式

可得传感光栅反射波长随声发射应

，

强的变化与声发射信号间建立良好的线性关系有效提升系

力波的变化为

。

统测量的灵敏度和稳定性

由于光纤光栅具有温度与应变交叉敏感特性实验中需

要消除温度变化引起传感光栅反射光谱漂移对系统测量灵敏

２

Ｌ

ｎ

，

Ｂ

［

ｐ１

（

－ν

ｐ

）］

（

１

ｐ１１

）

（）

４

－ ν Δ

ｐ

１

－

（

＋

２

１２

Δλ ＝

Ｂ

）

２

Ｅ

，

因

由于光纤光栅的反射光谱是一种类高斯分布的波形

ꢀꢀ

。

度的影响设计基于光纤光栅的声发射检测模型如图

所

２

，，

当声发射信号引发传感光栅中心波长发生漂移时其特

而

，、、、、

系统由窄带激光光源隔离器耦合器传感探头光电

示

（），

定频点波长处的反射强度会发生变化通过测量特定频点

、、、

转换模块放大滤波模块波长调制数据接收和信号处理

，

处反射光强的变化可以获得待测声发射信号的变化情况

。

。，

几部分组成其中激光光源采用

型可调谐光栅

ＬＩＴＴＲＯＷ

光纤光栅反射光强的变化可以近似表示为

，

外腔半导体激光器通过调制激光器内部反射光栅的斜率可

２

）

（

λ－λ

Ｂ

（

２

λ－λ

）

（

ＩＬ

λ－λ λ

０

）

Ｉ

０

Ｂ

ＢＢ

，

以对输出光的波长进行调制输出

带宽为

的稳

１０ｍ

ｐ

３ｄＢ

（）

Ｉ

Δ λ ＝

２

ｅ _{－ σ}

２

Δλ ＝

Ｂ

２

３

２

πσ

槡

２Ｅ

πσ

槡

。，

定窄带激光窄带激光光源发出的光经过隔离器后通过一

２

）

（

λ－λ

２

Ｂ

，

声发射传感器实现声发射

个

的

２×２３ｄＢ

耦合器到达

ｎ

ＦＢＧ

［

ｐ１

（

－ν

ｐ

）］

（

１

ｐ１１

）

（）

５

２

１

－

（

ｅ _{－ σ}

２

＋

２

１２

－ ν Δ

ｐ

）

２

。

信号的检测反射光透过耦合器进入光放大器进行放大滤波

，

，，

为高斯波形系数它主要与光

其中

为最大反射光强

Ｉ

０

，，

一部分反射光进入光源调制模块根据反射光强的变化

后

，

纤光栅折射率和直径的变化相关对于掺锗石英光纤

，

受

，

对窄带光源的输出光进行调制使其输出的窄带激光稳定在

，，

温度或应力变化的影响很小也即当温度或应力发生改变

（

理想的工作点传感光栅反射光谱的上升沿或下降沿中点位

，，

反射光谱的形状变化很小一般可以忽略其对反射光强

时

，），

即半峰值频点处从而消除了温度变化对传感系统测

置

。

变化所产生的影响由式

（），

可知传感光栅在特定频点处

５

；

量精度的影响另一部分反射光通过数据接收装置采集后

，

反射光强变化与光纤光栅自身的特征参数和待测物理量的变

。，，

化情况相关因而在传感光栅自身参数确定的情况下通

（

过测量特定频点处反射光强的变化可以实现声发射信号幅

、）。

频率等的测量采用固定频率的窄带激光照射传感光

值

／，

栅反射光谱上升沿下降沿上特定频点处当传感光栅反射

（），

光谱在外部物理量声发射应力波的作用下发生漂移时特

。

定频点处的反射光强变化如图所示

１

图

光纤传感系统结构框图

２

ꢀ

Ｆｉ．２Ｔｈｅｄｉａｒａｍｏｆｆｉｂｅｒｏｔｉｃｓｅｎｓｉｎｓｓｔｅｍ

ꢀ ꢀ ꢀ

^－ｐ

ꢀ

ｇ

ｇｙ

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