用于高壓電氣設(shè)備局部放電檢測(cè)的光纖方向傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于高壓電氣設(shè)備局部放電檢測(cè)的光纖方向傳感器，包括光纖磁場(chǎng)傳感器和光纖電場(chǎng)傳感器；光纖磁場(chǎng)傳感器包括依次相連的：第一單模光纖、第一起偏器、傳感光纖環(huán)、第一檢偏器、第一光電探測(cè)器；感器包括依次相連的：第二單模光纖、第一準(zhǔn)直透鏡、第二起偏器、四分之一波片、電光晶體、第二檢偏器、第二準(zhǔn)直透鏡、第二光電探測(cè)器；第一單模光纖和第二單模光纖均與光源相連，第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器均與信號(hào)處理單元相連。信號(hào)處理單元通過光纖磁場(chǎng)傳感器和光纖電場(chǎng)傳感器分別檢測(cè)到的脈沖信號(hào)磁場(chǎng)和電場(chǎng)的極性，來判斷脈沖信號(hào)傳播的方向。
【專利說明】
用于高壓電氣設(shè)備局部放電檢測(cè)的光纖方向傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于高壓電氣設(shè)備局部放電檢測(cè)的光 纖方向傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前國內(nèi)外大型電力設(shè)備諸如:變壓器、GIS等的局部放電在線監(jiān)測(cè)有多種方法， 主要包括甚高頻(VHF)脈沖電流檢測(cè)法、超高頻(UHF)電磁波檢測(cè)法和壓電傳感器超聲波檢 測(cè)法，其中VHF和UHF檢測(cè)法檢測(cè)的是電信號(hào)，容易受到電磁干擾信號(hào)的干擾;壓電超聲法檢 測(cè)的是超聲波信號(hào)，但傳感器是貼在設(shè)備外殼上檢測(cè)設(shè)備內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的超聲波信 號(hào)，雖然不易受到電磁噪聲的干擾，但靈敏度不高。也有將壓電傳感器放置在設(shè)備外殼的內(nèi) 部，在油中檢測(cè)局部放電，但由于壓電超聲傳感器在油中檢測(cè)靈敏度不高，同時(shí)不能放在高 電位處進(jìn)行測(cè)量，使其檢測(cè)方法受到限制。
[0003] 光學(xué)方法測(cè)量高壓電氣設(shè)備局部放電的技術(shù)主要有三種一一直接探測(cè)可見光法、 法拉第磁光效應(yīng)法和光-超聲波法。直接探測(cè)可見光法只適合于用透明電介質(zhì)作為絕緣材 料的高壓電器設(shè)備，不適用于以固體電介質(zhì)、液體電介質(zhì)作為絕緣材料的高壓電器設(shè)備的 局部放電檢測(cè);光-超聲波法傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)，但其存在傳感 器精度要求高、加工困難，且受溫度變化影響較大，超聲信號(hào)存在較多折反射而衰減嚴(yán)重等 不足;基于法拉第磁光效應(yīng)原理的光纖電流傳感器初期只適合固定形狀的高壓電器設(shè)備的 局部放電檢測(cè)，得益于光纖技術(shù)的發(fā)展，具有就好應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)目前大型電力設(shè)備內(nèi)部局部放電檢測(cè)技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出了一種用 于高壓電氣設(shè)備局部放電檢測(cè)的光纖方向傳感器，包括光纖磁場(chǎng)傳感器和光纖電場(chǎng)傳感 器；
[0005] 其中，光纖磁場(chǎng)傳感器包括依次相連的：第一單模光纖、第一起偏器、傳感光纖環(huán)、 第一檢偏器、第一光電探測(cè)器；
[0006] 光纖電場(chǎng)傳感器包括依次相連的：第二單模光纖、第一準(zhǔn)直透鏡、第二起偏器、四 分之一波片、電光晶體、第二檢偏器、第二準(zhǔn)直透鏡、第二光電探測(cè)器；
[0007] 第一單模光纖和第二單模光纖均與光源相連，第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器 均與信號(hào)處理單元相連。
[0008] 所述傳感光纖環(huán)套在被測(cè)導(dǎo)體上，用于檢測(cè)起偏器產(chǎn)生的線偏振光在局部放電信 號(hào)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用下所發(fā)生的方位角偏轉(zhuǎn)。
[0009] 所述電光晶體設(shè)置在被測(cè)導(dǎo)體旁，用于檢測(cè)四分之一波片產(chǎn)生的圓偏振光在外部 電壓干擾下的光信號(hào)。
[0010] 所述第二檢偏器將光分成兩束光波后經(jīng)過第二準(zhǔn)直透鏡進(jìn)入第二光電探測(cè)器，由 第二光電探測(cè)器解調(diào)出兩個(gè)干涉信號(hào)從而獲得外部干擾電壓。
[0011] 所述信號(hào)處理單元通過光纖磁場(chǎng)傳感器和光纖電場(chǎng)傳感器分別檢測(cè)到的脈沖信 號(hào)磁場(chǎng)和電場(chǎng)的極性，來判斷脈沖信號(hào)傳播的方向。
[0012] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0013] 1、本發(fā)明具有靈敏度高，方向性好，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，能大大減少了外界自然 光的干擾和光路傳輸損耗。
[0014] 2、本發(fā)明的傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝方便，可以作為一種點(diǎn)式傳感器，很方便安裝在變壓 器、GIS、高壓電纜等電力設(shè)備的重點(diǎn)部位進(jìn)行局部放電方向性的在線檢測(cè)。
[0015] 3、本發(fā)明可以靈敏地測(cè)量高頻信號(hào)，由于用光測(cè)法測(cè)量局部放電，避免了設(shè)備運(yùn) 行現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)電磁干擾，用于高壓電氣設(shè)備的局部放電在線監(jiān)測(cè)。
【附圖說明】
[0016] 圖1光纖磁場(chǎng)傳感器工作原理圖。
[0017] 圖2光纖電場(chǎng)互感器工作原理圖。
[0018] 圖3用于高壓電氣設(shè)備局部放電檢測(cè)的光纖方向傳感器示意圖。
[00?9]圖4a和4b分別為沿相反方向傳播的脈沖A和B產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)不意圖，E為電場(chǎng)， F為磁場(chǎng)，正極性的脈沖從左向右傳播時(shí)產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)定義為正向。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖，詳細(xì)說明實(shí)施方案。
[0021] -種用于高壓電氣設(shè)備局部放電在線檢測(cè)的光纖方向傳感器，該傳感器系統(tǒng)由光 纖磁場(chǎng)傳感器和光纖電場(chǎng)傳感器兩部分組成，通過聯(lián)合檢測(cè)來判斷所測(cè)局放信號(hào)的傳播方 向。
[0022] 光纖磁場(chǎng)傳感器如圖1所示，包括:第一單模光纖、第一起偏器、傳感光纖環(huán)、第一 檢偏器、第一光電探測(cè)器。
[0023] 光纖電場(chǎng)傳感器如圖2所示，包括:第二單模光纖、第一準(zhǔn)直透鏡、第二起偏器、四 分之一波片、電光晶體、第二檢偏器、第二準(zhǔn)直透鏡、第二光電探測(cè)器。
[0024] 第一單模光纖和第二單模光纖均與光源相連，第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器 均與信號(hào)處理單元相連。
[0025] 如圖3所示，所述傳感光纖環(huán)套在被測(cè)導(dǎo)體上，用于檢測(cè)起偏器產(chǎn)生的線偏振光在 局部放電信號(hào)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用下所發(fā)生的方位角偏轉(zhuǎn)。
[0026] 所述電光晶體設(shè)置在被測(cè)導(dǎo)體旁，用于檢測(cè)四分之一波片產(chǎn)生的圓偏振光在外部 電壓干擾下的光信號(hào)。
[0027]光纖磁場(chǎng)傳感器的工作方式為：
[0028]由光源發(fā)出一束光，經(jīng)起偏器后成變成線偏振光，在高壓電氣設(shè)備中高頻率局部 放電信號(hào)產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下發(fā)生方位角偏轉(zhuǎn)，光經(jīng)由檢偏器入射到光探測(cè)器，光探測(cè)器接 收到光強(qiáng)信號(hào)，再由光電轉(zhuǎn)換模塊將帶有被測(cè)信號(hào)的光信息通量轉(zhuǎn)換為可用計(jì)算機(jī)測(cè)的電 信號(hào)。
[0029] 光纖電場(chǎng)傳感器的工作方式為：
[0030]由光源發(fā)出的光，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后成為平行光，經(jīng)起偏器后變?yōu)榫€偏振光，之后被1/ 4波片轉(zhuǎn)換為圓偏振光。如果電光晶體附近導(dǎo)體受到外部電壓干擾，則光波經(jīng)過電光晶體后 將由圓偏振光變?yōu)闄E圓偏振光，這一變代過程與電光晶體受到干擾電壓信號(hào)的頻率、幅值 有關(guān)，后經(jīng)過偏振光分束器分成2束光波，分別經(jīng)輸出透鏡進(jìn)入光電探測(cè)器。觀點(diǎn)探測(cè)器可 以接收到2個(gè)線偏振光波經(jīng)過電光晶體后的干涉信號(hào)，同時(shí)解調(diào)出2個(gè)干涉信號(hào)，就可以獲 得施加在電光晶體上的被測(cè)電壓。
[0031] 光纖方向傳感器的工作原理如下：
[0032] 把電磁波在導(dǎo)線上的傳播過程看作一無損耗單導(dǎo)線線路中的波過程時(shí)，在某時(shí)刻 t，母線上的電壓和電流滿足如下關(guān)系：
[0035] 從式1和式2中，我們可以得出如下結(jié)論:前行電壓波uq與前行電流波iq極性相同， 反行電壓波Uf與反行電流波if極性相反。我們知道，電壓行波是與此波的電場(chǎng)相聯(lián)系的，而 電流行波是與此波的磁場(chǎng)相聯(lián)系的。因此上面的結(jié)論也可以表達(dá)為：前行波電場(chǎng)與磁場(chǎng)的 極性相同，反行波電場(chǎng)與磁場(chǎng)的極性相反。對(duì)于沿導(dǎo)線傳播的脈沖信號(hào)來說，其電場(chǎng)和磁場(chǎng) 也是相互關(guān)聯(lián)的。如圖4所示，對(duì)于沿相反方向傳播的正極性脈沖來說，其電場(chǎng)都為正極性， 而磁場(chǎng)的極性則正好相反;對(duì)負(fù)極性脈沖來說，也有類似的情形?？傊?，如果某正極性的脈 沖從某一方向傳播時(shí)，測(cè)得此脈沖電場(chǎng)和磁場(chǎng)的極性都為正極性，而把此時(shí)脈沖的傳播方 向定義為正向，那么對(duì)于所有正向傳播的脈沖，無論其極性如何，其電場(chǎng)和磁場(chǎng)總是同極性 的;而對(duì)于從另一方向即反向傳播的脈沖，其電場(chǎng)和磁場(chǎng)的極性則總是相反的。
[0036] 根據(jù)脈沖信號(hào)的電場(chǎng)極性和磁場(chǎng)極性的這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們提出的這種方向傳感 器，通過光纖磁場(chǎng)傳感器和光纖電場(chǎng)傳感器這兩個(gè)傳感器所輸出脈沖信號(hào)初始峰的極性， 就可以判斷出所測(cè)得脈沖的傳播方向。這種新型的方向傳感器簡(jiǎn)單易行，并且在檢測(cè)信號(hào) 時(shí)，與導(dǎo)線沒有直接的電磁連接。
[0037] 對(duì)于光纖磁場(chǎng)傳感器實(shí)施步驟為：
[0038] 1)波長(zhǎng)定在1310nm的單色光源，由光譜儀發(fā)出單色波長(zhǎng)為1310nm光源。
[0039] 2)光纖選用單模光纖，其中心玻璃芯直徑9um，包層外直徑125um。光纖采用保偏單 模光纖。
[0040] 3)光源發(fā)出的光束經(jīng)過起偏器后成為線偏振光，在磁場(chǎng)的作用下發(fā)生方位角偏 轉(zhuǎn)，經(jīng)過檢偏器入射到光探測(cè)器。
[0041] 4)光電探測(cè)器選擇PIN光電二極管。
[0042] 5)計(jì)算機(jī)信號(hào)處理單元。
[0043] 對(duì)于光纖電場(chǎng)傳感器實(shí)施步驟為：
[0044] 1)波長(zhǎng)定在1310nm的單色光源，由光譜儀發(fā)出單色波長(zhǎng)為1310nm光源。
[0045] 2)光纖選用保偏單模光纖。
[0046] 3)光源發(fā)出的光束經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡后，變?yōu)榫€偏振光。
[0047] 4)光束變?yōu)榫€偏振光以后，再經(jīng)過1 /4波片轉(zhuǎn)換為圓偏振光。
[0048] 5)光路再通過電光晶體。
[0049] 6)偏振光分束器。
[0050] 7)輸出透鏡。
[00511 8)光電轉(zhuǎn)換器選擇PIN光電二極管。
[0052] 9)計(jì)算機(jī)信號(hào)處理單元。
[0053]此實(shí)施例僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍 為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于高壓電氣設(shè)備局部放電檢測(cè)的光纖方向傳感器，其特征在于，包括光纖磁 場(chǎng)傳感器和光纖電場(chǎng)傳感器； 其中，光纖磁場(chǎng)傳感器包括依次相連的：第一單模光纖、第一起偏器、傳感光纖環(huán)、第一 檢偏器、第一光電探測(cè)器； 光纖電場(chǎng)傳感器包括依次相連的：第二單模光纖、第一準(zhǔn)直透鏡、第二起偏器、四分之 一波片、電光晶體、第二檢偏器、第二準(zhǔn)直透鏡、第二光電探測(cè)器； 第一單模光纖和第二單模光纖均與光源相連，第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器均與 信號(hào)處理單元相連。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述傳感器，其特征在于，所述傳感光纖環(huán)套在被測(cè)導(dǎo)體上，用于檢 測(cè)起偏器產(chǎn)生的線偏振光在局部放電信號(hào)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用下所發(fā)生的方位角偏轉(zhuǎn)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述傳感器，其特征在于，所述電光晶體設(shè)置在被測(cè)導(dǎo)體旁，用于檢 測(cè)四分之一波片產(chǎn)生的圓偏振光在外部電壓干擾下的光信號(hào)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述傳感器，其特征在于，所述第二檢偏器將光分成兩束光波后經(jīng)過 第二準(zhǔn)直透鏡進(jìn)入第二光電探測(cè)器，由第二光電探測(cè)器解調(diào)出兩個(gè)干涉信號(hào)從而獲得外部 干擾電壓。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述傳感器，其特征在于，所述信號(hào)處理單元通過光纖磁場(chǎng)傳感器和 光纖電場(chǎng)傳感器分別檢測(cè)到的脈沖信號(hào)磁場(chǎng)和電場(chǎng)的極性，來判斷脈沖信號(hào)傳播的方向。
【文檔編號(hào)】G01R31/12GK106093732SQ201610607733
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月28日 公開號(hào)201610607733.0, CN 106093732 A, CN 106093732A, CN 201610607733, CN-A-106093732, CN106093732 A, CN106093732A, CN201610607733, CN201610607733.0
【發(fā)明人】王偉, 高超飛, 劉晗, 商超, 劉旭
【申請(qǐng)人】華北電力大學(xué)