基于熒光光纖檢測變壓器油中局部放電特性研究

1、報(bào) 告 人：劉永剛指導(dǎo)老師：唐炬教授基于熒光光纖檢測變壓器油中局基于熒光光纖檢測變壓器油中局部放電特性研究部放電特性研究 324課題研究的目的與內(nèi)容課題研究的目的與內(nèi)容技術(shù)路線及技術(shù)路線及可行性分析可行性分析局部放電光測法的現(xiàn)狀局部放電光測法的現(xiàn)狀 1變壓器局部放電在線監(jiān)測的變壓器局部放電在線監(jiān)測的意義及方法意義及方法一、變壓器局部放電在線監(jiān)測的意義及方法一、變壓器局部放電在線監(jiān)測的意義及方法電力變壓器是電力系統(tǒng)中電力變壓器是電力系統(tǒng)中的重要樞紐設(shè)備，電力變的重要樞紐設(shè)備，電力變壓器故障給人們的生產(chǎn)和壓器故障給人們的生產(chǎn)和生活所帶來的影響也越來生活所帶來的影響也越來越大越大 大量資料表明，導(dǎo)致

2、電力大量資料表明，導(dǎo)致電力變壓器失效的主要原因是變壓器失效的主要原因是其絕緣性能的劣化。其絕緣性能的劣化。1.11.1局部放電在線監(jiān)測的意義局部放電在線監(jiān)測的意義Figure 1 局部放電導(dǎo)致的變壓器火災(zāi)事故發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部絕緣存在的潛伏性缺陷，判斷變壓器內(nèi)部絕緣劣發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部絕緣存在的潛伏性缺陷，判斷變壓器內(nèi)部絕緣劣化的程度，避免變壓器發(fā)生突發(fā)性絕緣故障，這對(duì)保證電力變壓化的程度，避免變壓器發(fā)生突發(fā)性絕緣故障，這對(duì)保證電力變壓器安全運(yùn)行具有十分重要的意義器安全運(yùn)行具有十分重要的意義 1.21.2局部放電的檢測方法局部放電的檢測方法局部放電檢測是以發(fā)生局部放電時(shí)產(chǎn)生的光、電、聲、磁、熱等現(xiàn)象為

3、依局部放電檢測是以發(fā)生局部放電時(shí)產(chǎn)生的光、電、聲、磁、熱等現(xiàn)象為依據(jù)，通過能描述該現(xiàn)象的物理量來表征局部放電的狀態(tài)。據(jù)，通過能描述該現(xiàn)象的物理量來表征局部放電的狀態(tài)。檢測方法檢測方法超聲波檢測法光測法化學(xué)檢測法紅外檢測法非電測法非電測法脈沖電流法射頻檢測法超高頻法電測法電測法光測法是通過檢測局部放電伴隨的光輻射作為測量依據(jù)的。比如在變壓器光測法是通過檢測局部放電伴隨的光輻射作為測量依據(jù)的。比如在變壓器油中，各種放電發(fā)出的光波長是不同的，研究表明局部放電的光波長大約油中，各種放電發(fā)出的光波長是不同的，研究表明局部放電的光波長大約在在300-800nm300-800nm范圍內(nèi)。通過光纖把局部放電的

4、光引導(dǎo)到光電探測器，經(jīng)過范圍內(nèi)。通過光纖把局部放電的光引導(dǎo)到光電探測器，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)化后，通過檢測光電流的特性可以實(shí)現(xiàn)局部放電特性的識(shí)別。光電轉(zhuǎn)化后，通過檢測光電流的特性可以實(shí)現(xiàn)局部放電特性的識(shí)別。1絕緣性能好絕緣性能好2不受電磁場的不受電磁場的干擾干擾3靈敏度高，可靈敏度高，可以檢測沖擊電以檢測沖擊電壓下的局部放壓下的局部放電電1.31.3光測法的原理及優(yōu)點(diǎn)光測法的原理及優(yōu)點(diǎn)二、局部放電光測法的現(xiàn)狀二、局部放電光測法的現(xiàn)狀局部放電的光測法最早的研究一般認(rèn)為是1989年日本的KATSUOSHI MUTO和1991法國 R.Mangeret 、J.Farenc等人，發(fā)表文章闡述了他們?cè)谶@一領(lǐng)域的成

5、果。在國內(nèi),主要是重慶大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)等高校國外，美國、法國、日本、加拿大、奧地利等國家的眾多學(xué)者對(duì)局部放電的光測法進(jìn)行了深入的研究二、局部放電光測法的現(xiàn)狀二、局部放電光測法的現(xiàn)狀2.12.1局部放電光測法國外現(xiàn)狀局部放電光測法國外現(xiàn)狀19891989日本KATSUOSHI MUTO 運(yùn)用熒光光纖檢測局部放電發(fā)出的光信號(hào)，該熒光光纖是用摻釤（Sm3+）的 Na2O-CaO-5SiO2玻璃制成。19911991法國的A.Beroul F.Bure在GIS高壓斷路器裝置針板電極，運(yùn)用了兩種傳感器，一路檢測高壓斷路器內(nèi)部的擊穿，一路檢測高壓斷路器外部的閃絡(luò)。19941994法國的 R.M

6、angeret 等人研究了六種不同摻雜熒光光纖的衰減特性以及吸收和發(fā)出光譜的特征，然后檢測在SF6 輝光放電下的各種光纖的靈敏度。光強(qiáng)隨光源到光纖的距離衰減特性：熒光光纖基本沒有改變，而普通光纖與距離的平方成反比。光測法較之傳統(tǒng)的檢測方法：有效、經(jīng)濟(jì)且易于實(shí)現(xiàn)。光纖的平均衰減值是600dB/km2.12.1局部放電光測法國外現(xiàn)狀局部放電光測法國外現(xiàn)狀19961996加拿大S.S.Bamji、A.T.Bulinski等人在按比例縮小的GIS裝置中比較光測法和傳統(tǒng)的脈沖電流法在交流，直流，和沖擊電壓下的特性。光測法可以檢測到?jīng)_擊電壓下的局部放電而對(duì)于脈沖電流法卻很困難20052005奧地利R.Sc

7、hwarz、M.Muhr、等人運(yùn)用了兩種傳感系統(tǒng)檢測變壓器油中針板電極局部放電試 驗(yàn) 研 究 。光脈沖的幅值與局部放電量是成正一致關(guān)系的 。2.12.1局部放電光測法國內(nèi)現(xiàn)狀局部放電光測法國內(nèi)現(xiàn)狀清華大學(xué)魏念清華大學(xué)魏念榮等人運(yùn)用光榮等人運(yùn)用光測法做了針板測法做了針板電極局部放電電極局部放電試驗(yàn)。試驗(yàn)。試驗(yàn)電壓較低時(shí)試驗(yàn)電壓較低時(shí)只有正半周有少只有正半周有少量放電。量放電。當(dāng)試驗(yàn)電壓較當(dāng)試驗(yàn)電壓較高時(shí)，放電的高時(shí)，放電的光脈沖呈現(xiàn)周光脈沖呈現(xiàn)周期性，周期為期性，周期為20ms。西安交通大學(xué)針西安交通大學(xué)針對(duì)防爆電機(jī)局部對(duì)防爆電機(jī)局部放電的要求，建放電的要求，建立了一套放電光立了一套放電光脈沖測

8、量系統(tǒng)脈沖測量系統(tǒng)。嘗試通過研究放電過程中嘗試通過研究放電過程中所產(chǎn)生光脈沖信號(hào)的強(qiáng)弱所產(chǎn)生光脈沖信號(hào)的強(qiáng)弱變化規(guī)律與脈沖電流法測變化規(guī)律與脈沖電流法測量結(jié)果的對(duì)比等來反映絕量結(jié)果的對(duì)比等來反映絕緣劣化的狀況。緣劣化的狀況。2.1局部放電光測法國內(nèi)現(xiàn)狀清華大學(xué)王燦清華大學(xué)王燦林等人運(yùn)用光林等人運(yùn)用光測法對(duì)絕緣子測法對(duì)絕緣子的電暈放電進(jìn)的電暈放電進(jìn)行了研究。行了研究。對(duì)電暈放電光對(duì)電暈放電光脈沖和電流脈脈沖和電流脈沖相關(guān)性進(jìn)行沖相關(guān)性進(jìn)行了分析，得到了分析，得到它們一致相關(guān)它們一致相關(guān)的結(jié)論的結(jié)論重慶大學(xué)的杜林重慶大學(xué)的杜林教授等人也利用教授等人也利用光測法對(duì)空氣和光測法對(duì)空氣和油中電暈放電進(jìn)油

9、中電暈放電進(jìn)行了研究行了研究分析了光脈沖分析了光脈沖頻率和電極兩頻率和電極兩端電壓的關(guān)系。端電壓的關(guān)系。三、三、課題研究的目的與內(nèi)容課題研究的目的與內(nèi)容 3.23.2課題研究的目的課題研究的目的 通過對(duì)檢測到的不同絕緣缺陷下光信號(hào)的特性分通過對(duì)檢測到的不同絕緣缺陷下光信號(hào)的特性分析，找出反映不同放電類型的光信號(hào)特征量，并用析，找出反映不同放電類型的光信號(hào)特征量，并用于診斷變壓器油中局部放電的類型于診斷變壓器油中局部放電的類型 3.13.1課題研究的內(nèi)容課題研究的內(nèi)容1 變壓器油中局部放電產(chǎn)生的光信號(hào)衰減特性的研究，變壓器油中局部放電產(chǎn)生的光信號(hào)衰減特性的研究， 分析熒光光纖長度對(duì)檢測的光信號(hào)的

10、影響分析熒光光纖長度對(duì)檢測的光信號(hào)的影響 ；2 變壓器油中不同缺陷下局部放電的光信號(hào)特性研究變壓器油中不同缺陷下局部放電的光信號(hào)特性研究 3 提取反映不同類型局部放電的光信號(hào)特征量，并對(duì)不提取反映不同類型局部放電的光信號(hào)特征量，并對(duì)不同類型局部放電進(jìn)行診斷同類型局部放電進(jìn)行診斷 本課題的本課題的研究內(nèi)容：研究內(nèi)容：四、技術(shù)路線及可行性分析四、技術(shù)路線及可行性分析4.14.1技術(shù)路線技術(shù)路線將熒光光纖探頭伸入變壓器油中，接收局部放電產(chǎn)生的光信號(hào)；然將熒光光纖探頭伸入變壓器油中，接收局部放電產(chǎn)生的光信號(hào)；然后通過普通光纖把光信號(hào)傳輸?shù)焦怆姳对龉苓M(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到放后通過普通光纖把光信號(hào)傳輸?shù)焦怆姳?/p>

11、增管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到放電光信號(hào)；通過對(duì)檢測到的光信號(hào)的特性分析可以實(shí)現(xiàn)局部放電的電光信號(hào)；通過對(duì)檢測到的光信號(hào)的特性分析可以實(shí)現(xiàn)局部放電的識(shí)別識(shí)別光纖的基本結(jié)構(gòu)是兩層圓柱狀媒質(zhì)光纖的基本結(jié)構(gòu)是兩層圓柱狀媒質(zhì)，內(nèi)層為纖芯，外層為包層；纖芯，內(nèi)層為纖芯，外層為包層；纖芯的折射率的折射率n n1 1比包層的折射率比包層的折射率n n2 2稍大。稍大。，光纖是光導(dǎo)纖維的簡稱。它是工作在光纖是光導(dǎo)纖維的簡稱。它是工作在光波波段的一種介質(zhì)波導(dǎo)，通常是圓光波波段的一種介質(zhì)波導(dǎo)，通常是圓柱形。它把光以電磁波能量，利用全柱形。它把光以電磁波能量，利用全反射的原理約束在其界面內(nèi)，并引導(dǎo)反射的原理約束在其界面內(nèi)，

12、并引導(dǎo)光波沿著光纖軸線的方向前進(jìn)。光波沿著光纖軸線的方向前進(jìn)。4.1技術(shù)路線技術(shù)路線4.1.14.1.1光纖傳輸光的原理光纖傳輸光的原理Figure 3 Figure 3 普通光纖的傳光原理普通光纖的傳光原理受數(shù)值孔徑受數(shù)值孔徑（NANA）的限制）的限制普通光纖光譜不匹配光譜不匹配 熒光光纖u可以接受任何可以接受任何入射方向的光線入射方向的光線. .u與局部放電光與局部放電光譜相匹配譜相匹配4.1.1 4.1.1 光纖傳輸光的原理光纖傳輸光的原理4.1 技術(shù)路線技術(shù)路線研究表明：在變壓器油中，其局部放電光譜在研究表明：在變壓器油中，其局部放電光譜在300-800nm300-800nm。Figu

13、re 5 Figure 5 實(shí)驗(yàn)室空氣實(shí)驗(yàn)室空氣中針板局部放電光譜波長中針板局部放電光譜波長在在300-450nm300-450nmFigure 6 Figure 6 BCF-92BCF-92型熒光光型熒光光纖的吸收光譜和發(fā)射光譜纖的吸收光譜和發(fā)射光譜4.1.2 4.1.2 熒光光纖的選擇熒光光纖的選擇4.1 技術(shù)路線技術(shù)路線4.1 技術(shù)路線技術(shù)路線4.1.2 4.1.2 熒光光纖的選擇熒光光纖的選擇規(guī)格名稱具體參數(shù)激發(fā)光譜/nm300500發(fā)射光譜/nm492577熒光量子產(chǎn)率0.7直徑/mm1.0長度/m0.5工作溫度/-40+70熒光光纖具體參數(shù)4.1 技術(shù)路線技術(shù)路線4.1.2 4.1

14、.2 光電倍增管的選擇光電倍增管的選擇光電倍增管具體參數(shù)光電倍增管具體參數(shù)光陰極直徑光陰極直徑8mm 光譜響應(yīng)范圍光譜響應(yīng)范圍300nm880nm峰值靈敏度波長峰值靈敏度波長500nm陽極光譜靈敏度陽極光譜靈敏度1.25107V/lm前置放大器前置放大器DC200kHz尺寸尺寸2.4 cm2.5 cm5.1cm4.1 技術(shù)路線技術(shù)路線4.1.3 4.1.3 變壓器油中缺陷模型變壓器油中缺陷模型針板放電缺陷模型針板放電缺陷模型油楔放電缺陷模型油楔放電缺陷模型4.1 技術(shù)路線技術(shù)路線4.1.3 4.1.3 變壓器油中缺陷模型變壓器油中缺陷模型懸浮放電缺陷模型懸浮放電缺陷模型沿面放電缺陷模型沿面放電缺陷模型4.1 技術(shù)路線技術(shù)路線4.1.3 4.1.3 搭建的試驗(yàn)平臺(tái)搭建的試驗(yàn)平臺(tái)局部放電光脈