光纤传感器在局部放电中的应用

光纤传感器在局部放电中的应用[20191214193242]
摘要
近年来,伴随着光纤技术的发展,光纤传感的应用得到普及。光纤传感技术可以准确有效的对大规模的管道和通信线路进行监控,能够实时的检测出线路中存在的放电泄露等问题,并可以相对准确的定位出故障点,很大程度上减少了因为线路问题引起的经济损失。
论文分析了分布式光纤传感技术的研究现状,对目前较流行的放电点检测的方法以及具体实现检测功能的原理进行了研究;然后基于干涉型分布式光纤传感技术对放电检测系统的结构和原理进行剖析,详细研究了系统的定位原理;对采集到的信号进行谱估计的处理,研究了welch、AR和FFT三种谱估计方法,最后通过LabView软件对采集到的放电点信号进行解调和定位,确定放电点发生位置,与实际放电点位置进行对比分析,测算方差,误差率等数值。
经实验验证,本文所提出的基于放电检测的干涉型分布式光纤传感系统定位功能完善,定位准确,可靠性高。
摘要
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关键字:光纤传感;定位;谱估计;LabView
目录
Abstract
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 高压放电研究现状 2
1.2.1超声波检测法 2
1.2.2 化学检测法 3
1.2.3 分布式光纤传感检测 4
1.3 论文结构与安排 8
第二章 分布式光纤传感系统介绍 9
2.1 系统结构及主要光器件 9
2.1.1 系统结构 9
2.1.2 光器件 9
2.2系统原理 13
第三章 局部放电信号处理技术 18
3.1 相位解调算法 18
3.1.1 信号的采集 18
3.1.2 直流量的计算 18
3.1.3 归一化过程 21
3.1.4 相位解调算法 22
3.2 定位算法的研究 24
3.2.1 Welch功率谱 25
3.2.2 AR功率谱 25
3.2.3 FFT功率谱 27
第四章 结果与讨论 28
4.1 定位算法 29
4.1.1 6km放电点位置 29
4.1.2 12km放电点位置 31
4.1.3 22km放电点位置 33
4.2 实验结果与分析 35
4.2.1 实验结果 35
4.2.2定位算法比较与分析 36
4.3 结论 37
全文总结 38
参考文献 40
致谢 43
第一章 绪论
21世纪初,伴随着中国浩大的西气东输,北电南送等几乎跨越全国的工程开工实施,对这样的超长的公共基础设施的监控维护成为了各行各业关注的焦点和工程组不可避免的问题。随着时间的推移,设备必然面临着老化,破损等功能性故障问题,如何才能有效的监控维护这些设备线路,是关系到整个工程的伟大功能的实现的后期核心保证。
但是由于这些工程跨度范围的广泛性,人工的巡检和维修存在巨大的实现困难,而且人工上也存在着劳动强度大,实施效率低,定位准确率差等众多问题。利用线路内的压力等特性监控线路健康状况也是此前世界上比较流行的方法,但是这种方法很典型的一个缺点就是它只能在设施已经发生较为显著的损坏的情况下做出反应,它的效用对整个监控系统的复杂性有极大的依赖,受自然和人工的影响较大,并且它的定位准确性也比较低。
光纤传感技术是近年来用来解决线路设施监控问题呼声最高的技术之一,但是由于技术的局限性,大规模的使用传感器进行监控只能成为理论上的实现,价格过于高昂是众多工程放弃使用此项技术的直接原因。但是鉴于光纤在信号传输中的独特优势,伴随分布式光纤传感技术随之发展成熟。分布式光纤技术只需要一条光纤传感线路和一个光源,信息传输量大,造价低廉。沿管道铺设的光纤作为分布式光纤传感器的传感元件,传感光纤上的任一点位置都具有传感能力,且不需要保护光纤,还可以实现预警、定位数十公里的管道破坏和放电活动。因此,展开具有预警、定位管道损坏行为的分布式光纤传感技术研究具有巨大的社会和经济效益[1],是监控大规模路线的最好的选择。
1.1 课题研究背景及意义
光纤传感技术是在上世纪七十年代伴随着光纤通信的蓬勃发展而提出来的,它与光时域反射技术密切结合迅速崛起,经过几十年的发展而在多个领域广泛应用[2]。 我国在上个世纪70年代左右开始了光纤技术的研究,也研发出了很多具有高价值的核心技术。但与某些发达国家相比,我国的研究水平还有不小的差距,主要表现在商品化和产业化方面,大多数品种仍处于实验室研制阶段,不能投入批量生产和工程化应用[3]。
分布式光纤传感器由于采用了光纤传感器,避免了之前采用基于电信号的传感器在进行信号传唤时产生数据误差以及信号干扰问题,且较之前的传感系统,分布式光纤传感系统传输信息数据量大,系统本身结构简单,使用方便灵活,价格更加便宜等优势。
根据相关资料统计显示,中国每年因为漏电或者传输线路损坏造成的损失高达数十亿元,这还不包括后期维修费用。而且这些故障不仅会有资源的损失,也容易伤害普通百姓,带来安全隐患。如果这个问题处理不及时适当,甚至造成无法挽回的后果。对于这些容易引起人生伤亡和经济损失的设施,必须有一个完善的监控系统。与传统的监控检测系统相比,基于光纤的传感系统的检测效果显示出了独特的优越性。光纤传感技术不仅是传感技术史上一个伟大的变革,对于这个行业更具有跨时代得意义。
1.2 高压放电研究现状
在漫长的时间沉淀中,依靠对放电的理解和掌握,科学家积累了多种较有效的放电检测方法,比如超声波检测法,化学检测法,声测法,脉冲检测法,超高频检测法等等。他们有着各自的优缺点,有着各自的使用场所。
由于现在的放电检测方法有很多,但是由于本文的重点以及空间问题,没有详细介绍,下面主要分析了两个具有代表性的超声波和化学检测法以及本文的核心方法光纤传感检测法。
1.2.1超声波检测法
在局部放电发生时, 放电区域内分子间会剧烈撞击, 同时介质由于放电发热,体积瞬间发生改变,这些因素都会在宏观上产生脉冲式压力波, 超声波就是其中频率大于20 kHz 的声波分量[4]。在这个时候,局部放电源点的脉冲声源,声波在传播中是球面波的形式,根据机械波传播的原理,在不同介质中的声速是不同的,而且在介质交界处会发生折射、反射现象。我们除了安装的声电转换器设备外,再通过一系列处理,将声信号转换成电信号,然后处理电信号,得到局部放电的特征值。超声波检测相对于传统的电脉冲等检测方法, 有明显的优点:它受电气的干扰小, 可实现远距离无线测量。尤其它的灵敏度在大容量电容器的局部放电检测方面,高于电脉冲法[ 5]。当前利用的局放检测超声波传感器抗电磁灵敏度也不高,干扰能力也较差,容易受到影响。但超声波的独特优势在于原理简易,方便实现线上检测,便于空间定位和可望实现利用超声波法进行模式识别和定量分析。超声波检测的系统结构原理如图1.1:
图1.1 超声波检测系统
目前,由于超声波检测法技术不够完善,且产生的原理和超声波的传播路径分析繁杂,超声波检测法不是放电检测首要选择。它更主要的是作为一种辅助方法与其他的检测法一起使用,比如与脉冲检测法,超高频检测法合作使用获得更为准确的数据。
1.2.2 化学检测法
化学检测法的原理是当变压器中发生局部放电时, 由于各种组成材料会发生变形分解,产生新的生成物,我们判断放电点位置通过新生成物的成分和浓度检测即可。DGA(Dissolved Gas Analysis)法即是根据这种原理产生的化学检测法的典型方法之一。该方法当前已普遍应用于线上变压器诊断故障中。DGA方法的故障自动识别系统的即主要是根据故障种类、故障程度,局部放电点产生气体的构成和浓度建立起来以实现模式识别系统的功能。
DGA方法的长处是信息相对可靠,外界电磁干扰小,能够按照局部放电所分解气体的组成和浓度判别局部放电的形式。目前,有三比值法,戴维三角的判断方法,以及新提出的例如迷糊数学法,人工神经网络法和模糊模式多层聚类法等都属于DGA化学检测法。DGA对渐变性绝缘缺陷材料的判断比较成熟的,缺点是发生的局部放电往往需要较长的时间来检测气体的特性,主要是它对突发故障征兆的跟踪比较困难,实时性较差。
由于化学法基于的原理方法较多,导致至今化学检测法也没有形成一个统一标准,这一定程度上限制了化学法的发展应用。
1.2.3 分布式光纤传感检测
分布式光纤传感器只采用一根光纤,既能充当传输信号的介质,也可以扮演检测每一点设备的角色,能获得这个线路的实时空间与时间信号,消除了传统的传感器无法检测的“盲区”。其系统结构如图1.2:
图 1.2 分布式光纤传感系统
目前反射法、波长扫描法和干涉法[6]是分布式光纤传感技术使用的三种主要方法。反射法是一种用光在光纤传输过程中的散射效应的测量方法;波长扫描的方法是使用偏振保持光纤由外部扰动发生时引起的模式耦合现象的测量方法;干涉法是通过一个干涉设备对光路中干涉光的相位进行调制解调然后得到与所测信息相关数据的测量方法。
OTDR(Optical time domain reflectometer:光时域反射)和OFTR(Optical frequency domain reflectometer光频域反射)构成了反色法的技术基础,但由于光频域反射(OFDR)技术不利于实用化,目前比较流行的分布式光纤传感技术研究主要是由OTDR(光时域反射)技术衍生出来,OTDR技术是由Barnoski在1976年提出,是实现分布式光纤传感的关键技术[7]。光在光纤中传输会发生散射,包含由光学声子引起的拉曼(Raman)散射、光纤折射率变化引起的瑞利(RayLeigh)散射和声学声子引起的布里渊(Brillouin)散射三种类型[8]。如图1.3显示了各种光的散射强度和频率的关系。
图 1.2 光的散色效应
基于光的这几种散射特性,分别产生了基于各自散射的分布式光纤传感技术。下表分别就各种散射形成的分布式光纤传感技术进行了优缺点对比,以及主要应用场合:
表 1.1 各种散射形成的分布式光纤传感技术优缺点对比
技术 优点 缺点 主要应用场合
基于 OTDR 能连续显示整个光纤线路的损耗相对于距离的变化。非破坏性测量,功能多,使用方便 在使用时始终有一段盲区。从光纤两端测出的衰减值有差别,通常取平均值。 对于光纤损伤点的检测
基于 BOTDR 对于单一分布参数的测量有很高的精度和空间分辨率 由于布里渊频移很小,且其线宽很窄,这就要求激光器具有极高的频率稳定性和极窄的(约kHz)可调线宽,对光滤波器也有极高的要求。因此该系统在制造和使用上既复杂又昂贵。目前主要集中在温度和应力传感 应力和温度的监测
基于 BOTDA 很高的精度和空间分辨率,动态 范围大,测量精度高 系统较复杂,泵浦激光器和探测激光器必须放在被测光纤的两端,实际应用存在一定的困难;不能测断点,应用条件受到限制;应力和温度引起的变化比较难区分 应力和温度的监测
基于 ROTDR 提高了系统的相对灵敏度和测温精度,扩展了系统的功能,降低了成本 返回的信号很弱,对光源的要求较高。 温度变化监测
尽管基于OTDR的分布式光纤传感技术比较成熟,而且应用水平较高,但是对于追求更加实时的检测特别是瞬时时间的事件检测,反射式的分布式光纤传感系统并不能满足功能要求,而且由于采用的反射的方法,它对光信号的强度要求严格,容易造成因使用高功率的电源的价格上升。
波长扫描法是通过chojilzk等人在1991提出的新方案:用白色光照偏振保持光纤,利用快速傅立叶算法确定模式耦合系数分布[9],该方法尽管分辨率高,在0.3cm左右,可是所能测算范畴不大,系统成本贵,无益于实用化。
干涉式分布光纤传感器是利用光纤受到所监测物理场感应,如温度、旋转、压力或振动等,使导光相位产生延迟,经由相位的改变,造成输出光的强度改变,进而得知待测物理场的变化[10]。干涉式分布光纤传感技术的出现很好的弥补了反射式光纤传感技术的不足,测量范围增大,测量精度更加准确。干涉法中主要应用的是萨格纳克(Sagnac)干涉仪、马赫-泽德(Mach-Zenhder)干涉仪、迈克尔逊(Michelson)干涉仪和多种不同特性的干涉仪以各自基础相互组成的混合式干涉结构的干涉仪。多种干涉仪中,因为基于萨格纳克效应的光纤陀螺技术是一个较为完善的技术,所以,基于萨格纳克效应的分布式光纤传感技术的发展前景是特别开阔,适合深入学习研究。
(1)光纤迈克尔逊干涉仪[11]

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好棒文