基于有源光纤光栅阵列的局部放电声发射检测与定位技术

针对现有光纤超声传感器复用系统光路繁琐、传感器无法实现多点同步测量等不足,该文提出一种基于有源光纤光栅(fiber bragg grating,FBG)阵列的局放声发射传感检测方法。通过抑制系统的弛豫振荡噪声、引入不平衡干涉仪和声光调制器将微小波长变化的检测转化为相位变化进行解调,使系统检测灵敏度明显提高;理论推导并验证非平衡干涉仪臂长差优化设置方案,使光纤超声传感阵列各传感元检测下限比压电陶瓷换能器(piezoelectric transducer,PZT)低17.1%~19.7%。在此基础上,开展变压器油中局部放电检测与定位实验。实验表明:在1000mm×1000mm×1100mm的油箱内定位精度小于40mm;对于变压器油中悬浮放电模型,有源FBG的局部放电检测起始电压比PZT低22.2%,可测放电量低24.0%。结果可为变压器油中局部放电提供一种高灵敏度的检测与定位方法。

基于声聚焦结构的局部放电光纤超声传感技术

针对现有本征型光纤干涉超声传感技术中光纤环传感器声耦合效率不足的问题,该文开展局部放电光纤超声传感技术研究。首先,搭建干涉型局部放电光纤超声传感系统,实现超声信号的硬件解调;提出声聚焦结构超声传感单元,建立光纤环传感单元声压灵敏度频域模型;然后,通过仿真计算优化结构,提高声耦合效率。在20~100kHz检测频带内,基于声聚焦结构的光纤超声传感单元相较于现有的圆柱芯轴传感单元峰值灵敏度提升了16.7%,平均灵敏度提升了162.2%。在此基础上,开展变压器油中局部放电的外置式检测实验。结果表明,对于变压器油中悬浮放电模型,声聚焦结构超声传感单元检测的起始放电电压比现有圆柱芯轴传感单元低10.7%,比压电陶瓷换能器(piezoelectric transducer,PZT)低22.0%;传感信噪比相比于圆柱芯轴光纤超声传感单元和PZT分别提升5.3dB和24.5dB。基于声聚焦结构的局部放电光纤超声传感技术可有效地提升对油中微弱局部放电信号的检测灵敏度。

无需油气分离的油中溶解乙炔原位直接检测

现有变压器油色谱技术检测存在时效性差、传感元件无法内置于变压器内部、油气分离时间长等问题,该文提出一种基于光子晶体光纤的油中溶解乙炔光热光谱直接检测方法。通过在光纤表面加工尺寸仅为3μm×3μm、且深至芯区的微通道以及光传输损耗低至3.1dB的光纤熔接等方法,研制出可实现激光在油中低损耗传输的油芯光子晶体光纤。理论推导泵浦光导致的光子晶体光纤内温升分布情况,探索探测光相位与油中乙炔含量的关联关系。提出基于外差干涉的油中乙炔光热光谱传感拓扑,在干涉结构传感臂引入光纤环腔,提升了检测灵敏度。此外,提出双泵浦光波长差分降噪方法,可有效降低变压器运行现场噪声对乙炔检测结果的严重干扰。成功实现无需油气分离的油中痕量乙炔高灵敏度、高可靠性检测,检测下限达1.4μL/L。开展变压器油中放电分解乙炔高电位原位实时检测,试验结果表明,所研制的油中溶解乙炔光热光谱检测系统可大幅提高变压器诊断的时效性。

输电线路运行状态光纤感知研究与展望

电力线路是电能输送的载体,是电网的基础,对电力线路进行状态监测有利于提高电网运行可靠性。相比于光纤传感具有远距离、分布式、无源等多个优点,在电力线路监测领域发展迅速。为加快输电线路光纤状态监测技术的发展,系统评述了多种不同的光纤输电线路状态监测技术,提出了未来的研究重点及思路。首先,介绍了光纤布喇格光栅传感、光纤分布式传感、光纤干涉传感的测量原理,对比了不同光纤传感技术的优缺点和适用条件。其次,重点阐述了光纤传感器在架空输电线路与高压电缆状态监测领域的研究进展,梳理了现有研究对输电线路静态、低频及高频状态量感知的研究脉络和测量效果。再次,结合输电线路运行状态监测需求,重点分析了现有技术尚未攻克的难点问题。最后,阐述了研究的关键点和未来的研究方向,期望对输电线路的数字化转型发展提供参考。

特高压C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体GIL温度分布

气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal-enclosed transmission line,GIL)中绝缘气体热学特性会影响GIL整体绝缘性能。目前,国内外对C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合新型环保气体应用于GIL的研究刚刚起步,其热学特性尚不明确。为此对特高压C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体GIL建立了温度-流体多物理场仿真模型,通过开展现场温升试验对该模型进行了有效性验证,研究了额定电流下GIL内部温度场分布及内部气体密度场、流速场分布,以及不同通流水平下导体和铝合金外壳顶部温升关系,并对比分析了在C_(4)F_(7)N/CO_(2)与SF;两种不同气体下GIL内部温升的差异性。研究结果表明:C_(4)F_(7)N/CO_(2)气体GIL内部温度梯度整体大于SF;气体GIL,在后续环保型GIL设计中应关注这一问题;相同通流条件下C_(4)F_(7)N/CO_(2)气体GIL与SF;气体GIL温度分布差异的主要原因为SF;对流性能优于C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体;探索了C_(4)F_(7)N/CO_(2)GIL外壳顶部温升与GIL中心导体温升间的关系,GIL导–壳温升比例系数为0.482,该系数可应用于后续基于外壳温度的中心导体温度监测系统中。

基于迈克尔逊光纤干涉的变压器局部放电超声信号检测技术

传统的变压器局部放电超声检测技术主要是使用PZT传感器,但其检测灵敏度较低。相比之下,光纤超声传感器具有绝缘性能好、尺寸小等优点,有望植入变压器内部实现高灵敏度局部放电检测。近年来,研究人员在光纤超声传感领域开展大量研究,但对于本征干涉型超声传感系统中传感光纤环的设计仍缺乏理论指导。为此,该文基于迈克尔逊干涉原理搭建变压器光纤超声传感系统,并对传感光纤环的声压灵敏度进行建模仿真,通过理论分析和实验测试,提出光纤环优选方案。经对比测试,所研传感系统的检测灵敏度远高于传统的PZT传感系统。在测试频率范围内,光纤超声传感系统的平均检测灵敏度是PZT的59.2倍,光纤超声传感器系统峰值检测灵敏度则是PZT峰值灵敏度的43.5倍。此外,真型局部放电检测实验结果表明,所研制的光纤超声传感系统的局部放电检测起始电压可比传统PZT传感系统的低22.0%。

单相XLPE海底电缆中局放超声信号径向传播过程的仿真研究

现有的电力装备声场仿真中常见的频域仿真只针对传播后期能量的分布,时域仿真更关注能量在初期的传播过程。因而在仿真海底电缆中的局放超声信号时,信号在径向传播初期的复杂折反射过程更适合时域仿真。文中针对单相XLPE海底电缆建立了包含铜芯、半导电屏蔽层、绝缘层等总计11层结构的全尺寸切片模型,利用时域仿真获得局放超声信号在海底电缆多层结构中的径向传播过程,得到了放电产生的局放超声信号在多次折反射后形成的纵波与横波叠加的多频非周期信号。由于折反射的影响,能量在各层材料间逐渐向外释放,在外层光纤单元中引起的纤芯应变接近pε量级。对比了3种放电缺陷的局放超声信号在海底电缆的径向传播情况,为利用海底电缆中预埋光纤传感器检测局放超声信号提供了理论指导。

基于光纤布喇格光栅的配电变压器分布式温度监测方法

配电变压器在运行过程中由于动态增容需要、配电网三相不平衡的影响、变压器结构设计优化需要等因素,绕组会出现温升热点,加速绝缘老化,降低变压器使用寿命;而配电变压器绕组热点温度监测对于确保其安全稳定运行具有重要意义。为实现对配电变压器绕组温度准确监测,提出一种基于光纤布喇格光栅的配电变压器分布式温度监测方法,首先介绍了光纤布喇格光栅测温原理;其次基于COMSOL有限元仿真软件对10 kV配电变压器温度场分布进行仿真计算,得到绕组温升热点位置,并据此设计出光纤光栅温度传感器布置方案;最后通过改进制造工艺,研制出基于光纤布喇格光栅的分布式温度监测配电变压器样机,并进行了额定负载条件下的温升试验。试验结果表明,绕组热点分布与仿真结果相符。

用于外置式暂态电压传感器标定的纳秒级上升沿阶跃波发生器研究

为掌握VFTO外部传感器高频检测性能,需要开展传感器标定研究。现有VFTO传感器高频标定源多采用气体开关或薄膜开关设计,存在体积大、消耗气体或绝缘薄膜、寿命短等问题。为解决上述问题,设计了适用于VFTO外部传感器标定的高压阶跃波发生器及回路。基于MOSFET固体开关,提出了高压阶跃波发生电路,分析了高压阶跃波模块电路板布局对输出阶跃波波形和上升时间的影响。通过波过程计算对输出电压波在标定回路上的传输进行了分析,开展了仿真模拟和实验测量研究,探究并验证了高压阶跃波发生器输出波形的影响因素,明确了阶跃波发生器的关键参数。成功研制出上升时间4.8 ns,平顶持续电压平均值最大为5 kV的高压阶跃波发生器及标定回路,满足外置式暂态电压传感器高频响应特性标定需求。