基于荧光光纤检测变压器油中局部放电特性研究

1、报 告 人：刘永刚指导老师：唐炬教授基于荧光光纤检测变压器油中局基于荧光光纤检测变压器油中局部放电特性研究部放电特性研究 324课题研究的目的与内容课题研究的目的与内容技术路线及技术路线及可行性分析可行性分析局部放电光测法的现状局部放电光测法的现状 1变压器局部放电在线监测的变压器局部放电在线监测的意义及方法意义及方法一、变压器局部放电在线监测的意义及方法一、变压器局部放电在线监测的意义及方法电力变压器是电力系统中电力变压器是电力系统中的重要枢纽设备，电力变的重要枢纽设备，电力变压器故障给人们的生产和压器故障给人们的生产和生活所带来的影响也越来生活所带来的影响也越来越大越大 大量资料表明，导致

2、电力大量资料表明，导致电力变压器失效的主要原因是变压器失效的主要原因是其绝缘性能的劣化。其绝缘性能的劣化。1.11.1局部放电在线监测的意义局部放电在线监测的意义Figure 1 局部放电导致的变压器火灾事故发现变压器内部绝缘存在的潜伏性缺陷，判断变压器内部绝缘劣发现变压器内部绝缘存在的潜伏性缺陷，判断变压器内部绝缘劣化的程度，避免变压器发生突发性绝缘故障，这对保证电力变压化的程度，避免变压器发生突发性绝缘故障，这对保证电力变压器安全运行具有十分重要的意义器安全运行具有十分重要的意义 1.21.2局部放电的检测方法局部放电的检测方法局部放电检测是以发生局部放电时产生的光、电、声、磁、热等现象为

3、依局部放电检测是以发生局部放电时产生的光、电、声、磁、热等现象为依据，通过能描述该现象的物理量来表征局部放电的状态。据，通过能描述该现象的物理量来表征局部放电的状态。检测方法检测方法超声波检测法光测法化学检测法红外检测法非电测法非电测法脉冲电流法射频检测法超高频法电测法电测法光测法是通过检测局部放电伴随的光辐射作为测量依据的。比如在变压器光测法是通过检测局部放电伴随的光辐射作为测量依据的。比如在变压器油中，各种放电发出的光波长是不同的，研究表明局部放电的光波长大约油中，各种放电发出的光波长是不同的，研究表明局部放电的光波长大约在在300-800nm300-800nm范围内。通过光纤把局部放电的

4、光引导到光电探测器，经过范围内。通过光纤把局部放电的光引导到光电探测器，经过光电转化后，通过检测光电流的特性可以实现局部放电特性的识别。光电转化后，通过检测光电流的特性可以实现局部放电特性的识别。1绝缘性能好绝缘性能好2不受电磁场的不受电磁场的干扰干扰3灵敏度高，可灵敏度高，可以检测冲击电以检测冲击电压下的局部放压下的局部放电电1.31.3光测法的原理及优点光测法的原理及优点二、局部放电光测法的现状二、局部放电光测法的现状局部放电的光测法最早的研究一般认为是1989年日本的KATSUOSHI MUTO和1991法国 R.Mangeret 、J.Farenc等人，发表文章阐述了他们在这一领域的成

5、果。在国内,主要是重庆大学、西安交通大学、清华大学等高校国外，美国、法国、日本、加拿大、奥地利等国家的众多学者对局部放电的光测法进行了深入的研究二、局部放电光测法的现状二、局部放电光测法的现状2.12.1局部放电光测法国外现状局部放电光测法国外现状19891989日本KATSUOSHI MUTO 运用荧光光纤检测局部放电发出的光信号，该荧光光纤是用掺钐（Sm3+）的 Na2O-CaO-5SiO2玻璃制成。19911991法国的A.Beroul F.Bure在GIS高压断路器装置针板电极，运用了两种传感器，一路检测高压断路器内部的击穿，一路检测高压断路器外部的闪络。19941994法国的 R.M

6、angeret 等人研究了六种不同掺杂荧光光纤的衰减特性以及吸收和发出光谱的特征，然后检测在SF6 辉光放电下的各种光纤的灵敏度。光强随光源到光纤的距离衰减特性：荧光光纤基本没有改变，而普通光纤与距离的平方成反比。光测法较之传统的检测方法：有效、经济且易于实现。光纤的平均衰减值是600dB/km2.12.1局部放电光测法国外现状局部放电光测法国外现状19961996加拿大S.S.Bamji、A.T.Bulinski等人在按比例缩小的GIS装置中比较光测法和传统的脉冲电流法在交流，直流，和冲击电压下的特性。光测法可以检测到冲击电压下的局部放电而对于脉冲电流法却很困难20052005奥地利R.Sc

7、hwarz、M.Muhr、等人运用了两种传感系统检测变压器油中针板电极局部放电试 验 研 究 。光脉冲的幅值与局部放电量是成正一致关系的 。2.12.1局部放电光测法国内现状局部放电光测法国内现状清华大学魏念清华大学魏念荣等人运用光荣等人运用光测法做了针板测法做了针板电极局部放电电极局部放电试验。试验。试验电压较低时试验电压较低时只有正半周有少只有正半周有少量放电。量放电。当试验电压较当试验电压较高时，放电的高时，放电的光脉冲呈现周光脉冲呈现周期性，周期为期性，周期为20ms。西安交通大学针西安交通大学针对防爆电机局部对防爆电机局部放电的要求，建放电的要求，建立了一套放电光立了一套放电光脉冲测

8、量系统脉冲测量系统。尝试通过研究放电过程中尝试通过研究放电过程中所产生光脉冲信号的强弱所产生光脉冲信号的强弱变化规律与脉冲电流法测变化规律与脉冲电流法测量结果的对比等来反映绝量结果的对比等来反映绝缘劣化的状况。缘劣化的状况。2.1局部放电光测法国内现状清华大学王灿清华大学王灿林等人运用光林等人运用光测法对绝缘子测法对绝缘子的电晕放电进的电晕放电进行了研究。行了研究。对电晕放电光对电晕放电光脉冲和电流脉脉冲和电流脉冲相关性进行冲相关性进行了分析，得到了分析，得到它们一致相关它们一致相关的结论的结论重庆大学的杜林重庆大学的杜林教授等人也利用教授等人也利用光测法对空气和光测法对空气和油中电晕放电进油

9、中电晕放电进行了研究行了研究分析了光脉冲分析了光脉冲频率和电极两频率和电极两端电压的关系。端电压的关系。三、三、课题研究的目的与内容课题研究的目的与内容 3.23.2课题研究的目的课题研究的目的 通过对检测到的不同绝缘缺陷下光信号的特性分通过对检测到的不同绝缘缺陷下光信号的特性分析，找出反映不同放电类型的光信号特征量，并用析，找出反映不同放电类型的光信号特征量，并用于诊断变压器油中局部放电的类型于诊断变压器油中局部放电的类型 3.13.1课题研究的内容课题研究的内容1 变压器油中局部放电产生的光信号衰减特性的研究，变压器油中局部放电产生的光信号衰减特性的研究， 分析荧光光纤长度对检测的光信号的

10、影响分析荧光光纤长度对检测的光信号的影响 ；2 变压器油中不同缺陷下局部放电的光信号特性研究变压器油中不同缺陷下局部放电的光信号特性研究 3 提取反映不同类型局部放电的光信号特征量，并对不提取反映不同类型局部放电的光信号特征量，并对不同类型局部放电进行诊断同类型局部放电进行诊断 本课题的本课题的研究内容：研究内容：四、技术路线及可行性分析四、技术路线及可行性分析4.14.1技术路线技术路线将荧光光纤探头伸入变压器油中，接收局部放电产生的光信号；然将荧光光纤探头伸入变压器油中，接收局部放电产生的光信号；然后通过普通光纤把光信号传输到光电倍增管进行光电转换，得到放后通过普通光纤把光信号传输到光电倍

11、增管进行光电转换，得到放电光信号；通过对检测到的光信号的特性分析可以实现局部放电的电光信号；通过对检测到的光信号的特性分析可以实现局部放电的识别识别光纤的基本结构是两层圆柱状媒质光纤的基本结构是两层圆柱状媒质，内层为纤芯，外层为包层；纤芯，内层为纤芯，外层为包层；纤芯的折射率的折射率n n1 1比包层的折射率比包层的折射率n n2 2稍大。稍大。，光纤是光导纤维的简称。它是工作在光纤是光导纤维的简称。它是工作在光波波段的一种介质波导，通常是圆光波波段的一种介质波导，通常是圆柱形。它把光以电磁波能量，利用全柱形。它把光以电磁波能量，利用全反射的原理约束在其界面内，并引导反射的原理约束在其界面内，

12、并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光波沿着光纤轴线的方向前进。4.1技术路线技术路线4.1.14.1.1光纤传输光的原理光纤传输光的原理Figure 3 Figure 3 普通光纤的传光原理普通光纤的传光原理受数值孔径受数值孔径（NANA）的限制）的限制普通光纤光谱不匹配光谱不匹配 荧光光纤u可以接受任何可以接受任何入射方向的光线入射方向的光线. .u与局部放电光与局部放电光谱相匹配谱相匹配4.1.1 4.1.1 光纤传输光的原理光纤传输光的原理4.1 技术路线技术路线研究表明：在变压器油中，其局部放电光谱在研究表明：在变压器油中，其局部放电光谱在300-800nm300-800nm。Figu

13、re 5 Figure 5 实验室空气实验室空气中针板局部放电光谱波长中针板局部放电光谱波长在在300-450nm300-450nmFigure 6 Figure 6 BCF-92BCF-92型荧光光型荧光光纤的吸收光谱和发射光谱纤的吸收光谱和发射光谱4.1.2 4.1.2 荧光光纤的选择荧光光纤的选择4.1 技术路线技术路线4.1 技术路线技术路线4.1.2 4.1.2 荧光光纤的选择荧光光纤的选择规格名称具体参数激发光谱/nm300500发射光谱/nm492577荧光量子产率0.7直径/mm1.0长度/m0.5工作温度/-40+70荧光光纤具体参数4.1 技术路线技术路线4.1.2 4.1

14、.2 光电倍增管的选择光电倍增管的选择光电倍增管具体参数光电倍增管具体参数光阴极直径光阴极直径8mm 光谱响应范围光谱响应范围300nm880nm峰值灵敏度波长峰值灵敏度波长500nm阳极光谱灵敏度阳极光谱灵敏度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 技术路线技术路线4.1.3 4.1.3 变压器油中缺陷模型变压器油中缺陷模型针板放电缺陷模型针板放电缺陷模型油楔放电缺陷模型油楔放电缺陷模型4.1 技术路线技术路线4.1.3 4.1.3 变压器油中缺陷模型变压器油中缺陷模型悬浮放电缺陷模型悬浮放电缺陷模型沿面放电缺陷模型沿面放电缺陷模型4.1 技术路线技术路线4.1.3 4.1.3 搭建的试验平台搭建的试验平台局部放电光脉