(司文荣 高压电器) 局部放电光测法的研究现状与发展

!""# 年 $ 月
第 %% 卷
ຫໍສະໝຸດ Baidu
第&期
. !$&
和脉冲序列见图 !&5"%
5 ! 5"" C.
,, 光测法 5, 图#
5 ! 5"" C.
+, 脉冲电流法 !,
5(" 5"" ! =>; (" " <("
’"$ 负极性 # #; ’$ $ 正极性 # #; 直流下空气中放电脉冲的单个波形
"
(
图 5"
5" " =!.
5(
!"
放电光辐射脉冲图
一样 !只是使用荧光光纤作为探头代替普通光纤 " 荧 光光纤由于不受数值孔径的影响 ! 整段都可以接受 局部放电光 ! 因此安装较方便 ! 只需布置在所关注且 较多出现局部放电的位置 " 荧光光纤是在纤芯和包层中掺入了荧光物质和 某些稀有元素构成的 " 荧光物质可以吸收特定波长 范围内的光 ! 使自身被激发 ! 随之向各个方向发射荧 光 ! 其中辐射方向满足纤芯 ’ 包层界面全反射条件 的荧光光纤将沿着光纤轴向传输 # 图 ( $% 在光纤传 感器中使用荧光效应 !必须保证光源 &荧光材料和探 测器系统的光谱特性相互匹配 " 而荧光物质接受一 定波长的光后 ! 受激辐射出的光波长峰值与辐射峰 值不同 ! 会发生 )*+,-. 频移 / # 0 ! 因此在后续选择光电 转换元件时要考虑这一特性 ! 否则会降低检测灵敏 度以及光脉冲的幅值 " 文 /!!# !!%0 分 别 使 用 了 图 1 所 示 的 荧 光 光 纤 传感器 " 图 1 ’2$ 为单根荧光光纤传感器由联结器将 普通光纤与荧光光纤相连 ! 荧光光纤长度可以由实 际工矿决定 " 荧光光纤越长 !接受光的面积越大 !受 激产生的荧光分子越多 ( 但长度如果太长 ! 会增加传 输损耗 !故须选取最佳的光纤长度 % 该种传感器优点 是结构简单 &体积小 &使用灵活 (缺点是效率低 &输出 信号弱 % 图 1’3$由多个单根荧光光纤传感器组成 !形 状和长度同样由实际工矿决定 % 该种传感器提高了效 率!输出信号变强 % 图 1’4$是用荧光闪烁板与荧光光 纤组成复合结构的光线传感器 % 荧光闪烁板是一块掺 杂了对微弱光线十分敏感的稀土元素的荧光闪烁体 板% 入射到荧光闪烁体板的光子激发荧光分子发光 ! 然后这些泵浦光又激发荧光光纤中的荧光分子发光 % 显然 !这种结构的传感器效率 最高 & 灵敏度 最高 ! 但 使用时受限于被测高压设备的结构 % 文 /!0 获 取 的 局 部 放 电 光 脉 冲 检 测 的 单 个 波 形
>?;’$-7’@ M19A N:N68 2G739;6A 716 :NN390:792; A7:7GA 24 2N790:3 O6760792; L6712O 9; O944686;7 86A6:801 4963OA 24 N:879:3 O9A01:8<6% 9;03GO9;< KP 2N790:3 AN6078GL :;:3BA9A% KP 39<17 NG3A6 O6760792;% KP 320:792;% O6<8:O:792; L601:;9AL 24 63607890:3 9;AG3:792;% :;O KP 6360782L:<;6790 Q:@6 N82N:<:792; 01:8:07689A790A% 670R S:892GA 76A7 L6712OA :;O 86AG37A :86 :3A2 N86A6;76OR I7 3:A7% 716 N86A6;7 N82T36LA :;O O6@632N9;< 786;O 24 716 KP 2N790:3 O6760792; 428 19<1 @237:<6 63607890:3 6UG9NL6;7 :86 O9A0GAA6OR A0B C,$.;@ N:879:3 O9A01:8<6 #KP (" 2N790:3 O6760792; " 19<1 @237:<6 63607890:3 6UG9NL6;7
+
引言
局部放电的测量是以局部放电所产生的各种现 象为依据 % 通过能表述该现象的物理量来表征局部 放电的状态 & 局部放电的过程除了伴随着电荷的转 移和电能的损耗之外 % 还会产生电磁辐射 ’ 超声波 ’ 发光 ’ 发热以及出现新的生成物等 & 因此与这些现象 相对应 % 局部放电的检测方法可分为电气测量法和 非电测量法两大类 & 非电测量法主要包括超声波检 测法 ’ 光测法 ’ 红外检测法 ’化学检测法等 & 这些方法 的优点是测量中不受电气的干扰 %抗干扰能力强 & 光测法是通过检测局部放电产生的光辐射作为 测量依据的 & 通过局放光脉冲本身 , - . # 见图 - ( 或光 电转换后 , ! . ) 见图 ! (% 可以进行局部放电光谱分析 ’ 局放光脉冲检测 # 单个和序列 (’ 局放定位 ’电气绝缘 老化机理以及局放电磁波传播特性等各种研究 % 从 而以不同角度深入对局部放电机理的理解 & 笔者综述了国内外针对局部放电进行光测法研 究的各种试验方法和试验结果 %提出了高压电器设备 局部放电光测法研究目前存在的问题和发展方向 &
光物质对微弱光线较敏感 ! 可以接受来自各个放电 的入射光 ! 不受普通光纤数值孔径范围的限制 " 文
9?’$%8: 阐述了使用荧光光纤检测局部放电光脉冲
文 9A!C: 通 过 光 测 法 与 脉 冲 电 流 法 的 比 较 得 出 了放电光脉冲幅值与放电量 # 放电能量以及放电次 数 的 关 系 " 文 9;: 还 比 较 了 两 种 方 法 获 取 的 放 电 波 形 ! 见图 ’" %$% 荧光光纤检测 使用荧光光纤检测放电光脉冲与普通光纤方法
放电位置 幅值信息 通道信息
?=@
""55"55" 5555""55 ""55"55" """""""" """""""" """""""" """"""""
!""# 年 $ 月
第 %% 卷
第&期
+ + !$-
局部放电光测法的研究现状与发展
司文荣 % 李军浩 % 袁 鹏% 李延沐 % 李彦明
# 西安交通大学电气工程学院 % 陕西 西安 ’-++%) ( 摘要 ! 笔者概述了光测法在局部放电各种研究领域中的应用现状 %包括局部放电光谱分析 ’局部放电光脉冲检测 ’局部放电定位 ’ 绝缘老化机理 ’局部放电电磁波传播特性的试验方法以及试验结果 %最后提出了高压电器设备局部放电光测法研究目前存在的问 题及发展方向 & 关键词 ! 局部放电 " 光测法 " 高压电器 中图分类号 ! MV#&(R% 文献标志码 ! I 文章编号 !*++* － *$+) #!++# (+& － +!$* － +%
#
三座 ! 标控 制电 机 " 电机 石英 玻璃 光谱分析仪 光纤 光纤定位系统
数值孔径 普通光纤 入射光 数值孔径 透出光 图; 荧光光纤 透出光 荧光物质
普通光纤和荧光光纤工作原理示意图
绝缘柱 高压电极 高压端 容器
低压电极 绝缘电木 图8
局部放电光测量与光谱分析系统
? A&&
8 ;&& 8 &&& % ;&& % &&& ? ;&& ? &&& ;&& & ?& %&
#:( 空气中放电
#T ( 电机线棒表面放电 图 * 局放光脉冲本身图
#0( 照片
%++ &++ " WLS !++ -++
+ X-++ +
图!
*++
!++ ! W;A
&++
%++
正电晕放电光辐射电压波形
-
局部放电光谱的研究
局部放电光谱分析是最基础的研究 % 是进行局 部放电光脉冲检测 ’局放定位 ’ 局放传播机理等研究 的前提& 根据局放脉冲光谱图 #光波长的分布 (才能选 取对应的光电转换系统 %从而以相对较大的检测灵敏 度和高效率实现从非电量测量到电气测量的转变 &
为了克服普通光纤因数值孔径引起的固有缺 陷 ! 文 9A!C: 中使用 ;& 根直径 8@@ 的石英光纤组成 大截面光纤束 ! 并把单根光纤端部加工成半球型 ! 这 样大大扩大了光纤探头的接受角度 "在上述基础上 ! 实验研究了透明介质内部放电 # 针对板表面放电与 针对半球的电晕放电得出了放电产生的光脉冲信号 在变压器油中传播衰减特性9 ;: !见图 C "
?$% % G!$ "$ &$’ &$6 &
图C
? % 8 6
(( 内部放电 ! 空气介质 ?( (( 内部放电 ! 油介质 %( (( 表面放电 ! 空气介质 8( (( 电晕放电 ! 空气介质 6(
?&& %&& 8&& 6&& ;&& A&& $ G@@
不同放电源光脉冲信号的衰减特性
! 与普通光纤一样 ! 作为局放光脉冲探测元件和传 输通道有强电磁干扰性能 ’ " 可选择荧光光纤中荧 光物质吸收光谱范围与局部放电光谱相重叠 ’ # 荧
联接器 ’2 $ 荧光光纤 普通光纤
&
&65
其他领域的研究
局部放电定位研究 局部放电定位研究是建立在光脉冲检测的基础 上 % 文 /5(0 使用光纤列阵成功对小范围内的固体绝 缘表面进行数字定位 ! 原理见图 55% 由于普通光纤 的数值孔径 ! 正对局放源的光纤获取最多的有效入 射光 ! 光脉冲幅值最大 ( 临近的光纤获取较小的有效 入射光 ! 光脉冲幅值较弱 ( 而其它光纤没有获取有效 入射光 ! 光脉冲幅值为零 %
!"#$%&’ ()’"*’+,& -&. /0102,34%&’ ,5 63’+7-2 80’07’+,& 9,$ :-$’+-2 /+;7<-$=0
/D E6;－82;< % FD >G;－1:2% H?IJ K6;< % FD H:;－LG% FD H:;－L9;<
#/01223 24 53607890:3 5;<9;6689;< % =9 *:; >9:272;< ?;9@68A97B % = *:; ’-++%) % C19;: (
收稿日期 !!""’ － "( － ")"
修回日期 !!""’－*!－!#
作者简介 ! 司文荣 #*)#*! $% 男 % 博士研究生 % 从事局部放电检测技术的研究 &
) ) %A%
!"#$ %&&’
()*+ ,-./0*1 233040/"5
,-.$66 7-$8
入射光
文 98: 利 用 图 8 所 示 的 系 统 研 究 了 油 中 局 部 放 电脉冲的光谱特性 ! 得出放电光谱分布依赖于电极 间的电压和距离 " 在油绝缘的非均匀场中 ! 局部放电 的光谱分布一般在 88&!’;& <=" 图 6 为 9 8: 在 %& >,# ?& @@ 电极间距的条件下 ! 放电光谱在波长 A&&" B&& <@ 内有较大的强度 "
距离 G@@
波长 G@@
? %&& ’&&
的一些成果 !文9%!’: 在此领域也做了很多研究 " %$? 普通光纤检测 在实验室利用普通光纤作为探头进行局部放电 光脉冲检测的方法见图 A" 一般将常规的脉冲电流法 与此方法相结合 !以便进行比较和脉冲鉴别 "文9;%C: 都使用了图 A 所示的系统 " 图中的光电转换与信号 处理系统一般有两种方案 &! 光电转换元件 $DE7 光 电二极管 #雪崩光电二级管等 %! 放大与滤波电路 ! 信 号处理单元 ’" 光电倍增管 !信号处理单元 " 光电倍 增管效率和灵敏度高 ! 但价格昂贵 "
电源 普通光纤 光电转换与 信号处理系统
6&& F?&
图6
8&
6&
& ;& 相对强度
2HJH , I
示波器
DH
%& >, #?& @@ 极间距下沿面局放光谱分布
图A
%
局部放电光脉冲检测研究
在局部放电光谱分析的基础上 ! 得到相应工况
局部放电光脉冲检测系统示意图
下局部放电光波长的分布 ! 即可选择光电转换元件 $ 把光强信号转成模拟电压信号 %" 光纤由于其特殊 性能 9 6 : ! 非常适 合用于高压 电器设备在 线监测中信 号检测 #传输 " 因此 ! 文 9;#B: 均选用光纤 $ 普通光纤 或荧光光纤 % 作为局部放电光脉冲检测的探测元件 " 图 ; 所示的是普通光纤与荧光光纤工作原理示 意图 " 普通光纤由于受其本身数值孔径的限制 !光纤 程中由于高压电器设备结构的复杂性 $ 如电力变压 器 %!放电点与光纤探头之间有障碍物的情况下就无 法检测到放电光脉冲 " 因此 ! 普通光纤被有关科研人 员用于局部放电光脉冲检测实验室研究9 A ! C : " 荧光光纤可用于光脉冲检测的主要原因是& 探头需要对准光源 $文中是局部放电点 %" 在实际工