一种变压器套管多阵元光纤微水与超声局放联合检测系统

1.本发明涉及变压器检测技术领域，具体涉及一种变压器套管多阵元光纤微水与超声局放联合检测系统。


背景技术：

2.高压套管作为超特高压变压器出线装置重要组件，在超特高压变压器安全运行中具有重要作用。高压套管电容芯子具有轴向绝缘长、径向绝缘厚、内置铝箔极数多的特点，其绝缘状态在线监测一直是行业难点问题。目前高压套管的绝缘监测，在实际运行维护过程中大多依据离线的预防性实验，尤其对于更高电压等级套管的运维缺乏实时数据的监测，导致高电压等级套管运行状态及绝缘劣化程度处于未知状态，运维策略缺乏在线监测数据支撑。
3.现有的套管内部微水状态监测主要依赖离线的油样测试。对于变压器套管内微水的检测多采用对变压器油采样，在实验室使用色谱分析法、卡尔
·
费休试剂法或者库伦法对采样样品进行检测，这些方法检测精度高，检测下限可以达到百万分之一，但是其不具备对变压器套管进行实时监控的能力。
4.现有变压器套管内部放电状态的监测，大都依赖离线的油色谱监测。在线的套管末屏电流监测，改变了末屏直接接地的结构，并且容易受电磁干扰。套管内部放电状态的在线监测并不成熟。
5.当前一些对变压器套管进行在线监测的技术获得了发展，特别是基于光纤传感的在线监测技术。如申请号为202210883056.0的发明专利申请公开了一种变压器套管局部放电光纤超声传感器及振动噪声抑制系统，该系统包括设置于变压器套管升高座上的变压器套管局部放电光纤超声传感器、变压器套管振动噪声测量装置和振动补偿信号转化与输出装置；所述变压器套管振动噪声测量装置连接所述振动补偿信号转化与输出装置，所述振动补偿信号转化与输出装置连接于所述变压器套管局部放电光纤超声传感器的所述补偿信号发生层。该发明提供的变压器套管局部放电光纤超声传感器及振动噪声抑制系统，引起反向振动，抵消了振动噪声，使变压器套管局部放电光纤超声传感器采集局部超声信号不受噪声信号混叠，提高了信噪比，降低了超声检测下限。上述现有技术可以基于光纤传感技术实现对变压器套管故障的在线监测，但是受限于激光器出光波长的限制，只能针对其中的一种故障信号进行监测，无法同时对局放和微水同时进行监测。


技术实现要素：

6.为解决以上技术问题中的至少一个，本发明提供了一种变压器套管多阵元光纤微水与超声局放联合检测系统及检测方法，其可以对110kv以上的高电压变压器的套管进行微水以及局放在线检测。
7.本发明的第一方面提供一种变压器套管多阵元光纤微水与超声局放联合检测系统，包括：
8.可调激光源，其被配置为根据设置发出不同波长的激光信号；
9.分光器，其被配置为将所述可调激光源发出的一路激光信号分为n路激光信号，n≥2；
10.光纤微水传感器，其设置于变压器套管内，被配置为接收所述分光器输出的激光信号以检测变压器套管内绝缘油中微水含量；
11.光纤局部放电超声传感器，其设置于变压器套管内绝缘电容芯子沿面上，被配置为接收所述分光器输出的激光信号以检测变压器套管内绝缘电容芯子沿面放电情况。
12.优选的是，所述光纤微水传感器设置有至少两个，其设置于变压器套管内壁与绝缘电容芯子沿面之间。
13.上述任一方案优选的是，所述光纤微水传感器关于变压器套管轴线均匀分布。
14.上述任一方案优选的是，所述光纤局部放电超声传感器设置有至少两个，其设置在变压器套管内绝缘电容芯子沿面上。
15.上述任一方案优选的是，所述光纤局部放电超声传感器在变压器套管内绝缘电容芯子沿面上阵列式分布。
16.上述任一方案优选的是，所述系统还包括光纤馈通器，其设置于变压器套管的法兰盘位置处，被配置为将所述分光器分出的激光信号由变压器套管外传输至变压器套管内，和/或，将所述光纤微水传感器的反射光信号和/或所述光纤局部放电超声传感器的反射光信号由变压器套管内传输至变压器套管外。
17.上述任一方案优选的是，所述变压器套管内设置有若干条光纤，每条光纤的一端与所述光纤馈通器的一个通道连接，另一端与一个光纤微水传感器或一个光纤局部放电超声传感器连接。
18.上述任一方案优选的是，所述若干条光纤螺旋式设置于变压器套管的内壁上。
19.上述任一方案优选的是，所述系统还包括耦合器，所述耦合器的输入端通过所述馈通器与所述光纤微水传感器以及所述光纤局部放电超声传感器连接。
20.上述任一方案优选的是，所述系统还包括光电探测器，所述光电探测器的输入端与所述耦合器的输出端连接，用于将所述光纤微水传感器的反射光信号和/或所述光纤局部放电超声传感器的反射光信号转换为电信号并放大至可采集的范围。
21.上述任一方案优选的是，所述可调激光源、所述分光器、所述光纤馈通器、所述光纤微水传感器和所述光纤局部放电超声传感器、所述耦合器、所述光电探测器之间通过光纤顺次连接。
22.上述任一方案优选的是，所述系统还包括采集卡，所述采集卡的输入端与所述光电探测器的输出端连接，用于将所述光电探测器放大的电信号进行采集。
23.上述任一方案优选的是，所述系统还包括处理器，所述处理器与所述采集卡的输出端连接，用于接收所述采集卡采集的电信号，并对所述电信号进行处理，以获得检测结果。
24.上述任一方案优选的是，所述处理器还用于设置所述可调激光源发出的激光信号的波长。
25.本发明的第二方面提供一种变压器套管多阵元光纤微水与超声局放联合检测方法，通过所述变压器套管多阵元光纤微水与超声局放联合检测系统实现，包括：
26.步骤1：设置工作模式；
27.步骤2：根据设置的工作模式，可调激光源发出相应波长范围内的激光信号，驱动光纤微水传感器和光纤局部放电超声传感器中的至少一种工作；
28.步骤3：对光纤微水传感器和/或光纤局部放电超声传感器反馈的信号进行处理，得到检测结果。
29.优选的是，所述工作模式包括全检测模式、微水检测模式、局放检测模式和特定通道检测模式；全检测模式下，同时对变压器套管内绝缘油的微水和变压器套管内绝缘电容芯子沿面放电进行检测；微水检测模式下，仅对变压器套管内绝缘油的微水进行检测；局放检测模式下，仅对变压器套管内绝缘电容芯子沿面放电进行检测；特定通道检测模式下，仅相应通道的光纤微水传感器和/或光纤局部放电超声传感器进行工作，对变压器套管内绝缘油的微水和/或变压器套管内绝缘电容芯子沿面放电进行检测。
30.上述任一方案优选的是，全检测模式下，所述可调激光源发出的激光信号的波长范围为可以使所述光纤微水传感器和所述光纤局部放电超声传感器同时工作的波长范围。
31.上述任一方案优选的是，微水检测模式下，所述可调激光源发出的激光信号的波长范围为仅可以使所述光纤微水传感器工作的波长范围。
32.上述任一方案优选的是，局放检测模式下，所述可调激光源发出的激光信号的波长范围为仅可以使所述光纤局部放电超声传感器工作的波长范围。
33.上述任一方案优选的是，特定通道检测模式下，所述可调激光源发出的激光信号的波长范围为可以使相应通道的光纤微水传感器和/或光纤局部放电超声传感器工作的波长范围。
34.上述任一方案优选的是，步骤3中，对反馈的信号进行处理包括：对每个光纤微水传感器和/或每个光纤局部放电超声传感器反馈的信号进行单独处理，进而得到检测结果。
35.上述任一方案优选的是，步骤3中，对反馈的信号进行处理包括：对光纤微水传感器反馈的信号进行差分处理。
36.上述任一方案优选的是，步骤3中，对反馈的信号进行处理包括：对光纤局部放电超声传感器反馈的信号进行差分处理。
37.本发明的变压器套管多阵元光纤微水与超声局放联合检测系统及相应的检测方法具有以下有益效果：
38.1、可以通过设置工作模式，实现对110kv以上的高电压变压器的套管进行微水和/或局放中的至少一种的在线检测；同时还可以实现特定通道的在线检测；
39.2、设置有阵列式分布的光纤微水传感器和光纤局部放电超声传感器，可以实现对变压器套管内多个点位的微水和/或局放检测；
40.3、有利于提高变压器套管运维水平，保障变压器套管安全稳定运行。
附图说明
41.图1为按照本发明的变压器套管多阵元光纤微水与超声局放联合检测系统的一优选实施例的结构示意图。
42.图2为按照本发明的变压器套管多阵元光纤微水与超声局放联合检测系统的如图1所示实施例的传感器安装示意图。
43.图3为按照本发明的变压器套管多阵元光纤微水与超声局放联合检测系统的如图1所示实施例的光纤馈通器安装示意图。
44.图4为按照本发明的变压器套管多阵元光纤微水与超声局放联合检测系统的另一实施例的光纤馈通器安装示意图。
45.图5为按照本发明的变压器套管多阵元光纤微水与超声局放联合检测系统的如图4所示实施例的传感器安装示意图。
46.图6为按照本发明的变压器套管多阵元光纤微水与超声局放联合检测方法的一优选实施例的工作流程示意图。
具体实施方式
47.为了更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明作详细说明。
48.实施例1
49.如图1至图3所示，一种变压器套管多阵元光纤微水与超声局放联合检测系统，包括：
50.可调激光源10，其被配置为根据设置发出不同波长的激光信号；
51.分光器11，其被配置为将所述可调激光源10发出的一路激光信号分为n路激光信号，n≥2；
52.光纤微水传感器13，其设置于变压器套管内，被配置为接收所述分光器11输出的激光信号以检测变压器套管内绝缘油21中微水含量；
53.光纤局部放电超声传感器14，其设置于变压器套管内绝缘电容芯子20沿面上，被配置为接收所述分光器11输出的激光信号以检测变压器套管内绝缘电容芯子20沿面放电情况。
54.所述光纤微水传感器13设置有n1个，n1取值至少为2，其设置于变压器套管内壁与绝缘电容芯子20沿面之间。所述光纤局部放电超声传感器14设置有n2个，n2取值至少为2，其设置在变压器套管内绝缘电容芯子20沿面上。
55.在本实施例中优选的是，如图2所示，所述光纤微水传感器13设置有4个，分别为第一光纤微水传感器131、第二光纤微水传感器132、第三光纤微水传感器133和第四光纤微水传感器134(附图2中未示出)，4个光纤微水传感器设置于变压器套管的尾部、变压器套管内壁与绝缘电容芯子20沿面之间，且4个光纤微水传感器关于变压器套管轴线均匀分布，用于检测变压器套管尾部位置处的绝缘油21中的沉积水情况。
56.在本实施例中优选的是，如图2所示，所述光纤局部放电超声传感器14设置有9个(图2中示出了第一光纤局部放电超声传感器141、第二光纤局部放电超声传感器142、第三光纤局部放电超声传感器143、第四光纤局部放电超声传感器144、第五光纤局部放电超声传感器145和第六光纤局部放电超声传感器146)，9个光纤局部放电超声传感器在变压器套管内绝缘电容芯子20沿面上阵列式分布，在本实施例中，每3个光纤局部放电超声传感器为一组，其围绕绝缘电容芯子20的一个横截面均匀设置。在其他实施例中，所述光纤局部放电超声传感器14还可以根据需要进行其他方式的设置，如设置于局部放电易发生的位置。
57.在本实施例中优选的是，所述系统还包括光纤馈通器12，如图2和图3所示，所述光纤馈通器12设置于变压器套管的法兰22上，其贯通变压器套管内外，被配置为将所述分光
器11分出的激光信号由变压器套管外传输至变压器套管内，和/或，将所述光纤微水传感器13的反射光信号和/或所述光纤局部放电超声传感器14的反射光信号由变压器套管内传输至变压器套管外。所述变压器套管内壁上螺旋式设置有若干条光纤，螺旋式设置的每条光纤的一端与所述光纤馈通器12的一个通道连接，另一端与一个光纤微水传感器13或一个光纤局部放电超声传感器14连接。所述光纤馈通器12设置有两个，其在变压器套管的法兰22上对称设置。每个光线馈通器12设置有多个通道，可以与多条变压器套管内的光纤的一端连接。
58.需要说明的是，变压器套管内的螺旋式设置的光纤以及光纤微水传感器13、光纤局部放电超声传感器14需要预埋设置，其中变压器套管内的光纤采用螺旋式设置方式可以有效避免光纤弯折，保证光纤的可靠性。所述分光器11可以根据设置将可调激光源10发出的一路激光信号分成2路、4路、8路、16路、32路或者64路激光信号。以前述传感器设置方式为例进行说明，设置分光器11将一路激光信号分成16路激光信号，选择其中的13路激光信号通过所述光纤馈通器12与变压器套管内预埋的光纤连接，应当理解，所述光纤馈通器12应当总共至少具有13个通道，变压器套管内应当预埋有13条光纤，每条预埋的光纤将光纤馈通器12的一个通道与一个光纤微水传感器或者一个光纤局部放电超声传感器连接。应当理解，分光器分出的激光信号的路数n应当大于n1和n2之和，光纤馈通器12的路数也应当大于n1和n2之和。
59.在本实施例中优选的是，所述系统还包括耦合器15，所述耦合器15的输入端通过所述馈通器12与所述光纤微水传感器13以及所述光纤局部放电超声传感器14连接。所述系统还包括光电探测器16，所述光电探测器16的输入端与所述耦合器15的输出端连接，用于将所述光纤微水传感器13的反射光信号和/或所述光纤局部放电超声传感器14的反射光信号转换为电信号并放大至可采集的范围。
60.应当理解，所述可调激光源10、所述分光器11、所述光纤馈通器12、所述光纤微水传感器13或所述光纤局部放电超声传感器14、所述耦合器15、所述光电探测器16之间通过光纤顺次连接。
61.在本实施例中优选的是，所述系统还包括采集卡17，所述采集卡17的输入端与所述光电探测器16的输出端连接，用于将所述光电探测器16放大的电信号进行采集。所述系统还包括处理器18，所述处理器18与所述采集卡17的输出端连接，用于接收所述采集卡17采集的电信号，并对所述电信号进行处理，以获得检测结果。所述处理器18还用于设置所述可调激光源1发出的激光信号的波长。
62.所述处理器18可以采用通用计算机、工控机、服务器等。在本实施例中优选的是，所述处理器18采用通用计算机，其具有labview界面，同时具有通道设置、采集设置、触发设置、缓冲及数据传输设置、波形图显示、数据存储等功能。
63.需要说明的是，图2和图3中仅示出了和本技术相关的变压器套管的部件，对于未示出的部分，可以参考现有技术中变压器套管的具体结构进行理解。
64.实施例2
65.本实施例与实施例1相似，不同的是，在本实施例中优选的是，如图4和图5所示，在所述法兰22上对称设置有四个光纤馈通器，顺时针方向看分别为第一光纤馈通器121，第二光纤馈通器122，第三光纤馈通器123和第四光纤馈通器124，其中第一光纤馈通器121和第
三光纤馈通器123均设置有两个通道，第二光纤馈通器122和第四光纤馈通器124均仅设置有一个通道。第一光纤微水传感器131与第一光纤馈通器121的第一通道连接，且设置于靠近所述法兰22的位置处；第二光纤微水传感器132与第一光纤馈通器121的第二通道连接，且设置于变压器套管尾端位置处；第三光纤微水传感器133与第三光纤馈通器123的第一通道连接，且设置于靠近所述法兰22的位置处；第四光纤微水传感器134与第三光纤馈通器123的第二通道连接，且设置于变压器套管尾端位置处。所述光纤局部放电超声传感器14设置有两个，分别为第一光纤局部放电超声传感器141和第二光纤局部放电超声传感器142，其中第一光纤局部放电超声传感器141与所述第二光纤馈通器122的通道连接，且设置于靠近所述法兰22的位置处，第二光纤局部放电超声传感器142与所述第四光纤馈通器124的通道连接，且设置于靠近所述法兰22的位置处。
66.在本实施例中优选的是，变压器套管内的光纤和光纤微水传感器13、光纤局部放电超声传感器14采用后安装的方式设置。安装时，首先将纤微水传感器和光纤局部放电超声传感器分别与光纤连接，然后将与光纤连接的光纤微水传感器和光纤局部放电超声传感器分别穿过光纤馈通器的相应通道，并通过控制光纤进入的长度来控制传感器在变压器套管中的位置。
67.需要说明的是，需要注意光纤馈通器通道的密封性，以确保变压器套管内的绝缘油不会泄漏，不会改变变压器套管的绝缘性。
68.需要说明的是，图4和图5中仅示出了和本技术相关的变压器套管的部件，对于未示出的部分，可以参考现有技术中变压器套管的具体结构进行理解。
69.实施例3
70.如图6所示，一种变压器套管多阵元光纤微水与超声局放联合检测方法，通过所述变压器套管多阵元光纤微水与超声局放联合检测系统实现，包括：
71.步骤1：设置工作模式；
72.步骤2：根据设置的工作模式，可调激光源发出相应波长范围内的激光信号，驱动光纤微水传感器和光纤局部放电超声传感器中的至少一种工作；
73.步骤3：对光纤微水传感器和/或光纤局部放电超声传感器反馈的信号进行处理，得到检测结果。
74.在本实施例中优选的是，所述工作模式包括全检测模式、微水检测模式、局放检测模式和特定通道检测模式；全检测模式下，同时对变压器套管内绝缘油的微水和变压器套管内绝缘电容芯子沿面放电进行检测；微水检测模式下，仅对变压器套管内绝缘油的微水进行检测；局放检测模式下，仅对变压器套管内绝缘电容芯子沿面放电进行检测；特定通道检测模式下，仅相应通道的光纤微水传感器和/或光纤局部放电超声传感器进行工作，对变压器套管内绝缘油的微水和/或变压器套管内绝缘电容芯子沿面放电进行检测。
75.全检测模式下，所述可调激光源10发出的激光信号的波长范围为可以使所述光纤微水传感器13和所述光纤局部放电超声传感器14同时工作的波长范围。微水检测模式下，所述可调激光源10发出的激光信号的波长范围为仅可以使所述光纤微水传感器13工作的波长范围。局放检测模式下，所述可调激光源10发出的激光信号的波长范围为仅可以使所述光纤局部放电超声传感器14工作的波长范围。特定通道检测模式下，所述可调激光源10发出的激光信号的波长范围为可以使相应通道的光纤微水传感器13和/或光纤局部放电超
声传感器14工作的波长范围。
76.举例说明，如光纤微水传感器13的工作波长范围为1350nm～1550nm，光纤局部放电超声传感器14的工作波长范围为1450nm～1650nm，则全检测模式下，所述可调激光源10发出的激光信号的波长范围为1450nm～1550nm；微水检测模式下，所述可调激光源10发出的激光信号的波长范围1350nm～1450nm；局放检测模式下，所述可调激光源10发出的激光信号的波长范围为1550nm～1650nm；特定通道检测模式下，根据选定的通道连接的是光纤微水传感器13和/或光纤局部放电超声传感器14，确定可调激光源10发出的激光信号的波长范围。
77.在本实施例中优选的是，步骤3中，对反馈的信号进行处理包括：对每个光纤微水传感器13和/或每个光纤局部放电超声传感器14反馈的信号进行单独处理，进而得到检测结果。所述检测结果包括绝缘油中是否含有微水、微水的含量是多少、微水的位置是哪里、是否有局放发生、发生局放的位置是哪里、局放的程度等中的至少一种。
78.实施例4
79.本实施例与实施例1或2类似，不同的是，在本实施例中优选的是，所述光纤微水传感器不仅设置于变压器套管的尾部，还设置于绝缘油中微水易出现的其他位置，进行相应位置处的微水检测，包括对游离水、溶解水、乳化水中的至少一种进行检测。
80.实施例5
81.本实施例与实施例1或2类似，不同的是，在本实施例中优选的是，所述光纤微水传感器仅设置于法兰22位置处，进行相应位置处的微水检测。
82.实施例6
83.本实施例与实施例1或2类似，不同的是，在本实施例中优选的是，所述变压器套管内预埋有若干条光纤，若干个光纤微水传感器和/或若干个光纤局部放电超声传感器，每个光纤微水传感器以及每个光纤局部放电超声传感器均与一条光纤的一端连接，光纤的另一端与光纤馈通器的一个通道连接，在光纤馈通器上还预留有多余的通道，用于后安装光纤微水传感器和/或光纤局部放电超声传感器。光纤微水传感器和/或光纤局部放电超声传感器在变压器套管内的位置可以根据需要进行设置。
84.实施例7
85.本实施例与实施例2类似，不同的是，在本实施例中优选的是，步骤3中，对反馈的信号进行处理包括：对光纤微水传感器反馈的信号进行差分处理，和/或，对光纤局部放电超声传感器反馈的信号进行差分处理。
86.以图2中所示传感器设置方式为例进行举例说明，针对光纤微水传感器，以对向设置两个光纤微水传感器采集的信号进行差分处理，获得两路信号之间的差异，进而得到检测结果；针对光纤局部放电超声传感器，以相邻的两个光纤局部放电超声传感器采集的信号进行差分处理，进而得到检测结果。通过差分处理得到检测结果可以发现两路信号之间的微小的差异，进而提高检测结果的精度。
87.需要说明的是，对采集的信号进行差分处理时，还可以采用其他的方式，如以某一路信号为基准，其他几路信号与基准信号之间进行差分处理等。
88.需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应该理解：其可以对前述实施例
记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。