一种基于全向紫外光探测的光纤局放监测装置

本发明属于测试仪器，涉及一种基于全向紫外光探测的光纤局放监测装置，实现基于光电测量技术的局部放电低成本检测，可用于检测设备高压放电情况进而判断电力设备的绝缘性能，为电力部门提供科学参考，使电力设备安全经济运行等。

背景技术：

1、局部放电是指绝缘结构中由于电场分布不均匀、局部场强过高而导致的绝缘介质中局部范围内的放电或击穿现象，是绝缘老化的重要征兆和表现形式，同时也是评估中高压设备绝缘状态的重要指标之一。当绝缘结构中局部放电时，会产生电脉冲、超声波、电磁辐射、光、化学反应，并引发局部发热等现象。

2、高压电气设备若长期运行，局部放电会导致设备的绝缘性能下降，恶化的绝缘状况将造成设备故障，引起功率损耗或者电力中断，造成重大电力事故。此外，局部放电的热效应会使局部放电点温度升高，加速介质绝缘热劣化；局部放电的化学反应会生成臭氧、水和酸，会腐蚀绝缘材料；局部放电的辐射效应会辐射出可见光、紫外线、射线等使绝缘材料脆化。因此，电气设备正常安全运行，就要尽可能的避免局部放电的发生，那么，局部放电的有效检测将对电力设备的安全运行产生积极影响。

3、由于局部放电的过程中会有电脉冲、电磁辐射、超声波、光和化学反应产物，因此，目前局部放电检测方法主要有脉冲电流法、超声波法、超高频法、电化学法和光学法等。脉冲电流检测法是目前唯一具有标准的检测方法，但其测量频率低，不能避开空气电晕干扰，不适合在线监测；超声波检测法难以定量测量，且不易区分运行中设备干扰信号；红外检测法适用检测设备外部接线端的过热现象，不易监测运行中设备内部状况；化学检测法的在线监测结果可靠性高，但面对突发性故障时反应较慢；超高频检测法的检测频带高，可避开电晕干扰，能反映放电的强度，适合在线监测。然而，光学检测法是一种尚未成熟的局部放电检测方法，目前已存在的设备大多以直接收集并检测紫外光信号的方式进行检测，这种设备体积大、价格昂贵，且不能实时进行远程监控。针对现有光学检测法存在的问题和不足，本发明提出了一种以全新检测方法监测的装置：一种基于全向紫外光探测的全光学的光纤局放监测装置。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于全向紫外光探测的光纤局放监测装置。

2、本发明的技术方案：

3、一种基于全向紫外光探测的光纤局放监测装置，包括激光器1、传输光纤2、光电探测器3和信号处理模块4，四者依次连接；其中，激光器1包括玻璃管①、中间层介质②、发光材料③、端面反射镜④和光纤准直器⑤，端面反射镜④和光纤准直器⑤位于玻璃管①的两端，构成激光器1的光学谐振腔；玻璃管①内由外向内依次填充中间层介质②和发光材料③，且整体折射率由外向内逐渐增大，构成一种环形折射率多层结构。由于环形折射率多层结构介质的折射率沿径向逐渐变化，局部放电产生的紫外光照射到环形折射率多层结构上会发生连续折射，在环形结构中心实现光学自聚焦，自聚焦可以增加照射到发光材料上紫外光的功率密度，使发光材料更易产生受激辐射，而环形折射率多层结构的中心对称性使其可以满足全向探测的要求；此外，这种环形折射率多层结构的折射率分布特性还可以减小激光在激光器内部的损耗。这样一来，环形折射率多层结构的引入对于降低局部放电检测的漏报、错报率具有一定的积极效果。

4、所述的激光器1中的中间层介质②，是具有高折射率的热塑性液体，在本装置中使用的是聚酰亚胺。常温下，聚酰亚胺为液态，将其填充至所述的玻璃管①中进行加热将会变为固态。因其具有高折射率，符合所述的激光器1中环形折射率多层结构的要求。此外，亚聚酰胺具有非常高的稳定性，以及耐化学性，能够适应局部放电发生时的恶劣环境。但不仅限于亚聚酰胺，符合所述的中间层介质②特点的材料皆可。

5、所述的激光器1中的发光材料③，是用来吸收紫外光并产生受激辐射放大的物质，在本装置中使用的是聚苯乙烯荧光微球，该微球荧光强度高，耐光漂，灵敏度高，但不仅限于聚苯乙烯荧光微球，只要符合所述的发光材料③特点的材料皆可，例如cspbbr3钙钛矿。局部放电会辐射出紫外光，紫外光经环形折射率多层结构会聚到该结构中心即所述的发光材料③上，从而诱发所述的发光材料③受激辐射出可见光，受激辐射产生的可见光在所述的端面反射镜④和光纤准直器⑤构成的光学谐振腔内震荡，最终形成激光，通过检测激光光强便可感知局部放电强度。所产生的激光作为光纤局放监测装置的光源和信号来源，使得局放监测过程中无光源引入，故可实现去光源化局放监测。

6、所述的激光器1中，端面反射镜④和光纤准直器⑤构成光学谐振腔，发光材料③辐射出的可见光会在该光学谐振腔内震荡增强，最终形成激光出射，通过检测所产生的激光光强大小和频率，便可感知局部放电强度和频率；此外，所产生的激光强度较强，稳定性好，可提高局部放电监测的可靠性。

7、所述的传输光纤2，一端通过光纤准直器连接激光器1，另一端连接光电探测器3，由于传输光纤2具有低损耗的传输特性，这使得局部放电实时远程监测成为可能。

8、所述的光电探测器3是光电二极管，可以将光信号转变为电信号的光敏感器件，能够测量所述的激光器1发出的激光信号并转换为电信号，然后由信号处理模块4进行处理，并将数据传输到手机或电脑，从而对被局部放电进行实时远程监测。

9、与现有技术相比，本发明的有益效果：

10、根据本发明，激光器中，增设了由玻璃管、中间层介质、发光材料构成的一种环形折射率多层结构，且整体折射率由玻璃管向内逐渐增大，该结构能够使局部放电辐射出的紫外光发生连续折射，实现光学自聚焦；除此之外，该结构的中心对称性可以满足全向探测的要求，折射率的分布特点还可以减小激光在激光器内部的损耗，降低局部放电检测的漏报、错报率。局部放电辐射出的紫外光诱发发光材料受激辐射出可见光，可见光在端面反射镜④和光纤准直器构成的光学谐振腔内震荡增强，最终形成激光，通过检测所产生的激光光强大小和频率，便可感知局部放电强度和频率。本发明采用去光源化设计，降低了系统复杂度，提升了可靠性和稳定性高，极具成本优势，能够实现简化操作和更好的用户体验。

技术特征：

1.一种基于全向紫外光探测的光纤局放监测装置，其特征在于，该基于全向紫外光探测的光纤局放监测装置包括激光器(1)、传输光纤(2)、光电探测器(3)和信号处理模块(4)，四者依次连接；其中，激光器(1)包括玻璃管(①)、中间层介质(②)、发光材料(③)、端面反射镜(④)和光纤准直器(⑤)，端面反射镜(④)和光纤准直器(⑤)位于玻璃管(①)的两端，构成激光器(1)的光学谐振腔；玻璃管(①)内由外向内依次填充中间层介质(②)和发光材料(③)。

2.根据权利要求1所述的基于全向紫外光探测的光纤局放监测装置，其特征在于，所述的中间层介质(②)的材质是聚酰亚胺。

3.根据权利要求1所述的基于全向紫外光探测的光纤局放监测装置，其特征在于，所述的发光材料(③)的材质是聚苯乙烯荧光微球。

4.根据权利要求1所述的基于全向紫外光探测的光纤局放监测装置，其特征在于，所述的光电探测器(3)是光电二极管。

技术总结
本发明公开了一种基于全向紫外光探测的光纤局放监测装置，包括激光器、传输光纤、光电探测器、信号处理模块。激光器中玻璃管、中间层介质、发光材料构成一种环形折射率多层结构，且整体折射率由玻璃管向内逐渐增大，故局部放电辐射出的紫外光照射到这种环形折射率多层结构上会发生连续折射，在环形结构中心实现光学自聚焦，自聚焦可增加照射到发光材料上紫外光的功率密度，使发光材料更易产生受激辐射，而环形折射率多层结构的中心对称性使其可以满足全向探测的要求；此外，这种环形折射率多层结构还可以减小激光在激光器内部的损耗。本发明结构简单，去光源化设计，降低了系统复杂度，提升了可靠性和稳定性高，具有很好的电磁干扰免疫特性。

技术研发人员：张信普,李泽柳,李晓彤,张凤麟,彭伟
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14