本發(fā)明涉及變壓器局部放電定位，具體為一種法布里珀羅干涉儀的超聲波傳感器面陣定位系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，高壓電力設(shè)備的應(yīng)用也愈加廣泛。電力變壓器作為高壓電力系統(tǒng)中的核心組成部分，如若發(fā)生故障，可能會導(dǎo)致大面積停電，對社會生產(chǎn)生活造成巨大損失。因此，對局部放電實施精準(zhǔn)監(jiān)測，已成為保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行不可或缺的技術(shù)支撐。

2、目前，電力變壓器局部放電的監(jiān)測，依托于局部放電過程中出現(xiàn)的多種物理現(xiàn)象，包括超聲波、電脈沖、電磁輻射、局部過熱、氣體生成物等現(xiàn)象?；谏鲜霈F(xiàn)象，局部放電檢測技術(shù)已發(fā)展出多種方法，包括超聲波檢測法、電脈沖檢測法、氣相色譜檢測法、電磁波檢測法等。常規(guī)的局部放電檢測元件為電學(xué)元器件，但在檢測過程中，容易受到電磁干擾。

3、目前，常見的超聲波傳感器為電學(xué)傳感器，在局部放電檢測應(yīng)用中，高壓電力設(shè)備與傳感器均帶電，絕緣性差、易受電磁干擾，導(dǎo)致危險性較大；近年來，一些研究人員提出了基于干涉型光纖結(jié)構(gòu)的超聲波傳感器，可以有效避免絕緣性差、電磁干擾等問題，但常用光源為單波長激光器，使用時易受外界因素干擾，并且使用強度型解調(diào)法時易產(chǎn)生工作點漂移現(xiàn)象從而導(dǎo)致超聲波傳感器靈敏度下降，監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性無法得到保障；同時，單個超聲波傳感器有時無法滿足局部放電定位需求，一些科研人員搭建了超聲波傳感器陣列，但搭建傳感器陣列相對復(fù)雜，布放時需要進行校準(zhǔn)，增加了安裝和維護的難度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決上述的問題，本發(fā)明一方面提供了一種法布里珀羅干涉儀的超聲波傳感器面陣定位系統(tǒng)，由法布里珀羅激光器、光纖耦合器、光纖環(huán)形器、光纖超聲波傳感器面陣、光電探測器、數(shù)據(jù)采集器和主機終端組成；沿所述法布里珀羅激光器出射光傳輸方向，依次連接光纖耦合器、光纖環(huán)形器的第一端口，所述光纖環(huán)形器的第二端口連接光纖超聲波傳輸面陣，其第三端口連接光電探測器，所述光電探測器與數(shù)據(jù)采集器輸入端電連接，所述數(shù)據(jù)采集器輸出端與主機終端電連接；

2、所述光纖超聲波傳感器面陣，用于檢測局部放電時的超聲波信號，并根據(jù)超聲波信號振動產(chǎn)生攜帶超聲波特征信息的干涉光強信號；所述光纖超聲波傳感器面陣包括不銹鋼探頭、不銹鋼膜片和光纖組件，所述不銹鋼探頭沿軸向方向貫穿設(shè)置有若干個插孔，不銹鋼探頭的一側(cè)位于插孔位置固定粘合若干個不銹鋼膜片，不銹鋼探頭遠離不銹鋼膜片一側(cè)的插孔固定安裝若干個光纖組件，所述光纖組件的插入深度小于不銹鋼探頭的軸向長度。

3、在具體實施方式中，所述光纖組件包括單模光纖、光纖陶瓷插芯和不銹鋼套管，所述單模光纖與光纖陶瓷插芯的一端固定連接，所述單模光纖外部套接不銹鋼套管，所述不銹鋼套管與光纖陶瓷插芯固定連接。

4、為了滿足激光光束的干涉條件，所述光纖陶瓷插芯遠離單模光纖一端的端面與不銹鋼膜片的內(nèi)表面平行正對。

5、所述光纖陶瓷插芯遠離單模光纖一端的端面、不銹鋼膜片的平面垂直于不銹鋼探頭軸向方向。

6、所述單模光纖、光纖陶瓷插芯的中心軸穿過不銹鋼膜片的中心。

7、在具體實施方式中，所述光纖環(huán)形器與光電探測器設(shè)置有若干個，所述光纖環(huán)形器的數(shù)量與不銹鋼探頭的插孔數(shù)量相等。

8、另一方面提供了一種法布里珀羅干涉儀的超聲波傳感器面陣定位方法，應(yīng)用于如上所述的法布里珀羅干涉儀的超聲波傳感器面陣定位系統(tǒng)，包括：

9、s1、根據(jù)光纖超聲波傳感器面陣的各陣元位置與陣元間距，選取任意一個陣元作為坐標(biāo)原點建立三維直角坐標(biāo)系，確定各陣元的三維坐標(biāo)；

10、s2、獲取光纖超聲波傳感器各路陣元的干涉光強信號，對干涉光強信號進行光電轉(zhuǎn)換得到電壓值；

11、s3、基于各路陣元的電壓值，確定各路陣元電壓值變化的出現(xiàn)時刻；根據(jù)各路陣元的出現(xiàn)時刻，確定坐標(biāo)原點陣元與其他陣元的時延差；

12、s4、基于超聲波的介質(zhì)傳播速度，根據(jù)各陣元的三維坐標(biāo)、陣元間距與時延差構(gòu)建方程組，計算目標(biāo)聲源坐標(biāo)，即為局部放電位置。

13、所述s4中根據(jù)各陣元的三維坐標(biāo)、陣元間距與時延差構(gòu)建方程組為：

14、，

15、式中，x,y,z為目標(biāo)聲源的空間坐標(biāo)； x i, y i, z i，i=1,2,…5，表示第i個陣元的三維坐標(biāo)； c表示超聲波的傳播速度； di為目標(biāo)聲源到第i個陣元的空間距離； τ i為第i個陣元與坐標(biāo)原點陣元的時延差。

16、有益效果

17、（1）本發(fā)明的超聲波傳感器面陣定位系統(tǒng)可有效避免傳統(tǒng)電學(xué)超聲波傳感器針對高壓電力設(shè)備的局部放電檢測易受電磁干擾、絕緣性差的問題，降低了安全風(fēng)險，提高了超聲波檢測的穩(wěn)定性。

18、（2）本發(fā)明的超聲波傳感器面陣定位系統(tǒng)有效避免干涉型光纖超聲波傳感器系統(tǒng)光源為單波長激光器時使用強度解調(diào)法出現(xiàn)的工作點漂移導(dǎo)致靈敏度嚴(yán)重下降的現(xiàn)象，可使系統(tǒng)穩(wěn)定性增強。

19、（3）本發(fā)明創(chuàng)新性地將若干個光纖超聲波傳感器集成在一個不銹鋼探頭中，不僅降低成本，還大大簡化了超聲波傳感器陣列搭建過程；光纖超聲波傳感器陣元間距固定，無需重新校準(zhǔn)，簡化了定位流程與布放過程。

20、（4）本發(fā)明基于空氣環(huán)境中聲波信號特點、光纖傳輸?shù)穆暡ㄐ盘柕奶攸c及光纖超聲波傳感器面陣的幾何關(guān)系，使用tdoa（time?difference?of?arrival，到達時間差）方法，將超聲波傳感器面陣定位系統(tǒng)接收信號的時間差轉(zhuǎn)換為非線性方程組，進而對該非線性方程組進行求解，實現(xiàn)局部放電位置的坐標(biāo)定位。

技術(shù)特征：

1.一種法布里珀羅干涉儀的超聲波傳感器面陣定位系統(tǒng)，其特征在于，由法布里珀羅激光器、光纖耦合器、光纖環(huán)形器、光纖超聲波傳感器面陣、光電探測器、數(shù)據(jù)采集器和主機終端組成；沿所述法布里珀羅激光器出射光傳輸方向，依次連接光纖耦合器、光纖環(huán)形器的第一端口，所述光纖環(huán)形器的第二端口連接光纖超聲波傳輸面陣，其第三端口連接光電探測器，所述光電探測器與數(shù)據(jù)采集器輸入端電連接，所述數(shù)據(jù)采集器輸出端與主機終端電連接；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的法布里珀羅干涉儀的超聲波傳感器面陣定位系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖組件包括單模光纖、光纖陶瓷插芯和不銹鋼套管，所述單模光纖與光纖陶瓷插芯的一端固定連接，所述單模光纖外部套接不銹鋼套管，所述不銹鋼套管與光纖陶瓷插芯固定連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的法布里珀羅干涉儀的超聲波傳感器面陣定位系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖陶瓷插芯遠離單模光纖一端的端面與不銹鋼膜片的內(nèi)表面平行正對。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的法布里珀羅干涉儀的超聲波傳感器面陣定位系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖陶瓷插芯遠離單模光纖一端的端面、不銹鋼膜片的平面垂直于不銹鋼探頭軸向方向。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的法布里珀羅干涉儀的超聲波傳感器面陣定位系統(tǒng)，其特征在于，所述單模光纖、光纖陶瓷插芯的中心軸穿過不銹鋼膜片的中心。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的法布里珀羅干涉儀的超聲波傳感器面陣定位系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖環(huán)形器與光電探測器設(shè)置有若干個，所述光纖環(huán)形器的數(shù)量與不銹鋼探頭的插孔數(shù)量相等。

7.一種法布里珀羅干涉儀的超聲波傳感器面陣定位方法，應(yīng)用于權(quán)利要求1-6任一項所述的法布里珀羅干涉儀的超聲波傳感器面陣定位系統(tǒng)，其特征在于，包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的法布里珀羅干涉儀的超聲波傳感器面陣定位方法，其特征在于，所述s4中根據(jù)各陣元的三維坐標(biāo)、陣元間距與時延差構(gòu)建方程組為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及變壓器局部放電定位技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種法布里珀羅干涉儀的超聲波傳感器面陣定位系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)由法布里珀羅激光器、光纖耦合器、光纖環(huán)形器、光纖超聲波傳感器面陣、光電探測器、數(shù)據(jù)采集器和主機終端組成；沿所述法布里珀羅激光器出射光傳輸方向，依次連接光纖耦合器、光纖環(huán)形器的第一端口，所述光纖環(huán)形器的第二端口連接光纖超聲波傳輸面陣，其第三端口連接光電探測器。將若干個光纖超聲波傳感器集成在一個不銹鋼探頭中，簡化了超聲波傳感器陣列搭建過程，將超聲波傳感器面陣定位系統(tǒng)接收信號的時間差轉(zhuǎn)換為非線性方程組進行求解，實現(xiàn)局部放電位置的坐標(biāo)定位。

技術(shù)研發(fā)人員：霍佃恒,楊清華,張志峰
受保護的技術(shù)使用者：山東星冉信息科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17