法布里-珀罗传感器响应带宽设计基于频率的局部放电检测分析

文摘

电力设备的绝缘材料可以有效地评估通过分析声学信号源于局部放电(PD)。法布里-珀罗(.)传感器能够检测PD声信号。虽然一个.传感器的频率带宽主要是指传统的压电换能器压电传感器,它仍然怀疑来确定一个合适的带宽PD信号检测的光纤传感器。.传感器来实现一个合适的带宽,PD研究声发射的频率分布,和一个外在.传感器是用来检测声波信号来自PD。.传感器与不同的固有频率尽可能编造的带宽设计标准声学检测。PD声信号检测到这些.传感器和压电传感器实验系统,四个典型的电极模型的工作。频率性能的测量结果分析了线性和半对数坐标。结果表明,.传感器可以有效地检测PD声学排放在宽带和窄带模式。此外,.传感器实现高灵敏度的窄带模式。我们建议.传感器的固有频率应设计在100 - 170 kHz的频率范围内获得最大的灵敏度。

1。介绍

局部放电(PD)会导致高压电力设备的故障。释放的能量在PD产生影响等化学气体和热量的释放,在材料结构变化,生产超声波和电磁信号(1]。PD检测方法包括电子、无线电频率、耦合电容器,紫外线,声发射和溶解气体分析。PD的检测声发射(AE)技术是电磁干扰免疫。此外,AE-based PD源定位技术可以提供解决方案。PD AE的检测是基于检测超声波发出PD。研究了几种方法,积累了很多经验。压电传感器(压电)在变压器PD检测的首选方法。压电陶瓷是易于安装和替换;然而,压电性能会受到电磁干扰的影响。与压电陶瓷相比,光纤传感器有实用的优点:不受电磁干扰,可以多路复用,灵敏度高,可以嵌入到复合材料(2]。因此,光纤声发射检测技术也用于检测PD在高压电力设备的绝缘。在过去的几年中,马赫曾德耳迈克尔逊和萨尼亚克纤维干涉技术已经应用于PD检测(3- - - - - -5]。此外,非本征法布里-珀罗(.)干涉技术受到关注。.干涉传感器制作小传感元素,可以同时使用一个.腔和两个平行的反射表面。许多研究都集中在设计和制造的.传感器由于其紧凑的尺寸和PD声学信号的高灵敏度。

早期的外在. PD检测传感器是由邓(6]。端面之间的干涉结构产生的石英膜纤维和一面镜子。微机电系统(MEMS)技术用于制造光学外在.干涉传感器(7,8]。.传感器据Akkaya(热稳定性高9),一种新颖的高收益silicate-bonding过程和包装技术建立制造声学纤维传感器。提出了边缘visibility-enhanced .传感器,高信噪比(信噪比)为42.92 dB在300 kHz实现10]。干涉型光纤传感器具有高稳定性和低谐波失真已经开发的单路differential-divide相位生成载波解调算法实现高灵敏度,线性度好,和一个大动态范围(11]。

尽管许多报告.传感器的设计、制造、和表征已经出版,.传感器的频率响应特性之间的关系和PD AE信号很少研究。没有统一的标准PD声学探测器的响应频率。IEEE Std C57.127表明声学产生PD有宽带频率从20千赫至500千赫(12]。大多数压电传感器用于PD检测有一个共振响应在150千赫。研究表明,声学PD传感器的响应频率的范围应该在200千赫(−13),传感器的响应频率应该不到200 kHz PD声学检测(14]。然而,有些人提出,传感器带宽应该100千赫到300千赫(15- - - - - -17]。由于PD信号的随机性,传感器的响应频率之间的关系和PD声学信号值得考虑。

在目前的工作,.传感器与不同的参数和响应频率设计检测PD AE信号在液体介质。在实验系统中,.传感器和压电传感器检测PD AE一起使用。不同.传感器和压电传感器的频谱比较,和PD AE的频率分布进行了分析和证明。根据四个.传感器的结果,我们提出一个频率设计和使用.传感器用于PD检测的方法。

2。材料和方法

2.1。PD传感器设计和制造

的截面视图设计的外在纤维.传感器如图1。外在.传感器我们设计由两个玻璃具有不同直径的管子,辫子的单模光纤和传感膜片由石英玻璃制成的。传感膜片反射膜的反射率为50%。

当声波产生的PD侵犯.传感器的膜片产生偏转,空腔长度调制的变形隔膜。.传感器的最重要特征是中心挠度和固有频率。中心挠度影响.传感器的灵敏度,和固有频率决定了传感器在窄带或宽带运营模式。基于弹性理论,固有频率和隔膜灵敏度随隔膜半径,膜片有半径30所示,40和100μ米图2。膜片的固有频率降低随着半径的增加。固有频率之间的关系和隔膜半径的倒数,灵敏度和半径之间的关系。

局部放电的声信号在一个地区从大约20到500千赫。很难确定最合适的频率PD检测。研究PD的有效性之间的关系和一个传感器的频率响应特性,我们单独生产几个.传感器固有频率在不同波段。基于弹性理论,一个.传感器的固有频率计算采用有限元法(FEM)。从ANSYS仿真如图3.设计传感器的固有频率( , )方法135.8 kHz。相比之下,其他三个传感器被设计通过改变尺寸和模拟来评估他们的固有频率特性;表中列出的结果1。

传感器具有不同的响应频率是由粘结纤维,石英套管,石英玻璃管,在实验室和子宫帽。代表传感器的探测头的图像如图所示4,样品的测试干扰频谱.传感器如图5。

2.2。频率响应测试

.传感器的设计主要基于膜片振动检测PD声信号。当声发射的频率高于.传感器的固有频率,.隔膜将展示高衰减。如果声发射的频率( )高于.传感器的固有频率( ),.隔膜的振幅将减少到几乎为零。然而,如果= ,.传感器仍将处于共振状态,生成一个高响应区域附近 ;如果低于 ,振幅持续以恒定值小于共振响应。

调查的幅频响应.传感器、超声波是由压电传感器频率的改变不断从50到230千赫。.传感器(# 1,# 2,# 3,# 4)用于测量声波信号。每个.传感器的频率响应曲线如图6(一)- - - - - -6 (d),分别。根据测试结果,# 1 .传感器具有很高的反应区域从大约140到170 kHz,呈现在图6(一)。同样,高响应频率区域100 - 135千赫,140 - 175千赫,和170 - 200千赫.传感器# 2,# 3,# 4,分别如图6 (b)- - - - - -6 (d)。

3所示。结果与讨论

3.1。PD检测实验系统

建立了实验系统来检测AE PD的液体绝缘。如图7一箱( )充满了绝缘油。高压变压器局部放电信号发生器模型连接到一个沉浸在绝缘油。.传感器沉浸在石油从PD源夫妇AE信号。解调设备设计了基于振动的强度。1550纳米波长分布反馈激光器作为源的解调系统。如图6的光束分布反馈激光器注入光纤和传输.传感器头通过耦合器。年底光束部分反映了纤维小费。剩下的灯发出的纤维,石英膜片传播,和反射的纤维,导致干涉光纤小费。返回一半的干涉光被吸收到耦合器和光电探测器检测到的。光电探测器的输出电压转换为数字信号的a / D转换器,和一个温度控制器用于检测系统的稳定操作。分布反馈激光器的波长可调谐的散热器,它是由温度控制器控制。当.传感器的操作点变化时,温度控制器将调整激光的中心波长稳定操作点。

在实验系统中,四种典型的PD电极模型是用来生成PD声信号。Plate-plate、针板、ball-plate和浮动电极模型呈现在图8。一个绝缘纸板的厚度1毫米之间插入电极。分析PD声音信号的频率分布特性,压电(压电)传感器(SR15、Soundwel技术有限公司,中国)安装在油罐外部用于同步检测声音信号从PD FP传感器。压电陶瓷传感器的幅频特性曲线也记录进行比较,如图9。

3.2。频率分析不同电极产生的PD AE模型

根据IEEE Std C57.127 [12),PD AE的频率范围是20 - 500千赫。通常情况下,压电传感器被设计为一个窄带检测PD AE传感器。由于隔膜的高衰减振动,当声波频率高于.传感器的固有频率,.传感器通常设计为宽带传感器。但是,没有频率标准PD声学传感器设计中已经建立。在这些实验中,分析了典型模型的频率特性使用.传感器和压电传感器制造。

3.2.1之上。与压电陶瓷传感器检测的频率分布特征

压电传感器是用来测量PD声音信号从上述四个电极模型。频率曲线如图10由傅里叶变换方法进行计算。PD声学信号的峰值频率值plate-plate电极产生的模型主要是在60和160 kHz,如图10 ()。ball-plate电极模型的频率分布类似于plate-plate电极模型(图10 (b))。一个小响应值出现在100 kHz的频率谱plate-plate和ball-plate电极模型。然而,对于针板和浮动电极模型,PD声学信号的高峰值出现在160 kHz和150 kHz,分别如图10 (c)和10 (d)。压电陶瓷的测试结果表明,PD声学信号振幅高50 - 70 kHz的频率范围和150 - 160千赫。为了避免环境噪声、响应输出通常是忽略了接近50千赫。因此,很难区分四种典型的电极模型基于PD声信号检测压电陶瓷,因为峰值频率值出现在150 - 160千赫所有模型;类似声波频率分布plate-plate和ball-plate电极,和类似的声学信号针板和浮动电极之间。

3.2.2。与法布里-珀罗传感器检测的频率分布特征

与压电陶瓷传感器检测结果,PD ball-plate和plate-plate电极产生的声学模型有相似的频率分布特征。因此,ball-plate、针板和浮动电极模型选择生成PD声信号。

.制造传感器是用来检测ball-plate电极产生的声信号模型。数据(11日)- - - - - -11 (d)显示声音信号的幅频曲线4 .传感器和压电陶瓷传感器检测到的绘制在一个线性坐标系统。.传感器的频率值峰值出现在160 kHz, 120 kHz, 170 kHz,分别和150千赫。相比这些.传感器的固有频率,PD声学信号频率谱的高峰值出现在.传感器的固有频率,在# 4 .传感器的情况下除外。.传感器# 1,# 2,# 3是在基于模拟PD声学共振模式。PD声学信号包含160 kHz的频率,120 kHz,和170千赫。然而,# 4 .传感器的固有频率大约是190 kHz,但峰值频率值与# 4 .传感器出现近150 kHz时检测PD信号从ball-plate电极模型。# 4 .传感器的共振模式工作。得出PD AE能量从ball-plate电极模型减少了近190 kHz的频率。

当策划使用线性坐标,峰值频率值可以很容易地从幅频曲线,获得的频率分布范围PD AE是模棱两可的。使用对数坐标可以帮助可视化声音信号的频率分布范围。因此,上面的幅频曲线重绘是使用半对数坐标。半对数坐标计算的幅频光谱图11呈现在图12。

比较曲线和压电传感器,其振幅和频率分布是相似的。所有信号测量压电陶瓷作为更高的增益响应出现在50−70 kHz的频率范围和150−170 kHz,类似于更高的增益响应范围和压电特性曲线呈现在图9。的振幅在50 - 70 kHz的频率范围和150 - 170千赫大约10 dB高于80 - 140 kHz的频率范围。的幅频特性曲线和压电PD检测提出了相同的分布模式,如图12(一个)- - - - - -12 (d),表明压电陶瓷传感器的激励信号是宽带信号的频率范围0 - 200千赫。最后,结果表明,PD声音信号从ball-plate模型是连续的和适当的在< 200 kHz的频率范围。

.传感器的幅频曲线用于PD检测有不同的特点。# 1 .传感器的幅频曲线具有较高的响应值的频率范围150 - 170千赫,如图12(一个),类似于共振曲线的共振振荡发生在. PD声发射传感器# 1是兴奋。结果表明,PD声学信号频率包括# 1 .传感器的固有频率。与此同时,# 2和# 3 .传感器类似# 1 .传感器的响应特性,如图12 (b)和12(c), # 2 .传感器有更高的响应值100−130 kHz的频率范围,也就是作为它的谐振曲线。和# 3 .传感器固有频率附近也有更高的响应值,在130−170 kHz的频率范围。.传感器# 2和# 3 .传感器工作时发现PD声学共振模式。得出PD声学信号包括.传感器的固有频率# 2和# 3的100−130 kHz的范围和130−170千赫。根据PD检测.传感器幅频特性# 1,# 2,# 3,结果表明,PD声学排放产生ball-plate电极模型有很高的振幅在100千赫至170千赫频率范围。

当传感器. # 1,# 2,# 3检测PD AE信号,发生共振振荡,即。,when PD acoustic signals contain the intrinsic frequency of an F-P sensor, that sensor will operate in resonance mode, as F-P sensors #1, #2, and #3 do; therefore, these F-P sensors are working in the narrowband mode for PD detection. However, F-P sensor #4 displays different results. The amplitude-frequency curve of F-P sensor #4 has a flat amplitude response in the frequency range of 40− 170 kHz. While in the intrinsic frequency range of 180− 200 kHz, F-P sensor #4 has smaller amplitude values. Results with F-P sensor #4 show that PD acoustic signals have less energy in the frequency range of 180− 200 kHz. Meanwhile, it is defined that the F-P sensor is working in the wideband mode for PD detection.

基于上述分析,高响应区域范围检测为PD检测和响应频率分布表2。响应频率分布位于高响应区域范围# 1 .传感器时,# 2,# 3是用来检测PD音响。3 .传感器工作在谐振模式(窄带模式)。然而,PD检测和响应频率分布的高响应区域范围# 4 .传感器是不匹配的。# 4 .传感器在宽带运营模式。

在针板电极实验系统,.传感器# 1,# 2,# 3仍然执行窄带特性。共振振荡发生在三个传感器检测PD音响。较高的响应频率与ball-plate电极模型相似的结果。.传感器的幅频曲线# 1,# 2,# 3图所示13。

相比之下,.传感器# 1,# 2,# 3,# 4 .传感器也与针板电极模型提出了不同的属性,这在宽带工作模式与ball-plate电极模型一样。图(14日)显示了# 4 .传感器探测到的信号在线性坐标。峰值频率值出现在80、100和165 kHz,分别。PD检测与# 4 .传感器发生频率范围宽,但响应值较小的# 4 .固有频率附近的传感器。与此同时,如图14 (b)在半对数坐标,幅频曲线几乎是平的40 - 180千赫频率范围。结果表明,声波频率范围的信号主要是40 - 80 kHz,和PD声学频率分布的固有频率远离.传感器与针板电极模型# 4。最后,所有的制造.传感器和压电陶瓷传感器是用来检测与浮动电极系统PD声音信号。由于金属粒子漂浮在绝缘油是类似于针结构,PD漂浮电极产生的声学模型与针板电极模型相似。

总之,一个传感器的固有频率影响的敏感性PD AE检测。当固有频率设计PD声波的频率信号,.传感器将在固有频率响应范围(图中红色区域15)。当一个传感器的固有频率高于PD声波的频率信号,.传感器将在平坦响应工作范围(蓝色区域图15)。一般来说,响应振幅工作时的固有频率响应范围远远高于在平坦的响应范围。.传感器灵敏度为PD检测对比在不同的响应范围,如图15。

4所示。结论

在这项研究中,我们开发了一个非本征光纤法布里-珀罗传感器对PD AE检测。在PD的检测与针板、plate-plate ball-plate,和漂浮电极模型,PD的声波频率分布进行了分析。实验结果表明,PD AE高振幅在50 - 170 kHz的频率范围的四个电极模型。.传感器检测到PD AE无论其固有频率在PD AE频率范围或高于PD AE频率范围。.传感器在共振窄带经营有效模式时的固有频率是PD AE频率范围。不过,当一个.传感器的固有频率高于PD AE频率范围,它有效地运作在宽带模式为PD检测。

根据实验结果,两个原则设计. PD AE检测提出了传感器:(i) .传感器的固有频率可以高于200 kHz,和一个平坦响应50 - 200 kHz的频率范围应该用于检测信号。(2).传感器的固有频率可以在100 - 170 kHz的频率范围,和共振振动传感器将PD AE检测时发生。(3)固有频率的设计将会比平坦响应更敏感频率范围设计。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现正在禁运而研究成果商业化。请求数据,本文的发表之后的12个月内,将被相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

我们要感谢Editage (https://www.editage.cn)英语编辑。这项研究是由中国国家自然科学基金支持的项目(51607049),和基本为黑龙江大学(没有研究的基础。LGYC2018JC29)。

引用

1. 黄懿慧y . b . Wang粉丝,s . r .秦et al .,“电力变压器局部放电定位方法基于改进声波传播路径搜索算法,”专业科学、测量及技术,12卷,不。8,1023 - 1030年,2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. m . r .伊斯兰教,m·m·阿里·m·h·赖k . s . Lim和h·艾哈迈德,“年表的法布里-珀罗干涉仪光纤传感器及其应用:复习一下,”传感器,14卷,不。4、7451 - 7488年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. j .黄s Seon,和公园,“位置估计声源使用三个光学马赫曾德耳声学传感器阵列,”当前光学和光子学,1卷,不。6,573 - 578年,2017页。视图:谷歌学术搜索
4. p . l . Liu,廖h . et al .,“光纤迈克尔逊干涉仪的声学传感器基于PP / PET薄膜,”IEEE传感器杂志,16卷,不。9日,第3058 - 3054页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. m·j·f·Digonnet m .主教,g . s .吉纳”建模和测量声铅灵敏度的萨尼亚克光纤传感器阵列,”光波技术杂志》,24卷,不。7,2877 - 2888年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. j .邓h·肖,w·霍et al .,“光纤传感器检测电力变压器局部放电的”光学与激光技术,33卷,不。5,305 - 311年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. b . x Wang, z肖et al .,“一个敏感的光MEMS传感器的局部放电检测,”微观力学和微工程学》杂志上,15卷,不。3、521 - 527年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. c . j . b . Liu, j . Wang, p .金,“MEMS-based高灵敏度法布里-珀罗声学传感器与45°倾斜纤维,”IEEE光子学技术信,28卷,不。5,581 - 584年,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. o . c . Akkaya o . Akkaya m . j . f . Digonnet g . s .吉纳和o . Solgaard”建模和示范耐热高灵敏度可再生的声学传感器,”《微机电系统,21卷,不。6,1347 - 1356年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. w·张,f·陈,w .妈,问:荣,x俏,和r . Wang“超声成像的地震物理模型使用一个边缘可见性增强光纤法布里-珀罗干涉型传感器,”光学表达,26卷,不。8,11025 - 11033年,2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. z, h·戴m . Zhang et al .,“高稳定性和低谐波失真包括干涉型光纤传感器的解调技术”光学与激光技术卷。109年,8日至13日,2019页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. 美国国家标准IEEE指南的检测和位置声学排放在油浸式电力变压器局部放电和反应堆”IEEE电力工程的社会。IEEE Std C57。127 - 2007,页9到18、变压器委员会,2007年纽约,美国。视图:谷歌学术搜索
13. j . d . w . b . Yu Kim邓,h·肖和a . Wang“光纤法布里-珀罗传感器检测电力变压器局部放电的”应用光学,42卷,不。16,3241 - 3250年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. l . e . Lundgaard“局部放电。十三。局部放电声detection-fundamental考虑。”IEEE电气绝缘杂志,8卷,不。4,25-31,1992页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. t . Boczar”识别特定类型的PD的声发射频率谱,”IEEE电介质和电气绝缘,8卷,不。4、598 - 606年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. m . MacAlpine z志强,m . s . Demokan”发展的光纤传感器对油浸电力变压器局部放电,“电力系统研究,卷63,不。1,27-36,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. b .董、m .汉和a .王”Two-wavelength交多点检测电力变压器局部放电的使用光纤法布里-珀罗声学传感器,”第九学报》卷8370,光纤传感器和应用程序p。14日,巴尔的摩,妈,美国,2012年。视图:谷歌学术搜索

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