【硕士论文】基于光纤电流传感器的局部放电检测方法研究.pdf

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1、中文摘要局部放电在线检测可以及时反映电力设备绝缘老化情况，是状态监测和故障诊断的重要手段。但是，由于现场强烈的电磁干扰严重影响传感器的灵敏度和检测的可靠性，高性能的传感器研制始终是局放在线检测研究中的一个重要课题。光学检测方法抗干扰能力强，绝缘性能好，灵敏度高，对于局放在线检测的研究意义重大。本文提出将根据Faraday磁光效应原理研制的光纤电流传感器应用于局放检测，以光信号为检测量，为局部放电光学检测方法奠定了基础。分析了不同类型光纤电流传感器的特点，利用琼斯矩阵法对光纤电流传感器的偏振光系统进行研究，给出了不同状态偏振光的归一化琼斯矢量，对本文涉及的光学器件推导了相应的Jone

2、s矩阵，最终建立了光纤电流传感器的数学模型。研制出有效带宽为300MHz的全光纤结构光纤电流传感器，设计了相关的信号处理电路；采用双螺线管结构提高传感器灵敏度，螺线管形状的通电导体和光路之间的相对位置关系发生变化不会影响检测结果；分析了它的频率响应特性、抗干扰特性和光路损耗特性，与传统光纤电流传感器相比，该检测系统频率响应范围宽，灵敏度高。当传感器采用全光纤闭合结构光路设计并满足安培环路定律时，其抗电磁干扰性能最优。介绍了线性双折射特性和产生的各种原因；分析了线性双折射对于系统的影响，认为线性双折射是光纤电流传感器检测中影响系统测量误差的主要因素，随着线性双折射的增加，系统灵敏度下

3、降，如果系统没有线性双折射，则其它误差源的影响将容易预测和处理，并探讨了消除线性双折射的可行措施。建立了局部放电实验系统及尖板放电、板板放电、内部放电、沿面放电和悬浮放电五种典型局放模型，通过本文研制的光纤电流传感器采集了各种局部放电信号，实验结果说明在强干扰环境下与其他方法相比较，基于光纤电流传感器的局部放电检测具有抗干扰能力强、绝缘特性好和响应速度快等特点。恰当地提取特征参数是进行局部放电进行模式识别的关键环节，将光纤电流传感器采集到的局部放电时域信号转换为三维时频谱图，全面表征了局放信号的时间分量、频率分量和放电能量的分布，提取的特征参数同时反映了原始信号的时频特征，各分量之

4、间互不干扰，所以更加准确。本文采用基于非线性理论的分形盒子维数和空缺率描述复杂的时频表面，提取出局部放电三维时频谱图的时频特征参数，以描述时频谱图峰值处的陡度和下降沿的变化趋势，简化了特征向量的维数。基于时频分析方法的分形理论和BP神经网络可有效识别不同类型的局部放电，证明光纤电流传感器可用于局部放电检测和故障诊断。关键词：局部放电，Faraday磁光效应，光纤电流传感器，电磁干扰，时频分析，分形维数，模式识别第一章绪论第一章绪论1．1研究意义随着国民经济的发展，电力系统可靠运行的要求越来越高。电气设备是组成电力系统的基本元件，一旦发生事故，不但会波及邻近设备，还会给用户造成重大经

5、济损失。例如，2004年国家电网公司发生110kV及以上电压等级变压器损坏事故53台次，事故容量达4221．5MVA[1l，造成的直接经济损失上亿元，而相应社会产值损失尚未包括在内。大型电气设备多采用矿物油、绝缘纸或环氧树脂等各种有机合成绝缘材料组成复合结构，大量资料表明，绝缘失效是造成电气设备故障的主要原副2‘6

6、。例如1990年国内110kV及以上等级变压器事故中有76％是由于绝缘劣化引起的；美国某4．8kV配电系统1980．1989年电容器损坏情况分析表明，其中92％是绝缘故障。由于绝缘缺陷引发的局部放电，使电介质长时间击穿电压常常不到短时击穿电压的几分之一，因此，局部放电作

7、为各种大型电气设备长期运行中绝缘劣化的一个主要因素而倍受重视171。局部放电既是造成绝缘故障的主要原因，也是绝缘劣化的重要征兆和表现形式，与绝缘材料的劣化和击穿过程密切相判引。局部放电能有效地反映电气设备的绝缘状况，尤其对早期发现突发性故障与介损测量、色谱分析等方法相比效果要好得多。因此，进行局部放电检测对于电力设备安全运行具有重要意义。国际上很多著名公司和科研机构，如德国的西门子公司、瑞士的ABB公司、英国EA公司和荷兰的KEMA实验室等都在研制或推出局部放电在线监测系统。天津大学九十年代初就在国内率先推出了BGF系列宽带、高频局部放电在线检测设备，该装置抗干扰能力较强，并初步实

8、现自动化和智能化：其他诸如清华大学、西安交通大学、上海交通大学、重庆大学、华北电力大学、中国电力科学研究院和武汉高压研究所等多所高校和研究院所也进行了大量的研究工作，并且已经开发了多种电力设备的局部放电在线监测装置19-12]。局部放电在线监测也是状态维修的需要。对电气设备进行在线的状态监测，可以及时获取绝缘状况信息，通过对这些信息进行处理和综合分析，能够对绝缘的可靠性做出判断和对绝缘寿命做出评估，为状态检修提供依据。第一章绪论1．2局部放电检测现状局部放电的检测都是