基于泵浦激励的变压器局部放电声发射光纤传感器研究

作     者：林仲钦 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：马国明;齐玉杰

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 080803[工学-高电压与绝缘技术] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：泵浦 DFB-FL 变压器 局部放电 

摘      要：超声波法作为一种变压器局部放电的在线检测方法,具备无损性、可定位等优点。传统的压电超声换能器（Piezoelectric Transducer,PZT）存在易受电磁干扰,难以实现分布式检测等缺点。为了有效解决这些问题,本文提出了基于分布反馈式光纤激光器（Distributed Feedback Fiber Laser,DFB-FL）检测变压器局部放电的方法。DFB-FL是一种内部掺杂稀土元素的有源型光纤布喇格光栅,其在外界泵浦作用下将产生极窄线宽的激光。在局部放电微弱超声信号检测领域,DFB-FL具有检测下限低、可实现准分布式检测等优点。首先,本文从有源光纤光栅DFB-FL产生激光的机理开展研究,建立了基于泵浦激励的模型,研究了 DFB-FL单频激光波长选择的原理。分析对比了不同的DFB-FL声波解调方法,提出采用外差干涉以及微分交叉相乘的方法增大解调的动态频率范围,以此满足变压器局部放电超声波的频带。在理想环境以及白噪声环境下,仿真模拟了 DFB-FL超声波的解调,并进行超声波发射试验对仿真结果加以验证。其次,本文探究了有源光纤光栅DFB-FL传感系统的本底噪声来源,从弛豫振荡、光隔离器、AOM频移量、延迟光纤这四个角度进行了深入解析。结果表明:通过调节泵浦控制器输出功率超过400mW、在DFB-FL输出端添加隔离器、延迟光纤长度设置大于等于67.90m、实时记录AOM频移量等方法,可以有效降低DFB-FL传感噪声和检测下限。搭建了超声传感器试验平台,标定了 DFB-FL、FBG、PS-FBG的检测下限。在20kHz～200kHz的频带内,DFB-FL的平均检测下限相比 FBG 降低了 40.98dB,比 PS-FBG 降低了 32.97dB。最后,本文封装了基于有源光纤光栅DFB-FL的硬件检测系统,设计了核心为AD8302的相位解调模块,提高了系统的解调速率。搭建了 110kV变压器局放试验平台,对比DFB-FL传感系统与传统PZT在两种缺陷类型下的检测性能。对于悬浮放电,DFB-FL的局放起始电压比PZT低15.38%,可测放电量低27.61%;对于针-板放电,DFB-FL的局放起始电压比PZT低29.41%,可测放电量低28.43%。在实现单点高灵敏度检测的基础上,研究了 DFB-FL传感系统准分布式局放源定位技术,采用4个DFB-FL进行定位试验,定位结果与真实位置之间的误差距离仅为 35.60mm。