吳延坤,喻巖瓏,武炬臻,王偉,王贊,白宏偉,黃曉龍
(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京102206;2.云南省電機(jī)工程學(xué)會(huì),云南昆明650011;3.寧夏省供電公司中衛(wèi)供電局,寧夏中衛(wèi)755000)
隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快,電力工業(yè)也同步進(jìn)行升級(jí)改造。XLPE電力電纜[1-7]在大中城市得到越來(lái)越多的應(yīng)用,其安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系重大。對(duì)電纜的局部放電檢測(cè)是獲知電纜運(yùn)行狀態(tài)的重要方法。當(dāng)前研究表明,對(duì)于局部放電[8-15]的檢測(cè)是以伴隨局部放電產(chǎn)生的電、光、聲等現(xiàn)象為依據(jù),判斷局部放電的狀態(tài)、位置和放電的程度。國(guó)內(nèi)外用于電力電纜局部放電檢測(cè)的方法有很多,有脈沖電流法、超聲波檢測(cè)法、光測(cè)法、化學(xué)檢測(cè)法等。脈沖電流法和超聲波檢測(cè)法應(yīng)用最為廣泛。在局放檢測(cè)中,超聲波檢測(cè)法無(wú)法避免多方向的電磁干擾以及其靈敏度不夠、探測(cè)距離受限等難題[16]。理論研究表明,交聯(lián)聚乙烯電纜局部放電脈沖包含的頻譜很寬,最高可達(dá)到吉赫茲數(shù)量級(jí)[17]。早期用脈沖電流法探測(cè)低頻信號(hào),但是干擾影響大,而XLPE電纜局部放電信號(hào)微弱,波形復(fù)雜多變,極易被背景噪聲和外界電磁干擾噪聲淹沒(méi)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究避開(kāi)低頻干擾的甚高頻(VHF)和超高頻(UHF)脈沖電流傳感器,但是由于局放在高頻率段的信號(hào)極微弱,現(xiàn)有的抗干擾和微弱信號(hào)提取技術(shù)遇到瓶頸,在測(cè)量XLPE電纜局部放電中表現(xiàn)不穩(wěn)定。光學(xué)方法測(cè)XLPE電纜局部放電是一個(gè)新的探索領(lǐng)域。
根據(jù)局部放電發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的電磁、光、聲波等信息來(lái)測(cè)量局部放電。光的特性包括光的波長(zhǎng)、強(qiáng)度、偏振態(tài)、相位、頻率等[18]。本文結(jié)合光學(xué)特性與局部放電信號(hào),分析討論各種測(cè)量方法。
此方法是檢測(cè)局部放電產(chǎn)生的可見(jiàn)光信號(hào),得到局部放電的信息。在GIS等腔體型高壓電器中直接探測(cè)可見(jiàn)光的局部放電檢測(cè)方法如圖1所示[18-19]。由于XLPE電纜是密閉的固體結(jié)構(gòu),局部放電的位置又具有不可預(yù)知性,所以檢測(cè)XLPE電纜中的局放可見(jiàn)光是極其困難的。
圖1 直接探測(cè)局部放電產(chǎn)生光的方法示意圖
高壓電氣設(shè)備的局部放電會(huì)使其周圍的電場(chǎng)和磁場(chǎng)變化,運(yùn)用法拉第電磁原理的全光纖傳感器檢測(cè)到光的偏振態(tài)變化,從而得到局部放電的信息。文獻(xiàn)[19-20]基于此方法進(jìn)行了空氣絕緣高壓電器局部放電測(cè)試,測(cè)試是在沒(méi)有其他干擾的狀態(tài)下進(jìn)行的。對(duì)于電力電纜而言,系統(tǒng)如圖2所示。在實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng),從XLPE電纜的接地線及空中各個(gè)方向串?dāng)_過(guò)來(lái)的電磁信號(hào),會(huì)給后續(xù)信號(hào)的提取與辨別帶來(lái)很大困難,這就遇到了與脈沖電流法類似的困難。電磁效應(yīng)法在測(cè)量XLPE電纜局部放電上與非光學(xué)的脈沖電流法相比沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)。
圖2 法拉第效應(yīng)光學(xué)法測(cè)電纜局部放電示意圖
為了避免電磁串?dāng)_,局部放電超聲波檢測(cè)成為新的研究方向之一。檢測(cè)局放超聲波能有效避開(kāi)其他地方串?dāng)_的電磁信號(hào)。
局放產(chǎn)生的超聲波持續(xù)時(shí)間短,其本質(zhì)就是超聲波帶來(lái)的振動(dòng),測(cè)量超聲振動(dòng)能反映局部放電的情況?,F(xiàn)有的研究表明,基于光的特性,局部放電超聲波影響光傳感器中發(fā)射光束的某一個(gè)特定屬性,用光特性的改變來(lái)表征局部放電的特征。
1.3.1 光纖光柵法
光纖光柵法是基于光的波長(zhǎng)變化來(lái)測(cè)外界振動(dòng)的方法。外界應(yīng)力或者溫度的改變會(huì)導(dǎo)致傳感光柵的改變,從而導(dǎo)致光柵反射的中心波長(zhǎng)發(fā)生改變。波長(zhǎng)變化量包含著外界振動(dòng)的信息。如何測(cè)量波長(zhǎng)的變化,即光纖光柵的解調(diào)技術(shù)是關(guān)鍵。傳統(tǒng)上一般使用單色儀、光譜儀以及帶有色散元件的CCD探測(cè)器來(lái)解調(diào)光柵信號(hào),但是這些解調(diào)系統(tǒng)都存在造價(jià)高、體積大、不易攜帶的缺點(diǎn)?,F(xiàn)常用的光柵解調(diào)方法有匹配光柵法、波長(zhǎng)掃描法、邊緣濾波器線性解調(diào)法、干涉解調(diào)法等[21]。如圖3所示,其本質(zhì)是用壓電陶瓷(PZT)來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)F-P(Fabry-Perot)腔來(lái)掃描入射的寬帶光,光在2個(gè)高反射鏡組成的腔體內(nèi)發(fā)生Fabry-Perot干涉,每一個(gè)時(shí)刻只有一種波長(zhǎng)的光透過(guò)這個(gè)腔體,當(dāng)探測(cè)器得到與光柵的反射波波長(zhǎng)相同的光波的時(shí)候,記錄此刻驅(qū)動(dòng)PZT的電壓值,經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到光柵反射波長(zhǎng),從而得到外界振動(dòng)、溫度等信息。
圖3 PZT驅(qū)動(dòng)F-P腔掃描示意圖
由于PZT的響應(yīng)速度有限,上限幾百赫茲,使得這種方法只適用于測(cè)量靜態(tài)或低頻變化的物理量。研究表明,XLPE電力電纜局放產(chǎn)生的超聲波的主要頻段是60~300 kHz[22-23],因此對(duì)于電纜局部放電產(chǎn)生的高頻超聲振動(dòng)信號(hào),在現(xiàn)有PZT響應(yīng)速度較慢的情況下,光纖光柵法并不適用。
1.3.2 光干涉法
光干涉法是關(guān)于光強(qiáng)度變化的方法,例如強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感技術(shù)、相位調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)。相位調(diào)制型傳感原理本質(zhì)是光的干涉解調(diào),其與強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感相同,是以干涉條紋的光強(qiáng)度來(lái)表征振動(dòng)信息的變化。干涉法測(cè)局放的結(jié)構(gòu)如圖4所示,從光源發(fā)出的光在經(jīng)過(guò)耦合器均等分配后變成兩路,一路被外界的振動(dòng)等信息調(diào)制,一路作為參考信號(hào),兩路信號(hào)在耦合器發(fā)生干涉后輸出,根據(jù)干涉信號(hào)強(qiáng)度的變化可以檢測(cè)外部電氣信息。
干涉法能快速反應(yīng)外界信息的變化,頻率響應(yīng)快,分辨率高。從理論上說(shuō),用它來(lái)測(cè)量XLPE電力電纜局部放電信號(hào)是可行的,具體方法下節(jié)闡述。
1.3.3 其他方法
現(xiàn)有研究表明,基于光頻率變化的檢測(cè)技術(shù),即利用光學(xué)多普勒頻移效應(yīng)的頻率調(diào)制型光纖傳感器技術(shù)[9]的空間分辨率高,具有跟蹤快速變化的能力。但是當(dāng)前對(duì)它的研究都是對(duì)流體速度測(cè)量的應(yīng)用。雖然在理論上它可測(cè)量頻移為1.6 MHz的信息,但是,它的結(jié)構(gòu)構(gòu)造不符合XLPE電纜局部放電的測(cè)量需要,同時(shí)關(guān)于其他物理量測(cè)量方面的研究還需進(jìn)一步探討。
圖4 干涉法測(cè)局部放電超聲振動(dòng)示意圖
同常規(guī)的高壓電器設(shè)備絕緣監(jiān)測(cè)方法相比,光纖技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)越性。1)光纖細(xì)而柔軟,可以做成非常小巧的光纖傳感器,放置在小孔或縫隙中,用來(lái)測(cè)量某些特殊對(duì)象、場(chǎng)合的參數(shù)。2)光纖導(dǎo)光性好,損耗低。光纖傳輸頻帶寬,可以無(wú)失真?zhèn)鬏斝盘?hào)。3)光纖傳感器不受電磁場(chǎng)(EMI)的干擾。當(dāng)光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí),它不會(huì)與電磁場(chǎng)產(chǎn)生作用,因而信息在傳輸過(guò)程中抗電磁干擾能力強(qiáng)。4)絕緣性能好。光纖是非金屬材料,不導(dǎo)電,其外層涂敷材料硅膠亦不導(dǎo)電,因而光纖的絕緣性能好。5)防爆,耐腐蝕。由于光纖內(nèi)部傳輸?shù)氖悄芰亢苄〉墓庑盘?hào),一般不會(huì)產(chǎn)生火花、高溫、漏電等不安全因素,光纖傳感器的安全性能好;另外光纖為非金屬材料,耐腐蝕,因此特別適用于易燃、易爆、強(qiáng)烈腐蝕性的環(huán)境中。能測(cè)量超聲振動(dòng)等信號(hào)的光干涉法有3種:邁克爾遜(Michelson)干涉,馬赫-澤德?tīng)柛缮妫∕ach-Zehnder),法布里-帕羅(Febry-Perot)干涉。
Michelson干涉超聲-光檢測(cè)系統(tǒng)見(jiàn)圖5。整個(gè)系統(tǒng)由光源、光纖繞圈傳感器、2個(gè)3 dB光纖耦合器或者光環(huán)形器、光電信號(hào)處理器以及一根單模光纖連接而成。系統(tǒng)的工作原理[25-26]:使用從光源發(fā)射出的相干光通過(guò)3 dB耦合器分成2個(gè)相等的光束,一束在信號(hào)臂光纖中傳輸,另一束在參考臂光纖中傳輸,外界信號(hào)(超聲波)作用于信號(hào)臂的光纖繞圈探頭,第2個(gè)3 dB耦合器把兩束光再次耦合,兩束光在此發(fā)生干涉,然后沿光纖返回直至光敏元件,從而得到電信號(hào),經(jīng)過(guò)信號(hào)的解調(diào),還原探測(cè)到的外部局部放電相關(guān)信號(hào)。
圖5 Michelson干涉超聲-光檢測(cè)系統(tǒng)
文獻(xiàn)[25]利用此方法在充滿SF6的腔體上測(cè)量局部放電,其模擬的局部放電信號(hào)的頻率是100 kHz,光纖傳感器系統(tǒng)得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換后,得到局部放電信號(hào)的光譜測(cè)試如圖6所示。從圖6可以看出,實(shí)際測(cè)出的信號(hào)在頻率稍高的部分衰減很嚴(yán)重,和理論計(jì)算有很大差別??紤]到交聯(lián)聚乙烯材料的聲阻大,檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度需足夠高。與傳統(tǒng)的UHF高頻脈沖電流傳感器相比,邁克爾遜干涉法的靈敏度不夠高。此外,與壓電超聲波傳感器類似,存在超聲波傳播的多路徑問(wèn)題[27]。除了檢測(cè)到沿最短距離傳播過(guò)來(lái)的超聲波,還有沿其他路徑傳播過(guò)來(lái)的振動(dòng)信號(hào)。傳感光纖繞在腔體上的形式和位置都對(duì)信號(hào)的獲取有著很大的影響。此外,參考臂與信號(hào)臂的光路不同,外部振動(dòng)、溫度等干擾對(duì)信號(hào)影響很大,給信息的解調(diào)與辨別帶來(lái)極大的困難。
圖6 邁克爾遜法測(cè)GIS局部放電信號(hào)光譜
全光纖Mach-Zehnder干涉光-超聲檢測(cè)裝置與圖4所示大致相同。系統(tǒng)的工作原理[27-32]:從光源發(fā)射出的相干光通過(guò)3 dB耦合器分成2個(gè)相等的光束,一束在信號(hào)臂光纖中傳輸,另一束在參考臂光纖中傳輸,外界信號(hào)作用于信號(hào)臂的光纖繞圈探頭 (超聲波等擠壓光纖,導(dǎo)致其形變),第2個(gè)3 dB耦合器把兩束光再耦合,并又分成兩束光經(jīng)光纖傳送到2個(gè)探測(cè)器中。根據(jù)雙光束相干原理,2個(gè)光探測(cè)器收到的光強(qiáng)分別為
式中,I0為光源發(fā)出的光強(qiáng);α為耦合系數(shù);Φ為信號(hào)臂與參考臂之間的相位差,其中包括外界待測(cè)信號(hào)引起的相位差。式(1)表明Mach-Zehnder干涉將外界信號(hào)引起的相位變化變換成了光信號(hào)強(qiáng)度變化。信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)慕庹{(diào),得到局部放電的超聲波振動(dòng)信號(hào)。Mach-Zehnder干涉的解調(diào)方法有多種:強(qiáng)度解調(diào)法,頻域解調(diào)法和相位解調(diào)法等。強(qiáng)度解調(diào)法對(duì)噪聲相當(dāng)敏感,不易控制;頻域解調(diào)法的算法實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜;本文認(rèn)為相位解調(diào)技術(shù)是比較可行的。為了消除光傳輸和光源的不穩(wěn)定性,相位解調(diào)技術(shù)分為零差法、外差法,以及基于3×3的光纖耦合器的零差解調(diào)法。
1)零差法。零差法包括被動(dòng)零差(Passive Homodyne)和主動(dòng)零差(Active Homodyne),主要區(qū)別在于主動(dòng)零差包括反饋器件,可根據(jù)輸出信號(hào)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)本身做出主動(dòng)控制。根據(jù)文獻(xiàn)[13]綜合:
式中,I為干涉后的光強(qiáng);s為傳感器光強(qiáng)對(duì)相位變化的靈敏度,當(dāng)Δφ=nπ時(shí),靈敏度最低;當(dāng)Δφ時(shí),靈敏度最高。為了使傳感器工作在最高靈敏度狀態(tài),需要使得如圖4中的參考臂和信號(hào)臂的相位差始終保持在正交狀態(tài),防止初始相位工作點(diǎn)由于外界環(huán)境的微擾,處于不斷的隨機(jī)變化中,而給后續(xù)的相位調(diào)制帶來(lái)極大困難。因此,在信號(hào)臂受到外界信號(hào)調(diào)制的時(shí)候,需要參考臂不斷調(diào)整相位,保證兩臂處于正交狀態(tài)。調(diào)制參考臂的相位一般使用壓電陶瓷(PZT)驅(qū)動(dòng)電壓改變來(lái)達(dá)到目的。對(duì)于達(dá)到300 kHz的高頻振動(dòng)而言,與光纖光柵法遇到的問(wèn)題類似,PZT的驅(qū)動(dòng)頻率不夠。
2)外差法。合成外差檢測(cè)法的原理和零差檢測(cè)法有相通之處,都是對(duì)一個(gè)頻譜比較復(fù)雜的信號(hào)進(jìn)行濾波,提取出2個(gè)低頻信號(hào),然后重新合成為一個(gè)新的信號(hào),該信號(hào)的相位就包含了被測(cè)量的信息;和零差法一樣,需要PZT驅(qū)動(dòng)調(diào)制,同樣遇到頻率上限的瓶頸,不適合與檢測(cè)高頻率的振動(dòng)信號(hào)。
3)基于3×3耦合器的零差解調(diào)法?;?×3耦合器的零差解調(diào)法是一種比較新的解調(diào)技術(shù),是伴隨相位解調(diào)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的,其基本光路如圖7所示[31]。
圖7 3×3的光纖耦合器解調(diào)方法的原理圖
圖中,激光源發(fā)出的相干光經(jīng)1×2耦合器分成光強(qiáng)比1:1的兩束光,分別進(jìn)入信號(hào)線圈和參考光纖線圈,再經(jīng)過(guò)3×3對(duì)稱耦合器匯合相干,形成調(diào)制的干涉條紋,在終端采用光電探測(cè)器檢測(cè)干涉光強(qiáng)的變化。在光纖參量基本恒定的情況下,信號(hào)臂與參考臂之間的相位差變化正比于被測(cè)光強(qiáng)的變化。但是其信號(hào)的解調(diào)與提取復(fù)雜,實(shí)際應(yīng)用中靈敏度不夠高。
一塊硅膜與光纖末端就構(gòu)成了一個(gè)F-P腔。如圖8所示,法布里-帕羅(Febry-Perot)干涉光-振動(dòng)法的整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)由傳感器探頭、光源、耦合器、光電信號(hào)處理器(光敏元件+高速信號(hào)處理器)以及單模光纖連接而成,簡(jiǎn)稱為F-P干涉法檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作原理為[32-35]:從光源發(fā)射出的單色光經(jīng)過(guò)3 dB耦合器(環(huán)形器),沿著光纖傳入傳感探頭,入射光在光纖纖芯-氣體交界面上發(fā)生第1次Fresnel反射,約4%的光反射回光纖,其余約96%的入射光進(jìn)入腔體,經(jīng)過(guò)鍍有金屬的膜反射后,再進(jìn)入光纖??梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)薄膜的反射率或傾斜角,使約4%的光反射回光纖,這樣可以在兩束光發(fā)生干涉后得到最大的對(duì)比度。在耦合器(環(huán)形器)處發(fā)生干涉,得到的光強(qiáng)為
式中,I0是光源發(fā)射光強(qiáng);R為反射系數(shù);l為光纖末端到硅膜內(nèi)表面的腔體長(zhǎng)度。從式(3)可以看到,干涉后的光強(qiáng)只和腔長(zhǎng)有關(guān),當(dāng)外界的超聲振動(dòng)信號(hào)通過(guò)硅膜調(diào)制腔時(shí),輸出的光強(qiáng)發(fā)生變化,經(jīng)過(guò)信號(hào)解調(diào),可以得到超聲振動(dòng)信息,從而得到局部放電的狀態(tài)。
圖8 法布里-帕羅(Febry-Perot)干涉光-振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)
F-P干涉法相比于另外2種干涉法最大的優(yōu)點(diǎn):1)由于信號(hào)光(從薄膜反射的光)和參考光(由光纖端面反射的光)經(jīng)過(guò)完全相同的傳輸路徑,光纖沿線的擾動(dòng)同時(shí)作用到信號(hào)和參考光,不會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果,測(cè)量只受F-P腔長(zhǎng)的影響。2)由于干涉儀的關(guān)鍵部分是空氣腔,光在其中傳輸時(shí)偏振態(tài)不會(huì)發(fā)生變化,信號(hào)光與參考光的偏振態(tài)一致,能夠達(dá)到最大的干涉對(duì)比度。3)靈敏度高,方向性好,抗干擾能力強(qiáng)。能抑制超聲振動(dòng)多路徑傳播帶來(lái)的影響。4)F-P干涉檢測(cè)系統(tǒng)的探頭微小,如圖9所示??梢宰鳛橐环N點(diǎn)式傳感器。對(duì)XLPE電力電纜在線監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)部位,例如對(duì)終端、中間接頭、交叉互聯(lián)箱等,F(xiàn)-P傳感器探頭可以很方便地安裝在電纜的這些重點(diǎn)部位,進(jìn)行局部放電的檢測(cè)。
圖9 法布里-帕羅(Febry-Perot)干涉光-振動(dòng)傳感頭
此外,F(xiàn)-P光-振動(dòng)法的檢測(cè)頻帶較寬。XLPE電纜局部放電時(shí)產(chǎn)生的超聲波的能量集中在50 kHz至400 kHz頻段,其峰值頻率主要在70~200 kHz之間,而現(xiàn)場(chǎng)超聲波噪聲干擾頻率大多低于60 kHz,所以檢測(cè)系統(tǒng)的頻率選定為60~300 kHz比較合適。相比于馬赫-澤德?tīng)柛缮娣?,F(xiàn)-P干涉法的檢測(cè)頻率是可調(diào)的。
根據(jù)文獻(xiàn)[35]研究表明,F(xiàn)-P干涉法的響應(yīng)頻率決定于F-P腔的硅膜。如式(4)所示
式中,α是與振動(dòng)模式相關(guān)的常數(shù);R是腔室內(nèi)徑;h為膜的厚度;g為重力常數(shù);w是膜片的質(zhì)量;D為剛性曲度,是與材料相關(guān)的常數(shù)。由此可知,系統(tǒng)的響應(yīng)頻率與膜的厚度成正比關(guān)系,與膜的面積成反比關(guān)系,可以根據(jù)不同頻率特性的局部放電來(lái)調(diào)整設(shè)計(jì)F-P檢測(cè)系統(tǒng)。
XLPE電力電纜局部放電產(chǎn)生電磁、光、聲波等信息,本文結(jié)合光學(xué)方法討論如何通過(guò)測(cè)量這些信息,從而得到局部放電狀態(tài)。從光本身的波長(zhǎng)、強(qiáng)度、偏振態(tài)、相位、頻率等特性出發(fā),結(jié)合局放特性分析,比較了直接探測(cè)可見(jiàn)光法、電磁效應(yīng)法、光-振動(dòng)法等幾種測(cè)量方法,重點(diǎn)討論了用光纖干涉法測(cè)量局部放電超聲振動(dòng)信號(hào),即光-振動(dòng)法。
文章分析了邁克爾遜(Michelson)干涉、馬赫-澤德?tīng)枺∕ach-Zehnder)干涉、法布里-帕羅(Febry-Perot)干涉這3種光干涉法得出結(jié)論:法布里-帕羅(Febry-Perot)干涉法測(cè)局部放電優(yōu)點(diǎn)突出,有很顯著的應(yīng)用價(jià)值。而法布里-帕羅(Febry-Perot)干涉法在當(dāng)今國(guó)際上仍處于實(shí)驗(yàn)室階段,國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究剛起步。對(duì)于XLPE電力電纜局部放電測(cè)量而言,超聲-干涉光檢測(cè)作為一種新的非電量檢測(cè)法,鑒于其自身的特點(diǎn),隨著電力系統(tǒng)對(duì)XLPE電力電纜可靠性要求的不斷增長(zhǎng),將會(huì)有很大的發(fā)展空間。今后可以將其運(yùn)用于局部放電實(shí)際檢測(cè)和定位,特別是在多種復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境中,如公路下方、變電站出口等,光-振動(dòng)法據(jù)有良好的抗干擾性能。本文認(rèn)為此方法的研究前景廣闊,并將對(duì)其進(jìn)行深入研究。
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