郭少朋， 韓 立， 徐魯寧， 高瑩瑩

(1. 中國科學(xué)院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

光纖傳感器在局部放電檢測中的研究進展綜述

郭少朋1,2， 韓 立1， 徐魯寧1， 高瑩瑩1

(1. 中國科學(xué)院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

隨著電力系統(tǒng)容量的增大，電壓等級的提高，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行顯得更加重要。絕緣問題是導(dǎo)致電力設(shè)備故障和事故的主要原因之一，通過局部放電監(jiān)測可以提前判斷電力設(shè)備絕緣狀況、發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷。目前已經(jīng)有多種局部放電檢測方法，光纖傳感器具有安全、絕緣和抗電磁干擾等優(yōu)點，適合安裝在設(shè)備內(nèi)部進行在線監(jiān)測。內(nèi)置式光纖傳感器可準確定位故障源，具有發(fā)展前景。文中首先對局部放電的常規(guī)測量方法、原理參數(shù)及優(yōu)缺點進行了概述,然后介紹了基于超聲波、氫氣、熒光和紫外光檢測的光纖傳感器,詳述了基于超聲波檢測的光纖傳感器的研究進展，分析了研制光纖傳感器的關(guān)鍵參數(shù)和應(yīng)用問題，最后預(yù)期了光纖傳感器的發(fā)展趨勢。

局部放電； 光纖傳感器； 超聲波傳感器； 法布里-珀羅； 綜述

1 引言

絕緣體中放電只發(fā)生在局部區(qū)域，而沒有貫穿施加電壓的導(dǎo)體之間，這種現(xiàn)象稱之為局部放電。局部放電的破壞機理是強電場下電介質(zhì)電離出電子，電子轟擊電介質(zhì)材料，進一步擴增轟擊電子的數(shù)目[1]。局部放電中的電子轟擊、熱、紫外光和生成的腐蝕氣體對絕緣材料產(chǎn)生綜合的破壞作用，根據(jù)這些現(xiàn)象可以對電力設(shè)備中的局部放電進行檢測[2]。光纖傳感器具有絕緣、安全、抗電磁干擾和易于實現(xiàn)在線檢測等優(yōu)點，在高電壓電力設(shè)備中具有較好的應(yīng)用前景。

2 局部放電常規(guī)的檢測方法

局部放電常規(guī)檢測方法性能對比見表1。常規(guī)脈沖電流檢測法是通過檢測變壓器套管末屏接地線、外殼接地線、中性點、鐵心接地線以及繞組中由于局部放電引起的脈沖電流，獲得視在放電量，測試頻率范圍為30kHz～1MHz[3]。

表1 常規(guī)檢測方法性能對比表

射頻法通過電容傳感器、Rogowski線圈和射頻天線傳感器等測試高頻局放電流信號，測試頻率通?？蛇_1～30MHz[3,4]。

設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電時，因殼體表面電流對地傳播，在殼體表面可產(chǎn)生幾個毫伏至幾伏的暫態(tài)對地電壓，通常采用電容傳感器測量暫態(tài)對地電壓，測量頻率范圍為1～100MHz。暫態(tài)對地電壓法多用于高壓開關(guān)柜和電纜的檢測。

超高頻法測試局放電磁波的頻段為300MHz～3GHz，可以避開現(xiàn)場電暈等背景干擾。超高頻法采用時差法進行定位時，對時間精度要求很高，定位難度較大，與超聲波法結(jié)合使用具有較大的優(yōu)勢[5]。

化學(xué)檢測法是指對局部放電的氣體生成物進行檢測。油絕緣設(shè)備常采用三比值法，即根據(jù)C2H2/C2H4、CH4/H2與C2H4/ C2H6的比值來判斷故障類型和局部放電是否發(fā)生。SF6內(nèi)局部放電的生成物為SOF2、SO2F2和SO2等[6]?；瘜W(xué)檢測法較穩(wěn)定，但實時性較差。

采用紫外光成像和紅外熱像儀可以快速對電力設(shè)備外圍及線路進行局部放電監(jiān)測，排除實驗環(huán)境及設(shè)備表面缺陷干擾，但是難以用于設(shè)備內(nèi)部檢測。

IEEE標準建議變壓器局部放電的超聲波測試頻率在20～500kHz之間[7]，從噪聲干擾及靈敏度方面考慮，通常采用的壓電超聲傳感器測試頻率在50～300kHz，中心頻率在150kHz[8]左右。超聲波定位成本低，準確度高。可采用壓電傳感器貼于變壓器等設(shè)備外殼上進行定位測量，該方法較成熟，但是存在外殼對聲波的衰減和傳輸多路徑問題[9]。近年可內(nèi)置于電力設(shè)備中的光纖超聲波傳感器的研究受到重視。

3 光纖傳感器的研究現(xiàn)狀

隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了許多用于電力設(shè)備的光纖傳感器和專門用于局部放電測量的光纖傳感器。光纖傳感器具有其他類型傳感器無法比擬的優(yōu)點是因為光纖本身是二氧化硅等傳光絕緣材料，抗電磁干擾適合用于高電壓電力設(shè)備中；光纖細而柔軟易于安裝于電力設(shè)備的內(nèi)部進行檢測，靈敏度高、速度快。

目前用于局部放電測量的光纖傳感器，按敏感對象可分為光、溫度、氣體、聲波等。其中超聲類光纖傳感器具有局放源定位準確的優(yōu)點，已成為一個研究熱點。

3.1 用于局部放電檢測的光纖傳感器

因為局部放電產(chǎn)生紫外光，所以可以利用紫外光纖直接搜集局部放電產(chǎn)生的紫外光[10]來測量局部放電；但是由于絕緣油的紫外吸收特性[11]，以及光線容易被遮擋等問題，該方法的應(yīng)用受限。

局部放電產(chǎn)生的300～450nm波長光照射熒光光纖可產(chǎn)生450～600nm波長的熒光，經(jīng)普通光纖輸出可以進行局部放電的測量[12]。國內(nèi)清華大學(xué)魏念榮等[13]研究了熒光光纖傳感器，并測試了電機端部裸露銅線的局部放電。重慶大學(xué)唐炬等[14]研究了熒光傳感器的設(shè)計參數(shù)，并與超高頻法對油浸變壓器內(nèi)的局部放電測量做了性能對比。與直接紫外光探測法相比，熒光光纖側(cè)面可以作為接收面，靈敏度提高，但是敏感波長大于400nm，易受到可見光的影響。

文獻[15]采用鍍鈀(palladium)光纖光柵測量油中的H2含量，光柵反射波長移動量與氫氣濃度的靈敏度系數(shù)為0.044pm/ppm；假定波長解調(diào)精度1pm，則氫氣的檢測靈敏度為23ppm；同時驗證了波長移動量不受局部放電產(chǎn)生的CH4、C2H2等其他氣體的影響。

3.2 基于超聲波檢測的局部放電光纖傳感器

3.2.1 光纖耦合器法

光纖耦合器是用兩根扭絞在一起的單模光纖，經(jīng)氫氧焰加熱拉伸，形成一個細腰的熔錐區(qū)，兩根光纖的包層合并在一起，纖芯距離很近形成光波導(dǎo)弱耦合結(jié)構(gòu)。當聲波作用于該耦合結(jié)構(gòu)時，改變了耦合器的分光比，通過測試分光比的變化來測試局部放電產(chǎn)生的聲波[16]。光纖耦合器法工作原理如圖1所示。聲波作用時耦合器分光輸出信號V1、V2發(fā)生變化，V1+V2保持不變。因為光纖耦合區(qū)域較小，試驗中為了提高靈敏度，把耦合區(qū)域粘貼在懸臂梁或者變壓器殼體上，但粘貼在外殼上會帶來低頻噪聲較大的問題。

圖1 光纖耦合器法工作原理Fig.1 Principle of fiber coupler sensor

3.2.2 雙光路干涉法

雙光路干涉法(分為Michelson和Mach-Zehnder兩類結(jié)構(gòu))的測量原理為：激光器發(fā)出的光經(jīng)3dB耦合器分為兩束相干光，其中一束光進入?yún)⒖急?，另一束進入測量臂，聲波作用于測量臂時，改變了測量臂的折射率，使參考臂和測量臂的相位差發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出光強發(fā)生變化。輸出光強W的表達式為：

(1)

式中，W0為光源總功率；V為干涉條紋可見度；φ0為初始相位差；Δφ為相位差的變化量。

光纖Michelson傳感器的測試原理如圖2所示。1996年AbbasZargari把100m單模光纖繞制成直徑30mm的光纖環(huán)，在小型油浸變壓器上實驗了局部放電聲信號的測量[17]；并于2001年把光纖繞在直徑100mm的圓柱型GIS模型外，進行了局放量測試，測試系統(tǒng)的靈敏度取決于繞制光纖的長度[18]。

圖2 光纖Michelson傳感器工作原理Fig.2 Principle of fiber Michelson sensor

光纖Mach-zehnder傳感器的測試原理如圖3所示。1997年ZhaoZhi-qiang將10.5m的單模光纖繞制成直徑為11～14mm的光纖環(huán)(270圈)，再用聚亞安酯固封；研究了其方向特性與聲波長的關(guān)系，證實了正負半波聲壓對光纖環(huán)同時作用時檢測靈敏度降低的問題[19]；研究了采用3×3光纖耦合器的信號解調(diào)方法[20]；該系統(tǒng)的靈敏度達到1Pa[21]。J.E.Posada-Roman將17m的光纖繞制成直徑30mm的環(huán)狀傳感器，傳感器在50～200kHz頻響曲線較平坦，150kHz時測試角度范圍為±30°，最小測試聲壓1.3Pa[22]。文獻[23]研究變壓器套管局部放電的測量方法，試驗了傳感器在固體表面、油和空氣中的頻響特性。

圖3 光纖Mach-zehnder傳感器工作原理Fig.3 Principle of fiber Mach-zehnder sensor

3.2.3 光纖Fabry-Perot傳感器

法珀傳感器(Fabry-Perot,FP)分為本征型法珀干涉儀(IntrinsicFabry-PerotInterferometer,IFPI)和非本征型法珀干涉儀(ExtrinsicFabry-PerotInterferometer,EFPI)兩類。IFPI的諧振腔介質(zhì)是光纖，EFPI的諧振腔是非光纖介質(zhì)。

FP傳感器的工作原理如圖4所示，激光器輸出的光經(jīng)耦合器(或者環(huán)形器)輸入至FP傳感器，F(xiàn)P傳感器由兩個反射面構(gòu)成，它們的干涉結(jié)果再經(jīng)過耦合器(或者環(huán)形器)輸出至光電探測器。聲波改變了兩個反射面之間的光程，導(dǎo)致干涉相位和干涉強度的變化。干涉相位和干涉強度的關(guān)系式為[24]：

(2)

式中，干涉相位δ=4πnL/λ，其中L為諧振腔長度，λ為光波長；Ii為輸入光強；Ir為反射輸出光強；R1和R2分別為諧振腔前后面的反射率。當反射率極低時，多光束干涉可簡化為雙光束干涉；當腔長引起的光束損耗時，R2可以用ηR2(η為光功率損耗系數(shù))近似代替[24]。

1992年T.R.Blackburn研制了長度150m光纖繞制成直徑10cm光纖環(huán)結(jié)構(gòu)的IFPI傳感器。FP諧振腔由鍍銀的全反射末端和鍍銀的部分反射連接端面構(gòu)成[25](如圖4所示)。Lima研究了由光纖布拉格光柵(反射率40%)和光纖末端鍍銀面(反射率98%)構(gòu)成諧振腔的IFPI傳感器，諧振腔長度約25mm[26]。短腔長的IFPI靈敏度較低，文獻[27,28]研制了一對光纖布拉格光柵(反射率50%)構(gòu)成的IFPI傳感器，諧振腔的長度2cm左右，粘接于彈性薄壁圓筒表面，但響應(yīng)頻率降低(峰值頻率1kHz)[28]。

圖4 光纖IFPI傳感器的工作原理Fig.4 Principle of IFPI sensor

用于局部放電測量的EFPI傳感器采用膜片式結(jié)構(gòu)，如圖5所示。聲波作用于石英膜片時，膜片產(chǎn)生振動，改變了諧振腔的長度，導(dǎo)致輸出光強的變化。諧振腔為空氣腔體，光偏振方向穩(wěn)定性高。敏感膜面積小，測試角度大，定位精度高。

圖5 光纖EFPI傳感器的工作原理Fig.5 Principle of EFPI sensor

2001年DengJiangdong等[29]，研制了測量局部放電的膜片式結(jié)構(gòu)EFPI傳感器。組成諧振腔的光纖端面和石英玻璃膜的反射率為4%，石英玻璃管的內(nèi)徑1mm，外徑6mm，石英玻璃膜/板的厚度僅20um；對120kHz的針板局部放電模型進行了測試實驗。WangXiaodong等[30]和趙洪等[31]采用MEMS工藝制作了EFPI傳感器，并對膜片內(nèi)側(cè)做鍍金處理以提高靈敏度。文獻[32,33]對FP傳感器的指向性進行了測試，角度范圍超過±60°，這是由于振動膜片的直徑較聲波波長小。文獻[34]用四個傳感器模擬了定位實驗，證實傳感器布置的分散性越大，越有利于提高定位精度。文獻[33]對局部放電量進行了測試，發(fā)現(xiàn)超聲法測放電量的分散性較大，不適合定量測試。

光纖耦合器法與干涉法相比，受力面積小，靈敏度較低。雙光路干涉法通過增加繞制光纖長度可以提高靈敏度，但是需要維持偏振態(tài)穩(wěn)定等裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性較低；其次光纖環(huán)結(jié)構(gòu)體積較大，存在正負半波聲壓抵消、靈敏度降低等問題，定位準確度較低。短腔長的FP傳感器靈敏度較低，多圈繞制的FP傳感器靈敏度較高。IFPI傳感器以光纖作為諧振腔，存在著類似雙光路干涉法偏振穩(wěn)定性的問題。由于EFPI傳感器采用空氣諧振腔，偏振穩(wěn)定，敏感膜片體積小，靈敏度高，定位精度高，相比較而言較具有優(yōu)勢。到目前為止也僅有EFPI傳感器進行了較成功的定位實驗。

超聲類局部放電光纖傳感器性能對比見表2。

表2 超聲類局部放電光纖傳感器性能對比表

4 超聲波類傳感器的關(guān)鍵問題分析

目前用于局部放電的光纖傳感器，除了超聲波方法，其他類型，如光、氣體、熱等檢測方法，研究較少。下面重點分析超聲波類特別是EFPI傳感器的關(guān)鍵問題。

4.1 雙光路干涉法的關(guān)鍵問題

4.1.1 靈敏度

Michelson和Mach-zehnder法敏感介質(zhì)是光纖本身。光纖受到聲波壓力，折射率發(fā)生變化，干涉相位產(chǎn)生變化。長度為L的光纖對應(yīng)的光波相位差φ0為：

(3)

式中，n為纖芯折射率；λ為光波長。

聲波壓力ΔP產(chǎn)生的附加相位差為Δφ，則雙光束干涉的靈敏度為[21]：

(4)

式中，p11、p12為光纖的彈光系數(shù)；μ為材料的泊松比；E為材料的楊氏模量。A由光纖種類確定，典型的石英單模光纖S取值為4.9×10-12Pa-1。通過增加光纖長度L實現(xiàn)增加相位φ0，是提高靈敏度的有效辦法。

4.1.2 角度影響

光纖繞成光纖環(huán)存在聲壓抵消的問題。假定一個半徑r的光纖環(huán)，由正對聲波的方向旋轉(zhuǎn)一個角度θ，圓環(huán)上從縱軸頂點開始，α角度位置距離變化量Δx為：

(5)

則聲壓ΔP下整個圓環(huán)總的相位變化量為[21]：

(6)

局部放電頻率150kHz時油中聲波波長λ1在1cm左右，而光纖環(huán)直徑一般略大于1cm，靈敏度受角度影響較大。角度特性與被測聲波波長密切相關(guān)，理論上被測聲波頻率越高波長越小，靈敏度受角度影響越大。

4.2 IFPI傳感器的關(guān)鍵問題

IFPI傳感器的敏感介質(zhì)是光纖本身，反射率較低時，多光束干涉可等效為雙光束干涉，IFPI的靈敏度和角度問題與雙光路法基本相同。高反射率IFPI傳感器因多光束干涉，干涉條紋非常銳利，靈敏度高。相對于雙光束干涉，當條紋精細度系數(shù)K>>1時，靈敏度SFP提高為[35]：

(7)

這時的靜態(tài)工作相位應(yīng)設(shè)置為[35]：

(8)

式中，K=4R/(1-R)2，R為IFPI傳感器光纖兩端的反射率。IFPI傳感器可以通過提高R來提高傳感器的靈敏度。

4.3 EFPI傳感器的關(guān)鍵問題分析

4.3.1 靈敏度

膜片式EFPI傳感器的柔性膜片在聲壓作用下凸凹變化。圓形固支膜中心撓度Δη與受到壓強ΔP的關(guān)系為[36]：

(9)

式中，a為膜片半徑；h為膜片厚度；μ為泊松比；E為材料的楊氏模量。提高壓強-撓度的靈敏度可以提高傳感器靈敏度。

優(yōu)化反射率也是提高靈敏度的重要方法。由式(2)可知，當R1與R2相等時干涉條紋的對比度為1，考慮到法珀傳感器的腔長損耗，應(yīng)當設(shè)計R1=ηR2，其中光耦合效率η與L有關(guān)，R2應(yīng)盡可能接近1，以降低光損耗。

4.3.2 共振頻率設(shè)計

膜片式傳感器對聲波的敏感特性與頻率關(guān)系密切，當膜片的共振頻率與被測聲波頻率接近時，振動效果將顯著增強。膜片在空氣中振動的一階自由頻率為[36]：

(10)

在液體介質(zhì)中，膜片的共振頻率衰減為[36]：

(11)

式中，ρ為密度；ρ0為周圍液體密度。

由式(9)可知，增大振動膜直徑減小厚度，可以提高壓力-撓度靈敏度，但是會降低一階頻率。為了保持傳感器一階頻率不變，h與a2應(yīng)保持同比例增大或者縮小。同比例地縮小h與a2可以提高壓強-撓度靈敏度，在膜片強度滿足應(yīng)用的條件下，應(yīng)盡可能縮小h與a2。

4.3.3 環(huán)境溫度問題

變壓器允許油面溫升55℃，假設(shè)環(huán)境最高溫度40℃，則油面溫度可達95℃。溫度變化對法珀傳感器腔長的影響較大，會導(dǎo)致工作點相位的變化和靈敏度的降低。制作低溫漂的傳感器對材料、設(shè)計和工藝要求較高。另一種解決溫度對工作點影響的辦法是改變光源波長來補償溫度對工作點相位的影響?？烧{(diào)諧光源可以采用寬譜光源與可調(diào)諧光濾波器相結(jié)合的方法或者采用可調(diào)諧激光器[37]。

4.3.4 環(huán)境壓力問題

變壓器在注油前需要抽真空，法珀傳感器安裝在變壓器箱體內(nèi)，承受抽真空和油面高度帶來的壓力。壓力會引起法珀傳感器的膜片凸凹形變，甚至存在破壞膜片的危險；另外傳感器所處的油壓不同，會引起工作點相位的變化。為了減小油壓影響，文獻[36]采用了125μm/250μm兩種不同厚度的石英膜，制作了內(nèi)徑2.5mm的傳感器，安裝在不同深度的測量位置；文獻[30]中設(shè)計的法珀腔與外界環(huán)境通過一個直徑0.4mm的小孔貫通，使傳感器膜片免受環(huán)境壓力變化的影響。

4.3.5 電場強度問題

光纖本身可用于強電場環(huán)境，通常不用考慮電場強度，但是EFPI法珀傳感器內(nèi)部因為有微小的空氣腔，在強電場下可能會發(fā)生局部放電，所以在內(nèi)置于變壓器等電力設(shè)備時，應(yīng)該對安裝位置的電場強度予以考慮。文獻[38]采用雙孔光纖，對FP傳感器腔體注入300kPa壓強的SF6，經(jīng)試驗可承受大于10kV/mm的電場強度。

5 結(jié)論

隨著國家電力系統(tǒng)電壓等級的提高，光纖傳感器由于具有天然絕緣優(yōu)勢，在電力系統(tǒng)測試領(lǐng)域中具有較好的應(yīng)用前景。

(1)雖然出現(xiàn)了多種用于局放檢測的光纖傳感器，但是其仍未滿足在線檢測應(yīng)用需求，比如用于氣體成分檢測的光纖傳感器仍很匱乏。

(2)采用單一的傳感器難以滿足局部放電測試的應(yīng)用要求，往往需要對聲、光、電、熱和氣體等多種參量進行綜合分析。光纖傳感器易于組網(wǎng)，采用多種光纖傳感器構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)用于電力設(shè)備局部放電的檢測將是一種發(fā)展趨勢。

(3)成本問題是影響光纖傳感器普及應(yīng)用的一個重要因素。膜片式EFPI傳感器可以采用MEMS工藝批量生產(chǎn)，有利于提高傳感器的一致性并降低成本。波長可調(diào)光源可以較方便地解決干涉類傳感器的工作點穩(wěn)定問題，但目前占系統(tǒng)成本較高。隨著可調(diào)激光器技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器系統(tǒng)的成本將進一步降低，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用將更加廣泛。

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(，cont.onp.80)(，cont.fromp.53)

Review of research on fiber optic sensors for partial discharge detection

GUO Shao-peng1,2, HAN Li1, XU Lu-ning1, GAO Ying-ying1

(1. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The power system stability was emphasized with the increase both of the power capacity and the voltage level. The insulation failure is a main reason resulted in the disaster of the power equipments. The insulation condition of the power equipments could be assessed and some insulation defects could be found previously by partial discharge detection. Among many types of methods applied in partial discharge detection, fiber optic sensors are suitable to be installed inside the power equipments attributed to their characters of insulation, safety, free to electromagnetic interference, and would develop more potentially for the merit of positioning the partial discharge source accurately. In this paper, firstly, the conventional methods, theories and characters about the partial discharge detection were summarized. Next, the fiber optic sensors based on ultrasonic sound, hydrogen, fluorescence and ultraviolet light detection were reviewed. The research progress of the ultrasonic fiber sensors was specified. Then, the key parameters and practical problems of the ultrasonic fiber sensors were analyzed. Finally, the development trend of the fiber optic sensors was anticipated.

partial discharge； fiber optic sensor； ultrasonic sensor； Fabry-Perot； review

2015-03-15

北京市科委科技計劃項目(Z131100005313011)

郭少朋(1974-)， 男， 河南籍， 助理研究員， 博士研究生， 研究方向為光電傳感技術(shù); 韓 立(1970-)， 男， 山西籍， 研究員， 博士， 研究方向為微納加工技術(shù)及智能電氣設(shè)備。

TP216.1; TM835.4

A

1003-3076(2016)03-0047-07