周洪毅，張 朋，李云龍，李志斌，孫海明，周 揚(yáng)

(1.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030；2.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司物資公司，哈爾濱 150091)

光學(xué)電場(chǎng)傳感技術(shù)在絕緣子特性檢測(cè)中的應(yīng)用研究

周洪毅1，張 朋1，李云龍2，李志斌1，孫海明1，周 揚(yáng)1

(1.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030；2.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司物資公司，哈爾濱 150091)

為了將光學(xué)電場(chǎng)傳感技術(shù)應(yīng)用到絕緣子的劣化研究中，基于pockels效應(yīng)設(shè)計(jì)了一套可解決現(xiàn)有劣質(zhì)絕緣子需停電接觸式檢測(cè)、受溫濕度影響大等不足的新型光學(xué)傳感檢測(cè)系統(tǒng)，具有可在線(xiàn)不接觸檢測(cè)、操作簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確性和效率高等優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)分析驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性。研究結(jié)果表明，光學(xué)電場(chǎng)傳感檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高壓環(huán)境下絕緣子劣化的帶電非接觸式測(cè)試，對(duì)解決高壓環(huán)境下絕緣子的不接觸式檢測(cè)難題具有重要指導(dǎo)意義。

光學(xué)電場(chǎng)傳感技術(shù)；絕緣子；帶電檢測(cè)

近年來(lái)，隨著超高壓及特高壓交直流工程的不斷發(fā)展，絕緣子[1]運(yùn)行在更高的電壓等級(jí)下，其絕緣性能下降及發(fā)生故障的概率顯著增加[2-3]，會(huì)造成絕緣子炸裂而導(dǎo)致線(xiàn)路掉線(xiàn)，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行。高壓領(lǐng)域的絕緣子特性檢測(cè)主要圍繞接觸式和停電檢測(cè)兩個(gè)方向[4]，由于接觸式檢測(cè)安全系數(shù)低，易受外界環(huán)境影響，而停電檢測(cè)耗費(fèi)大量人力物力，影響系統(tǒng)效率[5]，因此亟需開(kāi)展帶電絕緣子非接觸式在線(xiàn)檢測(cè)方面的研究。光纖電場(chǎng)傳感技術(shù)能夠在高壓環(huán)境下不受電磁場(chǎng)干擾，在不接觸到絕緣子金具端的條件下在線(xiàn)測(cè)量絕緣子串電場(chǎng)分布[6]，從而實(shí)現(xiàn)劣化絕緣子的定位，克服了現(xiàn)有劣質(zhì)絕緣子需帶電接觸式檢測(cè)的不足，極大地提高了劣化絕緣子的檢測(cè)效率[7]。本文從在線(xiàn)非接觸式絕緣子劣化檢測(cè)的角度出發(fā)，針對(duì)當(dāng)前檢測(cè)中存在的各種缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了光學(xué)電場(chǎng)傳感檢測(cè)系統(tǒng)，提高了絕緣子特性檢測(cè)的易操作性和準(zhǔn)確性。光學(xué)電場(chǎng)傳感檢測(cè)系統(tǒng)能用于檢測(cè)絕緣子運(yùn)行狀態(tài)，而且不會(huì)短路良好絕緣子，并通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)分析驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。

1 技術(shù)原理

1.1 檢測(cè)原理

由于絕緣子性能下降時(shí)其絕緣電阻降低，其表面電壓及內(nèi)、外電場(chǎng)重新分布，因此可以通過(guò)電場(chǎng)測(cè)量的手段來(lái)表征絕緣子的劣化情況[8]。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，變化的電場(chǎng)伴隨著變化的磁場(chǎng)，此時(shí)絕緣子周?chē)鷮a(chǎn)生一個(gè)時(shí)變電磁場(chǎng)，絕緣子等效成形狀不規(guī)則的不均勻電介質(zhì)，此時(shí)絕緣電阻阻值仍然較高，只流過(guò)及其微弱的泄漏電流，并不會(huì)對(duì)電場(chǎng)分布造成明顯影響，可忽略不計(jì)。絕緣子的特性檢測(cè)問(wèn)題可等效為求解在時(shí)變電磁場(chǎng)中不規(guī)則、不均勻電介質(zhì)的電場(chǎng)分布問(wèn)題。

絕緣子的電場(chǎng)分布如圖1所示。在圖1中，良好絕緣子軸向電場(chǎng)分布曲線(xiàn)光滑上升，如曲線(xiàn)B；低值或零值絕緣子，在故障處電位固定，電位的變化率拉低至零，場(chǎng)強(qiáng)驟然降低，該特變奇點(diǎn)破壞了場(chǎng)強(qiáng)連續(xù)性，電場(chǎng)分布曲線(xiàn)也不再光滑，而是在相應(yīng)的位置上下陷，如曲線(xiàn)A。當(dāng)故障漸變嚴(yán)重時(shí)，曲線(xiàn)更加下凹，最終絕緣子損壞。通過(guò)測(cè)量絕緣子串每個(gè)絕緣子的場(chǎng)強(qiáng)，得到電壓分布曲線(xiàn)，經(jīng)分析判斷，便可確定絕緣子的缺陷位置。

圖1 絕緣子電場(chǎng)分布圖Fig.1 Electric field distribution of insulators

1.2 Pockels效應(yīng)

晶體的折射率隨外加電場(chǎng)強(qiáng)度變化發(fā)生改變，場(chǎng)強(qiáng)變化可以通過(guò)光強(qiáng)變化表征出來(lái)，即電光效應(yīng)。折射率與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系為

n=n0+αE0+bE02

(1)

式中：a和b為常數(shù)；E0為一次場(chǎng)強(qiáng)基準(zhǔn)；n0為E0=0時(shí)的折射率。一次場(chǎng)強(qiáng)aE0引起的晶體折射率變化，即一次電光效應(yīng)或Pockels效應(yīng)。晶體上的電場(chǎng)方向與光的傳播方向垂直時(shí)產(chǎn)生的Pockels

效應(yīng)，稱(chēng)為橫向Pockels效應(yīng)，如圖2所示。

入射光通過(guò)起偏器后轉(zhuǎn)化為振動(dòng)方向平行于X軸的線(xiàn)偏振光，光通過(guò)晶體后發(fā)生雙折射，相位偏移，經(jīng)1/4波片轉(zhuǎn)化為圓偏振光，再經(jīng)檢偏器轉(zhuǎn)化為平行于Y軸的線(xiàn)偏振光，相位變化轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)變化，從而反映電場(chǎng)變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣子的非接觸式在線(xiàn)檢測(cè)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光電傳感器的研發(fā)

2.1.1 光源的設(shè)計(jì)

光源需要考慮的相關(guān)指標(biāo)包括光功率和壽命。在光功率足夠大時(shí)，一方面降低了耦合工藝的要求，另一方面也簡(jiǎn)化了光電探測(cè)和放大電路設(shè)計(jì)，由于雜散光和外界光的影響可以在光功率超過(guò)1mW以后變得可以忽略不計(jì)，因此ASE光源較LED光源更適合遠(yuǎn)距離光纖傳輸和空間光的直接耦合測(cè)量。當(dāng)設(shè)備應(yīng)用于戶(hù)外時(shí)，使用電池供電，在模塊化的光源中ASE光源的自身功耗比LED光源大得多。

綜上所述，LED光源使用壽命較長(zhǎng)，其中心波長(zhǎng)受溫度及工作電流影響較大，容易引起相位延遲和精度偏差。ASE光源極大地提高了光功率和穩(wěn)定性，本文實(shí)驗(yàn)即采用ASE光源。

2.1.2 感應(yīng)材料的設(shè)計(jì)

電光效應(yīng)傳感器的感應(yīng)材料直接決定傳感器的穩(wěn)定性和靈敏度。折射率越大，電光系數(shù)越大，晶體靈敏度越高。大多數(shù)晶體不僅具有電光效應(yīng)，還同時(shí)伴隨著熱釋電效應(yīng)、旋光性、雙折射等干擾效應(yīng)，從而破壞了傳感器的穩(wěn)定性。BGO、BSO、KDP晶體無(wú)上述干擾效應(yīng)，可以作為感應(yīng)材料。其中，BGO晶體光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，介電常數(shù)小，已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化，不含任何金屬，對(duì)空間本身電場(chǎng)的影響可以忽略，是本實(shí)驗(yàn)選取的感應(yīng)材料。

2.1.3 起偏器的設(shè)計(jì)

圖2 晶體橫向Pockels效應(yīng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of crystal lateral Pockels effect

理想無(wú)偏振光源不需要使用起偏器，實(shí)際光源輸出光有一定偏振度。經(jīng)過(guò)一段距離的單模光纖傳輸后，最終輸出準(zhǔn)直透鏡時(shí)變成有一定偏振度并且偏振方向不確定的光。如果傳輸距離比較遠(yuǎn)，無(wú)法避免光纖抖動(dòng)影響時(shí)，就必須加入起偏器，而且消光比越高越好。

2.1.4 1/4λ玻片的設(shè)計(jì)

玻片在需按照正方形來(lái)制作，其對(duì)角線(xiàn)的方向就是長(zhǎng)短光軸，要保證將玻片的邊緣貼緊玻璃基板，從而保證方向正確。

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

絕緣子劣化檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。在圖3中，電場(chǎng)測(cè)量?jī)x1通過(guò)光纜2與無(wú)源電場(chǎng)探頭相連；固定件3與橫桿8安裝在垂直桿塔7上，絕緣桿能沿絕緣子垂直方向自由移動(dòng)，絕緣子串9的零電位側(cè)固定在絕緣桿上；將無(wú)源電場(chǎng)探頭5固定在絕緣桿4上，輸電線(xiàn)6連接高壓端，保證電場(chǎng)探頭能沿絕緣子軸向在高壓端和零電位端之間作往返直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

圖3 光電傳感帶電檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of opticalelectric field sensing live detection

3 仿真分析

通過(guò)仿真分析可以獲得理想狀態(tài)下的劣化定位和實(shí)際劣化的關(guān)系，本文基于光電傳感檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立了含有中間零值絕緣子的220kV瓷絕緣子串三維靜電場(chǎng)模型，系統(tǒng)主要包括聯(lián)接金具、導(dǎo)線(xiàn)、均壓環(huán)、瓷絕緣子串等。整個(gè)系統(tǒng)被兩個(gè)空氣體包圍，第一層空氣體為長(zhǎng)9m、寬1.5m、高6m的長(zhǎng)方體；第二層空氣體為長(zhǎng)39m、寬27m、高22m的長(zhǎng)方體，用來(lái)模擬試驗(yàn)大廳環(huán)境。15片雙傘單串懸式瓷絕緣子串高度為160mm，盤(pán)徑為250mm，上下傘片外沿距50mm，傘片內(nèi)沿距10mm，傘厚10mm。在四分裂導(dǎo)線(xiàn)中部懸掛絕緣子串進(jìn)行試驗(yàn)，導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)為8.4m，分裂間距480mm，子導(dǎo)線(xiàn)直徑為27.37mm。導(dǎo)線(xiàn)布置時(shí)與大廳的長(zhǎng)30m邊平行，離地5m。試驗(yàn)中均壓環(huán)安裝在導(dǎo)線(xiàn)頂部，均壓環(huán)中心距上導(dǎo)線(xiàn)為290mm，管直徑為46mm，圓環(huán)部分內(nèi)直徑為490mm，直線(xiàn)部分長(zhǎng)為595mm。對(duì)最上端絕緣子帽、聯(lián)接金具、導(dǎo)線(xiàn)和均壓環(huán)加載高壓Um=220/1.732=127.017 kV，對(duì)最下端絕緣子鋼腳和試驗(yàn)大廳6個(gè)外立面加載0電位。絕緣子傘裙介電常數(shù)取6，電場(chǎng)強(qiáng)度量綱為kV/m。整體電場(chǎng)仿真結(jié)果如圖4所示，良好絕緣子和中間零值絕緣子的場(chǎng)強(qiáng)仿真結(jié)果如表1所示。

圖4 整體電場(chǎng)分布Fig.4 Integral electric field distribution表1 兩種絕緣子的場(chǎng)強(qiáng)仿真結(jié)果Table 1 Field intensity simulationresults of two types of insulators

絕緣子串長(zhǎng)度/m良好絕緣子合成電場(chǎng)/(kV.m-1)中間零值絕緣子合成電場(chǎng)/(kV.m-1)078780.290900.468680.656560.848481.040321.234161.432281.630301.829292.031312.236362.44444

仿真結(jié)果表明：良好絕緣子整體軸向電場(chǎng)強(qiáng)度均勻變化，兩端電壓較中間高；有缺陷的絕緣子在缺陷部位場(chǎng)強(qiáng)驟降，絕緣子缺陷引起的空間電場(chǎng)的變化率隨測(cè)試距離的增加而越小，仿真結(jié)果與理論分析一致。

4 應(yīng)用情況

本文設(shè)計(jì)的光學(xué)電場(chǎng)傳感檢測(cè)系統(tǒng)于2017年3月27日在國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力公司某220kV輸電線(xiàn)路上進(jìn)行應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖5所示。在圖5中，傳感器無(wú)需直接接觸絕緣子串，不受周邊復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾，通過(guò)一次光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)絕緣子場(chǎng)強(qiáng)的光學(xué)反映。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，測(cè)量雙I串時(shí)，測(cè)試靠近測(cè)試人員一側(cè)絕緣子串時(shí)，比較好操作；當(dāng)測(cè)試遠(yuǎn)離測(cè)試人員一側(cè)絕緣子串時(shí)，比較難操作，導(dǎo)致曲線(xiàn)不是特別的光滑，并不影響對(duì)絕緣子劣化程度的判定。根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果分析，該光學(xué)電場(chǎng)傳感系統(tǒng)能夠方便有效地測(cè)試絕緣子串的場(chǎng)強(qiáng)分布，從而反映絕緣子的電氣特性。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，良好絕緣子串和零值絕緣子串測(cè)試結(jié)果差異明顯，A相東向左串絕緣子電場(chǎng)分布曲線(xiàn)光滑上升，而A相西向右串絕緣子電場(chǎng)分布曲線(xiàn)在缺陷處有明顯畸變，與仿真分析結(jié)果一致。該實(shí)測(cè)結(jié)果證明了使用光傳感器絕緣子劣化檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行線(xiàn)路絕緣子劣化檢測(cè)可以清晰有效地判別絕緣子的劣化及缺陷位置，有較高的實(shí)用價(jià)值。

圖5 光電傳感系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖Fig.5 Field detection scheme of optical electric sensingsystem

圖6 A相絕緣子串?dāng)?shù)據(jù)曲線(xiàn)Fig.6 Data curves of phase A insulator string

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)分析劣化絕緣子電場(chǎng)分布特征，設(shè)計(jì)了絕緣子劣化測(cè)試的光電傳感系統(tǒng)，利用純光學(xué)無(wú)源器件實(shí)現(xiàn)敏感信號(hào)拾取，用光學(xué)鏈路進(jìn)行敏感信號(hào)及控制信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)了電效應(yīng)與光效應(yīng)的合理轉(zhuǎn)化，拓展了光學(xué)電場(chǎng)傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)分析表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高壓環(huán)境下絕緣子劣化的帶電非接觸式測(cè)試，有利于電網(wǎng)“劣化絕緣子檢測(cè)”管理，增加了經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，避免了因絕緣子劣化引起的電氣故障造成的經(jīng)濟(jì)損失。

[1] Shen X, Jiang X, Cheng Y, et al. A Novel Method for Live Detection of Faulty Direct Current Insulators[J]. Transactions on Power Delivery, IEEE,2007, 23(1):24-30.

[2] 程養(yǎng)春，李成榕，馬曉華，等．電場(chǎng)法帶電檢測(cè)零值絕緣子的研究[J]．高電壓技術(shù)，2002，28(11)：8-9．

CHENG Yangchun，LI Chengrong，MA Xiaohua，et al．Study on online detection of faulty composite insulators by electric field method[J]．High Voltage Engineering，2002，28(11)：8-9．

[3] 李成榕，程養(yǎng)春．電場(chǎng)測(cè)量法在線(xiàn)檢測(cè)合成絕緣子內(nèi)絕緣缺陷的研究[J]．高電壓技術(shù)，1993，25(3)：39-41．

LI Chengrong，CHENG Yangchun．On-line detection of internal defects of composite insulator by electric field mapping[J]．High Voltage Engineering，1993，25(3)：39-41．

[4] 安玲，江秀臣．檢測(cè)劣質(zhì)絕緣子的新方法：敏感絕緣子法[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002，22(9)：109-112．

AN Ling，JIANG Xiuchen．Sensitive insulator method-a new method to detect the faulty insulator[J]．Proceedings of the CSEE，2009，22(9)：109-112．

[5] Birlasekaran S, Li H J. Detection of faulty insulators on power transmission line[C]// Power Engineering Society Winter Meeting. IEEE, 2002:2817-2821.

[6] Zeng R, Zhang Y, Chen W, et al. Measurement of electric field distribution along composite insulators by integrated optical electric field sensor[J]. Dielectrics & Electrical Insulation, 2008, 15(1):302-310.

[7] Chanxiao L I, Niu B, Rong Z, et al. Detection of Internal Insulation Defects of Composite Insulator Based on Electro-optic Electric Field Sensor[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(8):2422-2428.

[8] Zhang M, Zhang D, Yao C, et al. The measurement method research for leakage current based on LED optical fiber sensor[C]//International Conference on High Voltage Engineering and Application. IEEE, 2012:182-185.

On the application of optical electric field sensing technology in insulator characteristic detection

ZHOU Hongyi1，ZHANG Peng1，LI Yunlong2，LI Zhibin2，SUN Haiming1，ZHOU Yang1

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd., Harbin 150030, China;2. Materials Company of State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd., Harbin 150091, China)

In order to apply the optical electric field sensor technology to the degradation research of insulator, a new type of optical sensing detection system based on Pockels effect is designed to solve the problem that the existing low-quality insulators need contact detection with power failure and are affected by temperature and humidity to a large extent. The new system enables the advantages including online detection without contact, handy operation, high accuracy and high efficiency. By simulation and experimental analysis, The feasibility of the designed system is verified. The results show that the optical field sensing detection system can realize the non-contact detection of the insulator degradation under high pressure environment, which is of great significance to solve the non-contact detection problem of the insulator under high pressure.

optical electric field sensing technology; insulator; live detection

2017-06-09；

2017-10-25。

周洪毅(1985—)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)及自動(dòng)化研究工作。

TM855

A

2095-6843(2017)06-0527-04

(編輯侯世春)