結合FBG-FP的變壓器局部放電光纖全方向傳感研究

吳柯潔, 陳偉根*, 張知先, 宋雨軒, 田皓元, 李 萌, 劉 帆

1. 重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室, 重慶 400044 2. 國網湖北省電力科學研究院, 湖北 武漢 430000

引 言

電力變壓器是電力系統的核心設備之一, 其絕緣狀態關系到電網的運行情況。 絕緣性能是決定電力變壓器能否安全穩定運行的重要因素, 局部放電是絕緣劣化的標志之一, 進行變壓器局部放電檢測能夠及時發現絕緣缺陷, 保障設備安全運行[1]。

局部放電檢測方法主要包括脈沖電流法、 特高頻法與超聲檢測法[2]。 超聲檢測法操作簡單、 應用便捷, 可實現局部放電定位[3-4]與模式識別[5], 目前已廣泛應用于變壓器局部放電檢測。 傳統的超聲檢測法是將PZT安裝于變壓器外壁使用, 局部放電產生的超聲波經變壓器殼體阻擋產生衰減后才被PZT接收, 靈敏度較低。 隨著光纖傳感技術的快速發展, 其在電氣設備狀態監測領域的應用受到廣泛關注。 光纖超聲傳感器結構簡單、 易于復用、 抗電磁干擾、 方便內置于變壓器中使用, 可以取得較高的檢測靈敏度, 是進行局部放電檢測的理想選擇[6-9]。

近年來, 諸多學者已對局部放電檢測光纖傳感器開展了研究。 馬賓等搭建了基于FBG的局部放電傳感系統, 該系統具有波長漂移反饋回路, 可消除溫度變化對系統性能的影響[10]。 周宏揚等研究了基于Michelson干涉原理的光纖超聲傳感系統, 該系統局部放電檢測靈敏度高于傳統的PZT傳感系統[11-12]。 張偉超等設計了外置式的局部放電檢測光纖FP傳感器, 該傳感器具有可耦合超聲波的前端增敏結構[13-14]。 張知先等提出了一種基于光纖FP傳感器的多頻超聲傳感陣列, 提高了局部放電檢測的靈敏度與準確度[15]。

以往的研究主要關注提高傳感器的靈敏度, 而很少考慮到傳感器的方向響應特性。 局部放電會發生在變壓器內部存在絕緣缺陷的任何位置, 為盡可能地避免漏檢局部放電信號, 應保證局部放電的全方向高靈敏檢測。 當前, 局放檢測光纖傳感器普遍存在高靈敏檢測范圍有限這一問題。 當局放源正對傳感器時, 局部放電產生的超聲波將垂直傳播至傳感器聲敏結構, 此時傳感器靈敏度較高; 當局放源位于傳感器側向時, 只有部分超聲波能被聲敏結構接收, 傳感器靈敏度將下降。

針對上述問題, 基于FBG與FP腔傳感原理提出了一種結合FBG-FP的變壓器油中局部放電光纖全方向傳感方法。 本文介紹了FBG及FP腔的傳感原理, 基于變壓器油中局部放電的頻譜特性與液相環境中膜片的振動模型設計了超聲感應膜片, 研制了具有FP腔傳感部分與FBG傳感部分的局部放電光纖全方向傳感器, 搭建了光纖局部放電傳感系統, 在變壓器油中測試了傳感器的頻率響應特性、 方向響應特性以及局部放電檢測特性。 所研制的光纖全方向傳感器高靈敏檢測范圍較廣, 靈敏度較高, 在變壓器局部放電檢測領域具有較好的應用潛力。

1 FBG及FP傳感器工作原理

1.1 FBG傳感器工作原理

光纖布拉格光柵(FBG)相當于光纖纖芯內的一個窄帶反射鏡, 當一束寬帶光注入FBG中, 只有以布拉格波長為中心的窄帶光在光纖內被反射。 當FBG受到外部環境影響時, 其布拉格波長會發生偏移。 FBG布拉格波長滿足如式(1)所示光學方程

λB=2neffΛ

(1)

式(1)中:λB為布拉格波長,neff為纖芯有效折射率,Λ為柵格周期。

采用光譜邊緣解調法檢測局部放電, 原理如圖1所示。 將窄帶光源的輸出波長設置在FBG反射光譜邊帶斜率最大處, 局部放電產生的超聲波作用于FBG使其反射光譜發生偏移, 導致反射光功率變化, 通過光電探測器測量光功率變化可實現局部放電傳感。

圖1 光譜邊緣解調法原理

1.2 FP傳感器工作原理

光纖FP傳感器是根據多光束干涉原理設計制作的。 非本征型光纖FP傳感器由光纖端面和感應膜片形成干涉腔, 其干涉原理如圖2所示。

圖2 多光束干涉原理

光源發出的入射光到達光纖端面后, 一部分光反射回光纖, 另一部分光折射入FP腔后在光纖端面和膜片表面發生多次折反射, 最后返回光纖形成多光束干涉。 干涉光光強IR可表示為[16]

(2)

其中

(3)

式(2)和式(3)中:I0為入射光光強,R1、R2分別為光纖端面和膜片的反射率, Δδ為相鄰兩光束之間的相位差,n為FP腔折射率,λ為入射光波長,L為FP腔腔長。 由式(2)和式(3)可知, 干涉光光強IR主要由FP腔腔長L決定。 局部放電產生的超聲波會引起感應膜片振動, 從而改變FP腔腔長, 導致干涉光光強變化, 通過解調光強信號可檢測局部放電。

2 實驗部分

2.1 傳感器研制及傳感系統搭建

2.1.1 傳感器研制

圖3為設計的局部放電光纖全方向傳感器結構示意圖。

圖3 局部放電光纖全方向傳感器結構

傳感器探頭采用25 mm×25 mm×25 mm的長方體結構, 由白色樹脂材料經3D打印制得。 探頭各棱邊均設計為圓角, 使其內置于變壓器使用時, 周圍電場分布更均勻。 探頭中空結構用于插入單模光纖形成FP腔, 四個側面用于形成FBG傳感結構。 對FBG進行膜片式增敏封裝, 先用紫外固化膠將FBG沿徑向固定于膜片表面, 如圖4所示, 再將膜片固定于探頭上。

圖4 膜片式封裝FBG Fig.4 Diaphragm-type package FBG

為使傳感器具有較高的局放檢測靈敏度與準確度, 應合理設計傳感膜片的諧振頻率。 典型油紙絕緣局部放電激發的超聲信號頻率主要集中在20～400 kHz, 不同類型局部放電的超聲信號頻譜存在明顯差異, 單一諧振頻率超聲傳感膜片的高靈敏響應頻帶難以覆蓋各類型局部放電[17]。 變壓器內部結構復雜, 超聲波在傳播過程中會受到繞組、 鐵芯等固體結構的阻擋產生衰減, 超聲信號頻率越高, 衰減幅度越大[18]; 同時, 變壓器內部的聲學噪聲主要集中在低頻段[19]。 因此, 將傳感器的FBG傳感膜片諧振頻率設計為20～60 kHz, FP腔傳感膜片諧振頻率設計為60～120 kHz, 通過兩種不同諧振頻率傳感膜片的超聲信號響應實現局部放電的靈敏、 準確檢測。

膜片工作在變壓器油中, 液相環境中四周固定且單面與液體接觸的圓形膜片諧振頻率為[20]

(4)

式(4)中:E、ρ、μ、a和h分別為圓形膜片的楊氏模量、 密度、 泊松比、 有效振動半徑和厚度,ρm為膜片所處液體的密度, 本工作中特指10#變壓器絕緣油,ρm=895 kg·m-3。 選用鍍有高反介質膜的康寧玻璃(E=73.6 GPa,ρ=2 380 kg·m-3,μ=0.23)作為FP腔傳感膜片, 膜片尺寸為:r1=1.7 mm,h1=0.165 mm, 其理論諧振頻率為82 kHz; 選用單晶硅(E=180 GPa,ρ=2 330 kg·m-3,μ=0.278)作為FBG傳感膜片, 尺寸為r2=2.5 mm,h2=0.1 mm, 其理論諧振頻率為25.6 kHz。 研制的光纖全方向傳感器如圖5所示。

圖5 局部放電光纖全方向傳感器

2.1.2 傳感系統搭建

圖6為搭建的光纖局部放電傳感系統。

圖6 光纖局部放電傳感系統結構圖

本系統包括FP腔傳感部分與FBG傳感部分。 超窄線寬激光器UNFSRL-1550-10-SM-FA-M4作為FBG傳感部分的光源, 激光器輸出光經1×4耦合器分成4束光分別進入4個FBG, 經FBG返回的輸出光通過1×4耦合器耦合后輸入至光電探測器; DFB可調諧激光器AP3350A作為FP腔傳感部分的光源, 經FP腔返回的干涉光輸入至另一光電探測器。 傳感系統中1×4光纖耦合器分光比為1∶1∶1∶1, 光電探測器型號為2053-F-M。 圖7和圖8分別為FP腔的干涉光譜與4個FBG的反射光譜。 檢測局部放電時, 調節可調諧激光器AP3350A的輸出波長在FP腔干涉光譜斜率最大處(1 545.7 nm), 輸出功率為13 dBm。 調節激光器UNFSRL-1550-10-SM-FA-M4輸出功率為20 mW, 由于其輸出為波長1 550 nm的超窄線寬(1 kHz)激光, 因此使用中心波長為1 550.1 nm、 3 dB帶寬為0.3 nm的FBG, 此時激光器輸出光波長位于FBG反射光譜邊帶上, 傳感系統可正常工作。 由實驗可知FBG傳感部分靈敏度低于FP腔傳感部分, 因此將FP腔傳感部分的光電探測器放大倍數設置為100倍, FBG傳感部分的光電探測器放大倍數設置為300倍。

圖7 FP腔干涉光譜

圖8 FBG反射光譜

2.2 光纖全方向傳感器性能測試

2.2.1 傳感器頻率響應測試

利用式(4)進行了傳感膜片的尺寸設計, 通過斷鉛實驗確定變壓器油中傳感膜片的實際諧振頻率。 變壓器油中膜片接收到鉛筆芯折斷產生的沖擊波做衰減振動, 對膜片振動響應進行頻譜分析可獲得其諧振頻率。 使用直徑0.5 mm的HB鉛筆在鋼板上進行斷鉛實驗, 斷鉛位置與膜片相距10 cm, FP腔傳感膜片與FBG傳感膜片的斷鉛沖擊響應如圖9所示。 由圖9可知, FP腔傳感膜片的實際諧振頻率為71.4 kHz, FBG傳感膜片的實際諧振頻率在23 kHz左右。 膜片諧振頻率實際值與理論值之間存在誤差, 原因是膜片通過紫外固化膠固定在探頭上, 膠水的存在改變了膜片的振動特性, 諧振頻率因此發生變化。

圖9 膜片斷鉛沖擊響應

2.2.2 傳感器方向響應測試

在變壓器油中測試傳感器的方向響應, 油箱尺寸為1.0 m×0.5 m×0.5 m, 油箱四周與底部均放置吸聲棉防止超聲波的反射。 以傳感器為坐標原點, FP腔傳感膜片法線為Z軸建立空間球面坐標系, 在球面坐標系中取R=15 cm,θ=0°、 15°、 30°、 …、 180°做圓周, 在圓周上依次取φ=0°、 30°、 60°、 …、 330°設置聲源點, 如圖10所示。 超聲波由信號發生器驅動壓電晶體產生, 信號發生器輸出2 Vpp正弦波信號, 頻率依次設置為FP腔傳感膜片與FBG傳感膜片的諧振頻率。 分別使用FP腔傳感部分與FBG傳感部分對各個聲源點發出的超聲波信號進行檢測, 每個聲源點各保存10組數據作峰峰值平均, 檢測結果如圖11所示。

圖10 方向響應實驗示意圖

圖11 局部放電光纖全方向傳感器方向響應

由圖11可知, FP腔傳感部分與FBG傳感部分對同圓周上不同位置聲源的檢測結果波動性較小, 傳感器具有等幅全向性。 傳感器對不同位置聲源的超聲信號響應有所不同, 當聲源正對傳感膜片時, 膜片的振幅最大, 傳感器靈敏度最高, 當聲源相對于傳感膜片呈一定角度時, 超聲波信號不能完全被傳感膜片接收, 傳感器靈敏度將下降。 將每個θ下FP腔傳感部分與FBG傳感部分對各聲源點的檢測值做峰峰值平均, 針對FP腔傳感部分, 將不同θ的檢測值與0°的檢測值求比值, 針對FBG傳感部分, 將不同θ的檢測值與90°的檢測值求比值, 得到兩傳感部分在0°～180°的角度衰減曲線, 如圖12所示。

圖12 局部放電光纖全方向傳感器角度衰減曲線

由圖12可知, FP腔傳感部分與FBG傳感部分的高靈敏檢測范圍有限。 對于FP腔傳感部分, 當θ>60°時, 超聲響應已衰減至50%以下; 對于FBG傳感部分, 當θ小于30°或者大于150°時, 超聲響應已衰減至40%以下, 此時傳感器的靈敏度下降。 由此可知, 單一傳感膜片存在明顯的檢測盲區, 無法實現超聲信號全方向的靈敏檢測。 在局部放電光纖傳感探頭正面封裝了FP腔傳感膜片, 四個側面封裝了FBG傳感膜片, 共有5個傳感膜片用于接收超聲信號, 拓寬了傳感器的高靈敏檢測范圍。 本設計的光纖全方向傳感器結合FP腔傳感部分與FBG傳感部分的超聲響應對局部放電進行檢測, FP腔傳感部分與FBG傳感部分的高靈敏檢測范圍互補, 避免了明顯的檢測盲區, 可實現局部放電全方向靈敏檢測。

2.2.3 傳感器局放檢測性能測試

基于搭建的局部放電測試系統開展傳感器的局放檢測性能測試, 實驗系統如圖13所示。 試驗油箱尺寸為0.5 m×0.3 m×0.3 m, 注入變壓器油, 局部放電模型為金屬尖端放電。 光纖傳感器置于油箱內部, 將PZT固定于油箱外壁進行對比檢測。 光纖傳感器與PZT放置于局放模型不同側, 均正對局放源與其相距10 cm。

圖13 局部放電測試系統結構圖

進行傳感器局放檢測性能測試之前, 先對局部放電量進行標定。 用校正脈沖發生器對金屬尖端放電模型依次發出50和100 pC的標準脈沖波, 檢測阻抗輸出電壓分別為60與120 mV, 由脈沖電流法測量原理計算可得局部放電量q與檢測阻抗輸出電壓V滿足:q=0.83 V。 完成標定后, 分別將FP腔傳感膜片與FBG傳感膜片正對局放源, 對放電模型加壓, 當光纖傳感器檢測到超聲信號時停止升壓, 并記錄此時檢測阻抗、 光纖傳感器與PZT的檢測結果, 如圖14所示。 如圖14(a)所示, FBG傳感部分局部放電檢測下限為83.8 pC, 此時光纖傳感器的響應幅值明顯高于PZT; 如圖14(b)所示, FP腔傳感部分局部放電檢測下限為27.1 pC, 此時PZT未檢測到局部放電信號。 由實驗結果可知, 本工作設計的光纖全方向傳感器檢測靈敏度高于PZT, 可實現變壓器局部放電靈敏檢測。

圖14 光纖全方向傳感器局部放電檢測結果

3 結 論

基于FBG與FP腔傳感原理提出了一種結合FBG-FP的變壓器油中局部放電光纖全方向傳感方法, 研制了局部放電光纖全方向傳感器并進行了性能測試, 得到以下結論:

(1)研制的局部放電光纖全方向傳感器通過FP腔傳感部分與FBG傳感部分共同對局部放電進行檢測, FP腔傳感膜片諧振頻率為71.4 kHz, FBG傳感膜片諧振頻率為23 kHz左右, 設置不同諧振頻率的傳感膜片可以提高傳感器局部放電檢測靈敏度, 利用該傳感器還可進行局部放電模式識別。

(2)傳感膜片局部放電超聲信號響應與局放源的位置有關。 局部放電光纖全方向傳感器FP腔傳感部分與FBG傳感部分的高靈敏檢測范圍彼此互補, 避免了明顯的檢測盲區, 傳感器具有良好的方向響應性能, 可實現局部放電的全方向靈敏檢測。 通過傳感器兩傳感部分對局部放電的檢測結果還可實現局部放電定位。

(3)設計的局部放電光纖全方向傳感器可實現油中局部放電超聲信號的有效檢測, 其FP腔傳感部分局部放電檢測下限為27.1 pC, FBG傳感部分局部放電檢測下限為83.8 pC, 傳感器檢測靈敏度高于PZT, 可內置于變壓器實現局部放電靈敏檢測。