荧光光纤检测技术在电气设备绝缘局部放电在线监测中的应用聂小鹏

荧光光纤检测技术在电气设备绝缘局部放电在线监测中的应用聂小鹏

聂小鹏

（三峡大学电气与新能源学院湖北宜昌443002）

摘要：高压电器设备进行局放在线监测的方法中常用的光纤技术有:F-P干涉超声-光检测法和光纤布喇格光栅超声光学检测法和荧光光纤检测法。本文主要介绍光纤检测技术。

关键词：局放在线监测；F-P干涉超声-光检测法；光纤布喇格光栅超声光学检测法；荧光光纤检测法；

0引言

随着经济的发展和人民生活水平的提高，电力需求快速增长，电网规模不断扩大，电压增加，系统状态检测和维护成了越来越重要的问题。变压器是电力系统中重要的设备之一，关乎整个系统的正常使用。及时了解变压器的运行状况，对现场进行及时的维护和故障排除，降低变压器的故障率，是提高整个电力系统安全运行的重要措施[1]。

近年来，光纤传感技术的飞速发展受到越来越多的关注，并逐渐成为越来越重要的一个光纤产业。光纤传感就是利用光纤作为传输器件或传感器件对要检测的物理量进行监测获取信息，能够实时了解系统或设备的运行情况以及采取相应措施。在电力工业中，变压器电压容量越来越大，整个电力系统越来越复杂与智能化，而传统的机械型传感器、电气型传感器由于本身的机械性或电气特性导致其在高速发展的电力系统中越来越难以发挥作用[2]。

光纤传感技术作为新兴发展的技术，其优势相对于传统传感器显而易见。光纤具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、便于复用、易于成网等诸多特点[3]。对于在电力系统中的传感应用，国内外学者进行了诸多研究，对整个电力系统或变压器的各个状态量进行了传感研究，如温度、微小应变振动、局部放电、油中气体分析等。

选择荧光光纤这种材料作为光效应检测方法的研究对象,主要原因是[1-3]:1)光纤作为放电的光传感元件和传输通道有强抗电磁干扰性能;2)局部放电产生光的谱范围与荧光光纤的光谱范围大部分重叠;3)荧光物质对微弱光线较敏感,而且,和普通通讯光纤相比,荧光光纤可以检测来自各个方向的光,不受数值孔径范围的限制。

目前荧光光纤的研究前沿聚焦在GIS内部SF6局部放电和发电子定子气体绝缘的局部放电或者变压器油内部的局部放电等有利于微光传播的高压电气设备的绝缘监测识别中，所以荧光光纤的应用受制于高压电器设备的结构。

1基本原理—荧光光纤检测技术介绍

荧光光纤在结构上与普通光纤没有区别,都是由纤芯与包层构成,但荧光光纤的纤芯中掺有微量的荧光物质(如稀有元素、荧光染色剂),它具有选择性地吸收特定波段的微光信号的特性[4,5]。当具有一定波长的入射光(如PD产生的微光)从侧面照射荧光光纤时,会穿过光纤的透明包层被纤芯中的荧光物质所吸收,吸收光后的荧光分子中的电子会从基态跃迁到激发态,而处于激发态的电子是不稳定的,当激发态的电子回到基态时,往往以光辐射(通称荧光)形式释放能量(光致发光),这种荧光信号可在光纤中传播进而被检测,这就是荧光光纤传感光信号的原理。

2荧光光纤传感器(探头)

2.1关键技术-传感器参数选择

1)探头的激发光谱

在不同荧光物质里的电子受到外界激发时,都有各自的跃迁能级,并对应有各自的特征荧光光谱(激发光谱与发射光谱)以及荧光量子产率。为使荧光光纤在探测PD时具有较高的灵敏性,应当使荧光光纤的激发光谱与PD产生的光谱相一致。对变压器绝缘油中电晕放电的光谱特性做了大量研究,其光谱主要在324、510和654nm波段处有较大强度;文献[9-11]表明,变压器绝缘油中沿面放电的光谱集中在300～1000nm范围之内。因此,要提高对PD检测的灵敏度,应选择荧光物质的激发光谱在PD所产生的光谱范围,才能保证检测对象的PD所产生的大部分光信号为荧光光纤所接收。

2)探头的发射光谱

发射光谱是反映荧光物质所发射的荧光在各种波长下的相对强度。荧光发射光谱一般具有以下特征:①荧光发射光谱的形状与激发光波长无关;②荧光物质的荧光发射光谱与它的吸收光谱之间存在着“镜像对称”的关系。一般来说,荧光物质的发射光谱是连续的谱带,但是由于斯托克斯频移(StokesShift)的影响,其发射光谱带总是位于激发光谱的长波边。对于荧光分子,其值约为100～200nm。因此,必须考虑StokesShift的影响,选择合适的光电探测器,使其光谱响应覆盖荧光物质的发射光谱。

2.2传感器长度确定

由于荧光光纤(探头)的长度L与接收光信号的能力成正比,即荧光光纤越长,接收PD光信号的表面积就越大,受激产生的荧光分子也就越多,灵敏度也就越高。然而,荧光信号在沿着光纤的传输过程中,由于存在相对大的传输损耗(约300dB/km),从而限制了它的使用长度。因此,作为传感器的荧光光纤长度选择是关键。从图2可以看出,为了保证检测中具有较高的光传输效率(η>0.85),荧光光纤探头的长度不宜超过2m。综合考虑接收能力和传输效率两种因素,本文用于变压器内部PD信号检测的荧光光纤探头长度设计为1m。

3荧光光纤传感系统

基于对以上荧光光纤(探头)传感PD信号原理和主要特性阐述分析,作者研制出一种适用于变压器内绝缘PD检测的荧光光纤传感系统,示意图如图3所示。主要由感应微光信号的荧光光纤探头、传输荧光信号的普通光纤、转换荧光信号的光电探测器以及采集与显示信号的数字示波器等构成。

4应用实例-实测PD信号分析

4.1实验装置的建立

为了测试荧光光纤传感系统检测PD信号的性能,在实验室搭建了模拟变压器油中PD试验的研究平台,采用与已有的PD超高频检测系统作对比测量与分析。当外施电压,能产生稳定的PD。同时采集工频试验电压信号作为描述发生PD的相位参考。

4.2PD实测结果与分析

为了说明光电信号是由于PD所引起,有必要将PD脉冲和光测信号进行对应比较,为此,需要首先确定信号出现的起始和结束时刻,以便获取脉冲信号的持续时间。如图5(b)所示,定义t1为PD脉冲时间,它是脉冲相对幅值大小≥5%的区间;定义t2为PD衰减时间,对衰减极快的超高频PD信号,t2近似为0;而对于光测法信号,当外界微光信号停止照射探头后,由于荧光物质中处于激发态的电子区间,它的大小代表荧光物质的吸收光衰减特性;定义t3为PD信号持续时间,即t3=t1-t2。通过计算各时间列于表中

由表可知,PD持续时间大约在1.5～2.0us,且两种检测方法之间差异不大,相对误差在8%之内。说明光测法检测的信号长度可基本反映PD的持续时间。

验证荧光光纤检测法检测的信号是由PD脉冲所产生,获取同步采集得到的工频周期下PD超高频与光测法脉冲信号的对应波形所示,无论是在脉冲产生的个数还是在PD脉冲发生的相位上,二者都呈现出了良好的对应关系。

5荧光光纤技术小节

1)基于局部放电产生光效应的物理现象,研制出了一种用于PD检测的荧光光纤传感系统,阐述了荧光光纤(探头)感应微光信号原理,根据PD产生微光信号的特点,给出了荧光光纤传感系统的主要参数,建立了模拟变压器油中PD的光测法实验平台,并与超高频法进行了油中针-板间隙PD的对比检测研究。

2)通过对超高频法获取的PD信号波形进行能量累积计算,得到了相应的能量分布曲线,并与光测法获得PD信号曲线进行了相似性比较,发现两者

极为相似(NCC=0.92),说明光测法获取的信号曲线主要表征PD能量大小,而并非简单的电磁脉冲幅值高低。

3)通过工频周期下超高频法和光测法同步采集PD信号表明,无论是PD脉冲产生的数量还是发生的相位,二者都表现出很好的一致性,但得到的脉冲信号大小不同,前者主要反映PD脉冲信号幅值,后者主要反映引起光电效应的PD脉冲能量。

4)通过比较ψ-u-n和ψ-p-n谱图,超高频法与光测法检测的PD信号正负半周放电相位区间相一致,都集中在工频电压峰值附近,表明本文设计的荧光光纤传感系统可用于电气设备PD信号检测。

5)荧光光纤检测适用于监测变压器油中局部放电和GIS气体中的局部放电，不适用于局放发生在绝缘内部不利于光传播的场合。

6F-P干涉和布喇格干涉

6.1F-P干涉和布喇格干涉概述

大量研究表明，采用光干涉法能够实现对超声波的检测。测量超声振动信号的光干涉法有3种：迈克尔逊（Michelson）干涉、马赫-泽德尔干涉（Mach-Zehnder）和法布里-帕罗（Febry-Perot）干涉，其中以法布里-帕罗（Febry-Perot）干涉法测局部放电优点突出，有很显著的应用价值。

6.2光纤布喇格光栅（FBG）超声波检测系统

1)光纤布喇格光栅（FBG）

光纤通常由、纤芯、包层及塑料外壳组成。纤芯和包层之间形成的折射率差使得光能够在光纤内传播。塑料外壳的材料通常为聚丙烯酸酯，其目的是对纤细而脆弱的纤芯及包层起到保护作用。覆盖有聚丙烯酸酯外壳的光纤直径通常也只有250微米。

光纤光栅是利用光纤光栅材料的光敏特性，即当纤芯受到紫外光的照射后，曝光区域的折射率分布会发生永久性的变化，从而在纤芯内形成空间相位光栅。其实质是形成纤芯内形成空间相位光栅，这一段光纤的折射率沿栅区周期性地变化。

光栅作用实质是在纤芯内形成一个窄带（透射或者反射）滤波或反射镜。光纤光栅按结构的空间周期分布是否均匀分为周期性光栅和非周期性光栅。光纤布拉格光栅（FBG，fiberBragggrating）就属均匀周期型光栅。其基本原理是由于光纤纤芯区域折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式耦合，使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性。根据耦合波理论，当满足相位匹配条件时，光栅的布拉格波长为：

其中，λB为布拉格波长；neff为光纤传播的有效折射率；Λ为光栅周期Pe为光纤光栅的有效弹光系数；P11、P12为光纤光栅的光学应力张量分量；v为光纤的Poisson系数。

如图7为FBG工作原理示意图，当一束光源进入光栅后，波长为λB的光将被反射返回，其余波段的光将通过光栅。反射光的中心波长即是光栅的布拉格波长。由式（1）可知，反射波长λB的数值跟光栅周期Λ，光纤纤芯的有效折射率neff有关。任何引起光栅周期和有效折射率发生变化的外界物理量均能间接的使反射光的波长发生变化。因此，外界物理量的变化能够引起反射光波长的漂移。

光纤光栅只对温度和应力敏感，二者的变化使得纤芯的有效折射率和光栅周期发生改变，从而使得布拉格波长改变。温度和应力的影响可以线性叠加，从而可以通过检测布拉格波长的变化，实现对温度或者应力的检测。

2)光纤布喇格光栅（FBG）超声波检测系统

F-P光干涉检测法虽然比较成熟并且改进后的检测法可以进行定位，但是仍有一定的弊端如传感头结构复杂、体积较大等不便于实际应用。针对这些弊端，下面介绍笔者所在课题组研究的一种传感型光纤光栅传感系统

该系统利用光纤布喇格光栅（FBG）作为传感头，其工作原理为光源发出的光经过耦合器传入FBG中，FBG反射光谱经过耦合器传输到光电转换器中，光电转换器将光信号转化成电信号，由数字示波器显示。当超声波作用于FBG时，光纤光栅受到振动的微扰，其输出的反射波波长在一定范围内漂移，从而导致示波器显示的电信号也随之变化。

根据具体原理得出了幅值公式，如式2所示，当输入信号确定时，可以用输出信号强度来定义灵敏度对于该系统，超声信号一定时，可以认为检测幅值就是系统的检测灵敏度为后期灵敏度的提高奠定了基础。

为超声扰动引起的FBG波长变化，S为光谱线性区斜率，P为光电探测器的光电转换率，G为系统增益，若无放大器，则表示光电探测器增益。

参考文献:

[1]欧阳有鹏.电力变压器局部放电荧光光纤检测系统研制[D];重庆大学,2011.

[2]欧阳有鹏,唐炬,张晓星.运用荧光光纤传感器检测高压电力设备局部放电的研究;proceedingsofthe重庆市电机工程学会2010年学术会议,F,2010[C].

[3]唐炬,曾福平,范庆涛,etal.基于荧光光纤检测GIS局部放电的多重分形谱识别[J].高电压技术,2014,40(2):465-73.