絕緣子沿面局部放電的光電探測(cè)效率分析研究

朱旭亮，何金，2，張黎明，邢向上，陳榮

（1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384；2.天津市電力物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；3.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司，天津 300232）

0 引言

絕緣子是電力設(shè)備中起機(jī)械支撐和電氣隔離作用的關(guān)鍵部位，同時(shí)也是絕緣系統(tǒng)中易受威脅的薄弱環(huán)節(jié)。由制造工藝、運(yùn)輸安裝、應(yīng)力釋放及運(yùn)行過程中造成的絕緣損傷等，都可能引起絕緣子表面異常放電，導(dǎo)致絕緣失效。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣體-絕緣子界面放電特性開展了多項(xiàng)研究，對(duì)絕緣界面放電特性[1]、多物理現(xiàn)象[2]和影響因素[3]有了較為深入的認(rèn)識(shí)，對(duì)放電的實(shí)驗(yàn)表征方法和工程檢測(cè)方法也進(jìn)行了一定的探索，形成了以特高頻法為代表的電磁波檢測(cè)法[4-6]，以超聲法為代表的聲波檢測(cè)法[7-9]，以脈沖電流法和高頻電流法為代表的電流耦合檢測(cè)法[10-11]，還有近年來發(fā)展出的光測(cè)法[12-14]。光測(cè)法在放電基礎(chǔ)特性表征實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮著重要的作用，學(xué)者們主要采用增強(qiáng)型耦合光學(xué)器件（ⅠCCD）[15]和光電倍增管（PMT）[16]獲得放電形貌和光輻射特性；同時(shí)，光測(cè)法因具有較好的抗干擾性和較高的檢測(cè)置信度，在電力設(shè)備局部放電檢測(cè)中凸顯出優(yōu)勢(shì)，例如熒光光纖法[17-18]、多光譜檢測(cè)法[19-21]和紫外脈沖法[22]等。其中，熒光光纖法或熒光光導(dǎo)法的原理是利用熒光光纖對(duì)放電光輻射的頻移特性，并采用光電轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行光脈沖探測(cè)。大多數(shù)塑料熒光裸光纖本身具有良好的絕緣性能和極長(zhǎng)的熒光物質(zhì)半衰期，因此熒光光纖是作為內(nèi)置式光學(xué)耦合方式的首選。20世紀(jì)，熒光光纖最早被用于高能粒子探測(cè)，并通過有效摻雜成為效率較高的閃爍體[23]，基于相同原理，法國(guó)J FARENC等[17]和日本K MUTO[24]將熒光光纖應(yīng)用于局部放電光脈沖的耦合和測(cè)量，奧地利R SCHWARZ等[25]也探索了該方法在變壓器油中局部放電檢測(cè)的有效性。近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者們針對(duì)熒光光纖的應(yīng)用對(duì)象、放電識(shí)別、傳感器融合和放電定位方面均開展了一定研究，論證了該方法對(duì)于氣體或氣固界面放電檢測(cè)的應(yīng)用潛力。另一方面，熒光光纖法已應(yīng)用于開關(guān)設(shè)備的弧光監(jiān)測(cè)與保護(hù)中，并將短路故障的光現(xiàn)象作為啟動(dòng)保護(hù)的重要判據(jù)[26]。雖然熒光光纖對(duì)氣固界面放電或氣體放電檢測(cè)的有效性得到了充分的論證，但其檢測(cè)系統(tǒng)的對(duì)象適用性、參數(shù)配合和參數(shù)優(yōu)化方面的系統(tǒng)性研究相對(duì)較少，絕緣子表面放電發(fā)射光譜的熒光激發(fā)效率、光纖光學(xué)參數(shù)配合以及光電器件的參數(shù)優(yōu)化等影響測(cè)量效果的關(guān)鍵因素還需要進(jìn)一步研究和明確。

本文從絕緣子表面放電光輻射特性的一般規(guī)律出發(fā)，對(duì)影響熒光光纖測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵問題進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究。由于熒光激發(fā)效率與放電發(fā)射光譜分布直接相關(guān)，本研究首先針對(duì)絕緣子表面放電建立光電聯(lián)合試驗(yàn)系統(tǒng)，獲得相應(yīng)的光脈沖和積分光譜分布；基于上述試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)熒光光纖的激發(fā)效率進(jìn)行計(jì)算，給出光纖選型的依據(jù)。此外，本文還對(duì)光電倍增管光譜響應(yīng)和信噪比影響因素進(jìn)行試驗(yàn)和分析，以期為熒光光纖局部放電檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)、參數(shù)優(yōu)化及傳感器融合提供參考和依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

研究使用的光電聯(lián)合試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖1(a)所示。該系統(tǒng)電學(xué)部分包括工頻交流高壓源（100 kV/50 kVA）、限流保護(hù)電阻（1 MΩ）、耦合電容（2 000 pF）、高壓探頭（P6015A）、高頻電流傳感器（ⅠPC-500L）及多功能高壓試驗(yàn)腔體（150 kV）；光學(xué)及光電部分包括光纖準(zhǔn)直器（25°，1.491sr）、多模石英光纖（400 μm）、光纖光譜儀（USB 2000）、光電倍增管（PMT，Zolix S1-CR131）及熒光光纖測(cè)量系統(tǒng)。試驗(yàn)腔體預(yù)置有石英光學(xué)玻璃觀察窗，用于PMT的光子探測(cè)和光學(xué)形貌的拍攝。其中，高壓試驗(yàn)腔體內(nèi)部放置棒-板結(jié)構(gòu)的絕緣子放電模型，用于模擬典型強(qiáng)垂直分量沿面放電[1]，如圖1(b)所示，高壓棒電極直徑為8 mm，接地板電極直徑為6 cm，棒電極和板電極的邊緣等效半徑均為1 mm，絕緣子采用環(huán)氧樹脂（E51）制作，其厚度為2 mm，直徑為8 cm。

圖1 光電試驗(yàn)系統(tǒng)及絕緣子沿面放電模型Fig.1 Photoelectric test system and insulator surface discharge model

由光纖檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成原理可知，決定其檢測(cè)效果的主要因素包括絕緣子放電光輻射對(duì)光纖的熒光激發(fā)效率、熒光光纖發(fā)射光譜與光電器件響應(yīng)特性的配置、光電器件的光電轉(zhuǎn)換效率及其信噪比。因此本研究首先對(duì)絕緣子表面放電的積分光譜進(jìn)行測(cè)量，通過積分光譜分布來計(jì)算熒光光纖激發(fā)效率，為光纖選型和光纖熒光物質(zhì)摻雜提供依據(jù)。

試驗(yàn)采用逐級(jí)升壓法，通過單光子探測(cè)確定絕緣子局部放電光學(xué)起始電壓（PDⅠV），并分別測(cè)量初始放電（U=1.2 PDⅠV）、放電加?。║=2.0 PDⅠV）和臨近擊穿（U=3.0 PDⅠV）狀態(tài)下的光脈沖局部放電相位分解（PRPD，phase resolved partial discharge）圖譜和積分光譜分布；試驗(yàn)中，各電壓施加階段下的PRPD圖譜累計(jì)時(shí)間與光譜累計(jì)時(shí)間保持相同，大約為300個(gè)工頻周期（約5 s）。試驗(yàn)調(diào)整施加電壓（U=1.3 PDⅠV），并逐級(jí)調(diào)整光電倍增管（PMT）驅(qū)動(dòng)偏壓（Vbias=400～1 200 V），分析驅(qū)動(dòng)電壓水平和連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)測(cè)量系統(tǒng)信噪特性的影響。

2 絕緣子沿面放電光脈沖統(tǒng)計(jì)特性及積分光譜

放電本身具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，因此本文中放電脈沖測(cè)量和光譜測(cè)量均采用統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行分析。通過光電測(cè)量系統(tǒng)，同步獲得不同放電強(qiáng)度下的放電光脈沖PRPD圖譜、積分光譜及放電形貌，并再此基礎(chǔ)上分析放電光譜的一般性規(guī)律，為光電測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)配合建立基礎(chǔ)。

2.1 放電統(tǒng)計(jì)特性及積分光譜研究

圖2為1.2 PDⅠV、2.0 PDⅠV和3.0 PDⅠV下絕緣子沿面放電的光脈沖PRPD圖譜、積分光譜分布及放電形貌，其中光脈沖統(tǒng)計(jì)周期數(shù)為250，光譜積分時(shí)長(zhǎng)為5 s，CCD曝光時(shí)長(zhǎng)為50 ms。由圖2(a)中PRPD圖可知，強(qiáng)垂直電場(chǎng)分量的絕緣子沿面放電極性效應(yīng)較弱，當(dāng)電壓超過PDⅠV后，正半周和負(fù)半周幾乎同時(shí)出現(xiàn)光脈沖，并分布于過零點(diǎn)至峰值附近的相位區(qū)間內(nèi)，這與實(shí)際中開關(guān)柜支撐絕緣子或套管末端放電檢測(cè)到的放電特征相一致；由圖2(a)中放電形貌圖可知，放電通道延伸區(qū)域半徑較小，放電的光輻射強(qiáng)度相對(duì)較弱；由圖2(a)中積分光譜分布圖可知，光譜主要成分為空氣中氮?dú)獾姆烹姲l(fā)射光譜，300～450 nm譜段內(nèi)主要為N2（C-B）第二正帶系分子譜帶，600～900 nm譜段內(nèi)主要為N2（BA）第一正帶系分子譜帶，而在391 nm附近的N2（BX）第一負(fù)帶系譜線強(qiáng)度相對(duì)較低，其他主要為激發(fā)態(tài)N或N+光譜 成 分[27]，777 nm（5S0-5P）和844nm（3S0-3P）譜線主要為空氣中氮?dú)夂脱鯕夤舱褡V帶OⅠ所引起[28]。除此之外，在656 nm附近出現(xiàn)的高強(qiáng)度譜線主要為氫原子激發(fā)譜線（Hα），而該譜線在空氣間隙或氮?dú)忾g隙放電發(fā)射譜線中強(qiáng)度相對(duì)較弱，因此該譜線的出現(xiàn)與絕緣子有機(jī)材料參與沿面放電有關(guān)，根據(jù)P BRUGGEMAN等[29]的研究，656 nm附近Hα譜線寬度與N+在此處的譜線寬度相重合，Hα譜線的實(shí)際峰值波長(zhǎng)為656.3 nm。

由圖2(b)中PRPD圖可知，隨著施加電壓的升高，正、負(fù)半周放電光輻射強(qiáng)度、脈沖頻次和相位分布范圍均有所提高；由圖2(b)中放電形貌圖可知，此時(shí)的放電通道長(zhǎng)度進(jìn)一步延伸，絕緣子上的電暈形貌區(qū)域半徑也進(jìn)一步增大，并偶爾伴隨一些較明亮的放電樹枝；由圖2(b)中積分光譜分布圖可知，放電發(fā)射光譜的主要分布特征保持不變，但490～600 nm譜段內(nèi)光譜強(qiáng)度有所增加，503 nm附近譜線強(qiáng)度上升明顯，OⅠ777 nm和844 nm共振譜帶強(qiáng)度也相應(yīng)增加。上述變化也預(yù)示著放電通道溫度提高，電子溫度和電子密度也相應(yīng)增加。

由圖2(c)中PRPD圖可知，隨著施加電壓進(jìn)一步升高直至臨界擊穿前，正、負(fù)半周放電光輻射強(qiáng)度、脈沖頻次和相位分布范圍顯著增大；由圖2(c)中放電形貌圖可知，放電光輻射強(qiáng)度顯著提高，絕緣子表面放電區(qū)域半徑進(jìn)一步增大，并且放電通道由細(xì)密的特征變?yōu)槊髁凛^粗的特征；由圖2(c)積分光譜分布圖可知，放電發(fā)射光譜在N2（C-B）300～450 nm譜段和490～600 nm譜段內(nèi)光譜強(qiáng)度均有所增加，503 nm附近譜線強(qiáng)度進(jìn)一步提高，OⅠ777 nm和844 nm共振譜線強(qiáng)度維持不變，但線寬增加，這可能與流注放電向先導(dǎo)放電轉(zhuǎn)變?cè)斐傻耐ǖ罍囟壬哂嘘P(guān)，屬于熱的多普勒致寬效應(yīng)[30]。

圖2 絕緣子不同沿面放電強(qiáng)度下的PRPD圖譜、積分光譜分布及放電形貌Fig.2 PRPD spectra,integral spectrca,and discharge morphologies of insulator surface discharge at different levels of voltage

為了對(duì)比分析光電探測(cè)系統(tǒng)對(duì)絕緣子放電光輻射的檢測(cè)效率和參數(shù)匹配效果，統(tǒng)一繪制試驗(yàn)中不同放電強(qiáng)度下的多組積分光譜，并得到其上下限包絡(luò)和平均值，如圖3所示。下文中對(duì)光電測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)配合的計(jì)算均采用絕緣子沿面放電發(fā)射光譜的強(qiáng)度均值。

圖3 絕緣子沿面放電發(fā)射光譜強(qiáng)度均值分布Fig.3 Average distribution of emission spectra of insulator surface discharge

2.2 熒光光纖激發(fā)效率探究

熒光裸光纖激發(fā)效率取決于光纖光子捕獲效率和激發(fā)光譜響應(yīng)能力。其中，光子捕獲效率由熒光光纖包層材質(zhì)和芯材的光學(xué)性質(zhì)所決定，與熒光材料摻雜的濃度無明顯關(guān)系；同時(shí)，被捕獲光子中能夠引起熒光激發(fā)效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)比例由放電發(fā)射光譜和光纖激發(fā)光譜共同決定。因此，熒光裸光纖對(duì)放電光輻射的激發(fā)效率（ηex,λ）可由式（1）進(jìn)行估算。

式（1）中：TE為光纖對(duì)光子的捕獲效率；rex,λ為捕獲光子引起的熒光激發(fā)強(qiáng)度。根據(jù)J D WEⅠSS的研究[23]，TE主要由光纖材料的光學(xué)性質(zhì)決定，其計(jì)算如式（2）所示。

式（2）中，nc1和nc0分別為光纖包層材料和纖芯材料的光折射系數(shù)。由于光纖的熒光發(fā)射強(qiáng)度與激發(fā)光的光譜和強(qiáng)度均相關(guān)，為了反映光纖的熒光發(fā)射強(qiáng)度受激發(fā)光的光譜和強(qiáng)度的量化關(guān)系影響，本文采用光纖入射光強(qiáng)度與熒光激發(fā)光強(qiáng)度在波長(zhǎng)λ上的幾何均值計(jì)算得到rex,λ，如式（3）所示。

式（3）中，I′inc,λ和EXλ分別為放電發(fā)射光譜約化強(qiáng)度和熒光激發(fā)光譜約化強(qiáng)度分布。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，積分上下限為熒光激發(fā)光譜分布范圍邊界。

為了比較熒光光纖的激發(fā)效率，選取兩種用于放電測(cè)量的典型PS芯材熒光光纖進(jìn)行計(jì)算和比較。表1為兩種熒光光纖的基本參數(shù)、熒光激發(fā)強(qiáng)度(rex,λ，λ=250～900 nm)以及激發(fā)效率(ηex,λ，λ=250～900 nm)。

圖4為兩種PS熒光光纖對(duì)絕緣子沿面放電發(fā)射光譜的熒光激發(fā)光譜約化強(qiáng)度分布（EXλ）、熒光發(fā)射強(qiáng)度分布（rex,λ）和rex,λ的積分強(qiáng)度。

圖4 兩種PS熒光光纖的EXλ、rex,λ及rex,λ積分強(qiáng)度Fig.4 EXλ,rex,λ and integral intensity of rex,λ of two PS fluorescent optical fibers

由圖4可知，在絕緣子沿面放電發(fā)射光譜范圍內(nèi)，光纖Ⅰ相比光纖ⅠⅠ能夠在更大的光譜范圍內(nèi)被激發(fā)。采用式（4）對(duì)rex,λ在整個(gè)放電發(fā)射光譜范圍內(nèi)的積分進(jìn)行計(jì)算可知，光纖Ⅰ的整體激發(fā)效率高于光纖ⅠⅠ，兩者的比較如表1所示。

表1 兩種典型的PS熒光光纖基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of two PS fluorescent optical fibers

需要指出的是，光纖對(duì)放電光子的耦合并不完全由熒光光纖的激發(fā)效率決定，對(duì)于入射光譜不在熒光激發(fā)光譜范圍內(nèi)的光子仍然能夠按照式（2）的比例被捕獲，并由光纖傳導(dǎo)至光電轉(zhuǎn)換器件。

3 熒光光纖檢測(cè)系統(tǒng)綜合效率對(duì)比及影響因素分析

絕緣子沿面放電的光輻射強(qiáng)度較低，放電的持續(xù)時(shí)間較短，經(jīng)熒光光纖耦合得到的光信號(hào)需要通過高靈敏的光電器件來進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。PMT作為一種量子效率高、光電增益大且響應(yīng)速度快的單光子探測(cè)器件，是放電光輻射檢測(cè)的首選[19]，因此其光譜響應(yīng)特性與放電發(fā)射光譜和熒光光纖發(fā)射光譜的配合，決定了最終光電轉(zhuǎn)換的效率；同時(shí)，PMT是利用外光電效應(yīng)進(jìn)行光電子放大，因此陰極施加電壓的大小不但會(huì)影響其增益，還會(huì)影響其噪聲水平。下面針對(duì)上述問題對(duì)光電探測(cè)裝置的參數(shù)配合和優(yōu)化進(jìn)行討論。

3.1 光電倍增器的參數(shù)匹配

通過熒光光纖進(jìn)入光電倍增器的光子主要由兩部分構(gòu)成，一部分為經(jīng)熒光激發(fā)效應(yīng)轉(zhuǎn)置為發(fā)射光譜范圍內(nèi)的光子，另一部分為未經(jīng)熒光激發(fā)而經(jīng)由光纖直接傳輸?shù)墓庾印Ｒ虼斯怆姳对銎鞯墓庾V響應(yīng)特性對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率的影響較為顯著。為了描述光電倍增器與耦合光子的光譜匹配程度（或光電轉(zhuǎn)換效率），本研究引入光電轉(zhuǎn)換光譜匹配效率（ηoe）來對(duì)其進(jìn)行估算，并忽略光纖內(nèi)部瑞利散射和光譜吸收效應(yīng)，如式（5）所示。

式（5）中，I′em,λ為熒光發(fā)射光譜約化強(qiáng)度，其值由未引起熒光效應(yīng)的入射光強(qiáng)度和熒光激發(fā)強(qiáng)度兩部分組成，其值可由式（6）計(jì)算；QEλ為光電轉(zhuǎn)換器件約化光量子效率。

濱松公司的端窗型R3896和微型R12900U是兩個(gè)最具代表性的高效率單光子探測(cè)器，被廣泛應(yīng)用于光子計(jì)數(shù)、弱光探測(cè)以及放電光輻射表征中，其光量子效率曲線如圖5所示。本研究以上述兩種典型光電倍增器為例，對(duì)熒光光纖局部放電檢測(cè)系統(tǒng)的綜合效率進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算得到的光電轉(zhuǎn)換光譜匹配效率（ηoe，λ）光譜分布如圖6所示。雖然絕緣子沿面放電發(fā)射光譜具有一定的隨機(jī)性，但仍然可認(rèn)為在多個(gè)工頻周期下放電積分光譜成分被均勻地轉(zhuǎn)置為熒光發(fā)射光譜，此時(shí)熒光光纖局部放電檢測(cè)系統(tǒng)光電單元的綜合效率（p）可由式（7）進(jìn)行計(jì)算。

圖5 不同波長(zhǎng)下光量子效率曲線圖Fig.5 Light quantum efficiency curve at different wavelengths

式（7）中，ks,λ為熒光光纖對(duì)激發(fā)波長(zhǎng)λ的移相系數(shù)，在未經(jīng)測(cè)定的情況下，對(duì)于實(shí)際光學(xué)參數(shù)優(yōu)化可將其設(shè)置為1；λ1、λ2分別為熒光激發(fā)光譜分布范圍的上、下界。由圖6中R3896和R12900U兩種PMT的匹配效率波長(zhǎng)分布計(jì)算結(jié)果可知，R3896在250～900 nm內(nèi)的光譜匹配效率高于R12900U。

圖6 不同波長(zhǎng)下ηoe,λ分布圖Fig.6 The ηoe,λ at different wavelengths

3.2 驅(qū)動(dòng)電壓和工作時(shí)長(zhǎng)對(duì)信噪比的影響

對(duì)于真空外場(chǎng)光電效應(yīng)的光電倍增管，其原理決定了其必然會(huì)受到雜散光干擾、電磁場(chǎng)偏置和熱電子發(fā)射的影響，最終體現(xiàn)在PMT的信噪比上。因此在構(gòu)建光纖局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，需要考慮實(shí)際運(yùn)行工況的影響。理論上，影響光纖測(cè)量系統(tǒng)的內(nèi)在因素主要是光電轉(zhuǎn)換器件的工作性能。一般而言，光電器件的信噪比（SNR）由式（8）決定。

式（8）中：S為光信號(hào)強(qiáng)度；p為光電單元的綜合效率；A為光電增益；Ng為雜散光干擾；Ndark為暗電流干擾（器件熱噪聲）。因此PMT一般采用外殼內(nèi)壁黑化處理降低雜散光干擾（Ng），采用鋁箔屏蔽、坡莫合金屏蔽等措施降低電磁干擾。其中，Ndark為光纖測(cè)量系統(tǒng)的主要噪聲來源，一般可采用強(qiáng)化散熱結(jié)構(gòu)等方式降低熱累積，但其降低效果有限。為了驗(yàn)證熒光光纖光電測(cè)量系統(tǒng)對(duì)絕緣子沿面放電監(jiān)測(cè)的信噪特性和連續(xù)工作的穩(wěn)定性，本研究特別對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓水平和工作時(shí)長(zhǎng)的影響進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

試驗(yàn)采用線形高壓源（0～1 500 V）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并采用低強(qiáng)度絕緣沿面放電作為試驗(yàn)對(duì)象，以平均放電量作為基準(zhǔn)，比較不同驅(qū)動(dòng)電壓水平和連續(xù)工作條件下的測(cè)量系統(tǒng)信噪比變化。試驗(yàn)中，環(huán)境溫度維持為23℃，驅(qū)動(dòng)電壓紋波水平小于0.5%。圖7為不同驅(qū)動(dòng)電壓下測(cè)量系統(tǒng)的信噪比變化。由圖7可知，驅(qū)動(dòng)偏壓由500 V提高至1 000 V時(shí)，SNR由7.6 dB逐漸上升至12.45 dB，當(dāng)驅(qū)動(dòng)偏壓超過1 000 V時(shí)，此時(shí)SNR不再提高反而具有明顯下降的趨勢(shì)，原因在于當(dāng)驅(qū)動(dòng)偏壓在一定范圍變化時(shí)，光電增益A逐漸增加，其增加程度大于Ng和Ndark的增加程度，而當(dāng)驅(qū)動(dòng)偏壓超過一定值時(shí)，Ndark也會(huì)明顯提高，從而成為噪聲主要來源。因此，在實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中可設(shè)置驅(qū)動(dòng)偏壓大致為1 000 V為最優(yōu)。

圖7 不同PMT驅(qū)動(dòng)偏壓下測(cè)量系統(tǒng)的信噪比(SNR)變化Fig.7 Variation of SNR of system with bias voltage of PMT

由于熱噪聲與器件溫升有關(guān)，系統(tǒng)連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)也會(huì)影響信噪比。本研究在環(huán)境溫度為25℃、相對(duì)濕度為52%的自然散熱條件下進(jìn)行了連續(xù)的信噪比監(jiān)測(cè)。圖8為連續(xù)測(cè)量時(shí)間內(nèi)，不同時(shí)刻采集到的光纖局部放電信號(hào)在一個(gè)工頻周期內(nèi)的結(jié)果。由圖8可知，隨著時(shí)間的遞增，熱噪聲水平逐漸提高，由最初的0.9 a.u.提高至2.8 a.u.，并在此水平下逐漸保持不變。圖9為不同連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)下測(cè)量系統(tǒng)信噪比變化。

圖8 絕緣子沿面放電的光纖信號(hào)隨系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間的變化Fig.8 Variation of surface discharge optical fiber signals with operation time of system

由圖9可知，熒光光纖光電測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)量絕緣子沿面放電時(shí)的信噪比隨著連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)的遞增而有所下降，在0～80 min內(nèi)大致下降約0.9 dB后維持不變，這是因?yàn)楫?dāng)器件熱量在連續(xù)工作下不斷累積，最終達(dá)到80 min左右時(shí)與環(huán)境達(dá)到熱平衡，此時(shí)熱噪聲水平不再繼續(xù)變化。當(dāng)不斷提高系統(tǒng)的休眠間隔時(shí)間至40 min左右時(shí)，其初始信噪比可恢復(fù)至最佳狀態(tài)（12.45 dB）。因此，在自然散熱條件和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下，該系統(tǒng)的自溫漂效應(yīng)大致為7%，冷卻恢復(fù)時(shí)間大致為40 min。

圖9 不同連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)下測(cè)量系統(tǒng)信噪比變化Fig.9 Variation of SNR of system with operation time

需要說明的是，光纖連接器和準(zhǔn)直透鏡的透過特性、PMT的端窗尺寸以及光電增益也會(huì)一定程度上影響熒光光纖局部放電檢測(cè)的最終效果，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)予以考慮，本文不再贅述。

4 結(jié)論

針對(duì)開關(guān)設(shè)備內(nèi)部絕緣子沿面放電光輻射特性，對(duì)基于熒光光纖的光電檢測(cè)法的光譜響應(yīng)特性、基本參數(shù)和工作特性進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，掌握了影響測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵性能參數(shù)，得出如下結(jié)論：

（1）通過試驗(yàn)獲得不同電壓條件下的絕緣子沿面放電光脈沖PRPD譜圖、積分光譜圖以及光學(xué)形貌，可得絕緣子積分光譜圖主要成分為300～450 nm的N2（C-B）第二正帶系、600～900 nm的N2（BA）第一正帶系、391 nm附近的N2（B-X）第一負(fù)帶系、777 nm OⅠ共振譜帶及656 nm附近的氫原子激發(fā)譜線（Hα），并同時(shí)獲得了隨放電強(qiáng)度變化的光譜統(tǒng)計(jì)范圍。

（2）結(jié)合絕緣子沿面放電發(fā)射光譜、熒光光纖激發(fā)光譜、光纖的捕獲效率，得到了兩種典型PS熒光光纖的激發(fā)強(qiáng)度(rex,λ)和激發(fā)效率(ηex,λ)，其中激發(fā)光譜為299～477 nm的光纖較294～410 nm的光纖更優(yōu)，rex,λ和ηex,λ分別為0.618和0.125。

（3）根據(jù)兩種典型光電探測(cè)器件響應(yīng)特性，對(duì)比分析了熒光光纖局部放電檢測(cè)系統(tǒng)光電單元的綜合效率（p），其中R3896型PMT與熒光光纖系統(tǒng)結(jié)合匹配效率更優(yōu)。

（4）對(duì)比分析驅(qū)動(dòng)偏壓和連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)信噪比的影響，當(dāng)驅(qū)動(dòng)偏壓為1 000 V時(shí)，SNR最高（12.45 dB）；在最大初始SNR條件下，自然散熱系統(tǒng)的自溫漂效應(yīng)大致為7%，冷卻恢復(fù)時(shí)間大致為40 min。