光纖分立式多點局部放電檢測與定位技術(shù)

曾凌烽，林朝哲，黃建理，周德永，張澤龍

（1.南方電網(wǎng)深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2.南方電網(wǎng)科學研究院有限責任公司，廣東 廣州 510000）

引言

局部放電檢測是一種廣泛應用于電力變壓器的診斷技術(shù)，該技術(shù)通過檢測局部放電產(chǎn)生的超聲波來識別和定位變壓器系統(tǒng)中的早期故障[1-4]。由于光纖傳感器具有抗電磁干擾、耐腐蝕、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點[5-8]，因此被廣泛應用于電力變壓器的局部放電超聲檢測中。

對于局部放電源的定位一般需要多個傳感器，這些傳感器可以提供聲波到達不同傳感器的時間差信息，然后借助三角測量等技術(shù)來定位局部放電源的位置[9-10]。在電力變壓器的局部放電聲檢測中，通常使用放置在變壓器外的壓電式傳感器，但是壓電式傳感器易受電磁干擾，且放置在變壓器外部可能導致測量的結(jié)果不準確?；诠鈱W干涉原理的新型傳感器由于其小巧的結(jié)構(gòu)，可以安裝在變壓器內(nèi)部，使傳感器更接近聲釋放源，因而具有更高的靈敏度和準確性，并且可以克服惡劣環(huán)境中電噪聲等相關(guān)問題，因此受到了廣泛關(guān)注[11-14]。西班牙馬德里卡洛斯三世大學的POSADA-ROMAN J等人提出了一種對局部放電進行超聲檢測的內(nèi)部干涉式光纖傳感器[15]，中國科學院電工研究所的郭少朋等人針對油浸變壓器中局部放電的測試需求，提出了基于Fabry-Perot 的超聲波測試系統(tǒng)[16]，但是上述方案只能用于單通道檢測，這極大地限制了傳感器的實用性。華北電力大學的王楊超等人提出一種基于法布里-珀羅的局部放電光纖超聲傳感器[17]，并結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡進行了局部放電的模式識別，但是該方案也未進行多通道的傳感研究。對于局部放電定位研究，更多是基于電容器[18]及相關(guān)數(shù)學算法[19]實現(xiàn)的，但是這些方法易受電磁干擾，且計算量復雜，成本高昂。因此我們開發(fā)了一種基于光纖的局部放電超聲檢測系統(tǒng)，以解決多通道配置問題，同時保持檢測局部放電發(fā)出的低幅度聲學信號所需的高性能，以便實現(xiàn)局部放電源的定位。

在本文中，我們提出了一種用于檢測電力變壓器多點局部放電的光纖多通道外差式干涉?zhèn)鞲衅?，該傳感系統(tǒng)能夠同時處理4 個傳感通道，且能夠?qū)崿F(xiàn)局部放電聲源的定位，對所有傳感通道進行了局部放電測試，實驗結(jié)果表明該傳感系統(tǒng)傳感頭放置在電力變壓器內(nèi)部的方案，可以實現(xiàn)較高的分辨率。同時對三相電力變壓器進行了實驗分析，證明了該傳感方案的可行性。

1 傳感原理

聲釋放是彈性傳播介質(zhì)（例如油或水）中的壓力變化，可以耦合到彈性傳感材料中（例如光纖）。這種本征傳感的原理是基于聲誘導應變產(chǎn)生的光程變化，可以通過光纖干涉儀中的光學相位 Δφ測量獲得[20]：

式中：n是光纖的有效折射率；l是光纖干涉儀的長度；λ是光波長；v是泊松比；E是楊氏模量；p11和p12是光彈常數(shù)；Δp是聲壓的變化量。光纖的軸向應變和光彈效應均會對光學相位的變化產(chǎn)生影響。

對于局部放電檢測的光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)，通常分為零差法和外差法。零差法是基于兩個頻率相同的光束的干涉，這種方法是將傳感器檢測到的聲波轉(zhuǎn)換為干涉儀輸出端的光電流幅度i：

式中：K是一個常數(shù)，包含光電探測器的平均光功率、響應度和干涉信號的對比度；φ0是由干涉儀干涉臂之間的不平衡引入的初始相位；Δφ是式（1）中描述的相位變化，其中包含需要檢測的信息。

外差法是基于兩個不同頻率的光束干涉，聲波信息包含在干涉儀輸出端光電流信號的相位中。在這兩種技術(shù)中，聲波都調(diào)制載波信號，因此必須對載波進行充分的解調(diào)，以獲得需要檢測的信息。外差法輸出端的光電流可以表示為

式中：K、φ0和Δφ與式（2）中描述的參數(shù)相同；fc是由光相位調(diào)制的載波信號的頻率。在外差法中，載波信號通常是高頻或甚高頻頻段中的射頻信號，而零差法使用低頻信號，這使其更容易實現(xiàn)。然而，零差法需要一個相位調(diào)制器（通常是壓電致動器），以便將干涉儀的偏置點設(shè)置在準線性范圍內(nèi)，因此多通道系統(tǒng)需要多個調(diào)制器（每個通道一個），這使得零差法在實際工程應用中不易實現(xiàn)。外差法雖然復雜，但在多通道應用中具有巨大優(yōu)勢，因為每個通道中不需要額外的組件。此外，由于測量是在高頻載波的相位中調(diào)制的，因此它的高分辨率測量不易受閃爍噪聲（1/f噪聲）的影響。

2 傳感器的設(shè)計

本實驗中的傳感器的設(shè)計是基于多層配置的光纖線圈，該光纖線圈將用于局部放電聲釋放的傳感，如圖1 所示。由式(1)可知，通過將更長的光纖置于聲波范圍內(nèi)可以獲得更高的靈敏度。為了獲得緊湊的尺寸，傳感器設(shè)計為多層纏繞的光纖圈。如果傳感器的尺寸遠低于聲波波長，則暴露在聲波下的所有光纖都會影響傳感器的靈敏度，另外光纖的最小彎曲半徑?jīng)Q定了線圈的最小直徑。因此，通過光纖長度提高靈敏度和避免靈敏度損失的緊湊設(shè)計是一個權(quán)衡問題。在本實驗中，為了避免光纖彎曲造成的光傳輸損耗，線圈是在直徑為30 mm 的圓柱形上纏繞了17 m 光纖制成的，纏繞層數(shù)為5層，纏繞完成之后移除圓柱體。

圖1 光纖傳感器檢測超聲信號示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic signal detection by optical fiber sensor

3 多通道光纖外差干涉?zhèn)鞲薪庹{(diào)方案

圖2 所示為4 個通道傳感系統(tǒng)的解調(diào)方案示意圖。在該方案中，為了實現(xiàn)四通道傳感系統(tǒng)，將來自中心波長為1 550 nm 左右光源的光分為參考臂和傳感臂，如圖2 中虛線框中所示。頻移由聲光調(diào)制器(acousto-optic modulator，AOM）產(chǎn)生，聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率f1（80 MHz）由信號發(fā)生器提供。光源發(fā)出的光經(jīng)過該裝置后，被調(diào)制成頻率為f0+f1（一階）的光束通過耦合器到達傳感器，從光源發(fā)出的另一束頻率為f0（零階）的光束則到達參考臂。然后光纖耦合器將來自每個傳感臂的光信號與參考臂的光信號相結(jié)合，以獲得4 個通道的干涉測量輸出。這些干涉信號由4 個可調(diào)增益的平衡光電探測器（Thorlabs,PDB450C）檢測，該探測器的工作波長為800 nm～1 700 nm，帶寬可達150 MHz。在其輸出端獲得相位調(diào)制為80 MHz 載波，載波移至4.8 MHz 的中頻，這是通過將載波與同一信號發(fā)生器生成的75.2 MHz 信號混合來完成的，然后中頻被數(shù)字化和數(shù)字解調(diào)，最后在由多通道數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)完成從載波信號中提取所需的相位信息。

圖2 多通道傳感干涉測量方案Fig.2 Interferometry scheme for multi-channel sensing

4 多通道干涉儀性能分析

4.1 傳感系統(tǒng)的分辨率

圖3 所示為該多通道傳感系統(tǒng)一個通道檢測到的載波的功率譜密度（power spectral density，PSD）。取如圖3 所示的載波信號頻譜，對檢測帶寬中存在的噪聲進行積分，檢測帶寬在載波頻率1 MHz 附近，得到信噪比（signal to noise ratio，SNR）為32 dB。在該信噪比下，相應的相位分辨率為4 mrad。由于本測試中使用了自由空間聲光調(diào)制器，光學插入損耗較大，這會影響整個系統(tǒng)的信噪比。在以后的研究中將使用尾纖聲光調(diào)制器設(shè)備，以優(yōu)化插入損耗。

圖3 干涉儀每個通道獲得的功率譜密度Fig.3 Power spectral density obtained for each channel of interferometer

4.2 聲釋放檢測

聲釋放檢測實驗在一個尺寸為100×60×60 cm3充滿水的箱子里進行，水可以傳遞超聲波，使用壓電陶瓷（PZT）作為聲發(fā)射(acoustic emissions,AE)源模擬局部放電產(chǎn)生的聲波。罐壁的內(nèi)表面覆蓋有吸聲材料，以避免聲波反射干擾實驗。此外，作為參考的校準水聽器（Bruel&Kjaer 8103）放置在傳感器的附近，該水聽器專為高頻實驗室和工業(yè)用途而設(shè)計，其靈敏度為30 μV/Pa，頻率相應范圍為0.1 Hz～180 kHz。實驗裝置如圖4(a)所示。在本實驗中，水箱內(nèi)的PZT 產(chǎn)生150 kHz 的聲波，對傳感器和參考水聽器同時檢測；同樣條件下，傳感器距離聲源越近，靈敏度越高，考慮到實際情況的應用，我們設(shè)置兩者都位于聲源前方20 cm處，然后對傳感系統(tǒng)上的每個通道進行測試。圖4(b)顯示了使用相同傳感探頭獲得的所有通道的聲信號檢測結(jié)果，并與參考水聽器檢測到的結(jié)果進行了比較。與使用光纖傳感器檢測到的聲信號相比，參考水聽器檢測到的聲發(fā)信號具有相同的趨勢和不同的峰值，具體表現(xiàn)為光纖傳感器檢測到的信號中有2 個峰值，為延遲的雙峰響應，這是由于光纖圈的對稱性引起的，所以它會檢測2 次相同的聲波。這種雙重響應效應可以通過使用絕緣光纖線圈來避免，這將在接下來的實驗分析中介紹。

圖4 實驗結(jié)果Fig.4 Experimental results

5 實驗分析

本實驗的目的之一是通過在變壓器內(nèi)部合理布置傳感器，實現(xiàn)局部放電聲波的在線檢測。因此我們提出了在變壓器內(nèi)部布置傳感器的方案，并對其進行了測試。圖5 為150 kHz 聲信號下在x-y和y-z平面上傳感器的方向響應性。可以看出，在x-y平面上檢測角度為±30°，如圖5(a)所示；在y-z平面上有一個覆蓋±90°的寬探測角，如圖5(b)所示。

圖5 光纖超聲傳感器的方向性Fig.5 Directivity of optical fiber ultrasonic sensor

傳感器的位置放置是利用了它們在y-z平面上的寬檢測角特性。一個傳感器可以監(jiān)測變壓器繞組的完整一側(cè)，因此需要6 個傳感器來監(jiān)測變壓器三相的繞組。另外，傳感器的放置位置應該使得繞組在x-y平面的檢測角度內(nèi)。因此，傳感器的放置滿足條 件r/d＜tan30°，其中r是繞組 半徑，d是繞組中心到傳感器的距離，如圖6 所示。

圖6 用于變壓器局部放電監(jiān)測的光纖傳感器內(nèi)部位置放置示意圖Fig.6 Schematic diagram of internal position placement of optical fiber sensor for transformer PD monitoring

為了證明所提出傳感器的有效性，進行了如下實驗驗證。首先對多通道系統(tǒng)進行表征，使用同一個聲學測試臺對傳感器浸入水中時進行了實驗。如前所述，這種配置需要6 個傳感器來監(jiān)測變壓器的3 個繞組，然而，水箱的兩側(cè)都具有對稱性，故簡化了實驗設(shè)置，3 個傳感器足以證明這一概念。其中，PZT 用于模擬局部放電產(chǎn)生的聲波。圖7為3 個傳感器檢測到的結(jié)果，它們的特性類似于在工程應用中觀察到的聲釋放，即通過連接變壓器的2 個高壓電極在油中產(chǎn)生的真實局部放電[21-22]。圖7 還顯示了用作聲發(fā)射源的PZT 的電信號，該信號是一個包含3 個周期150 kHz 的正弦信號，與第4.2 節(jié)所示信號的雙峰包絡不同，在這種情況下，每個傳感器檢測到的聲釋放是單峰響應（正面檢測），因為傳感器的背面被放置在光纖線圈中部的吸聲器隔離，因此可以觀察到從聲源到3 個傳感器的不同到達時間差。

圖7 3 個光纖傳感器對模擬局部放電信號的的檢測結(jié)果Fig.7 Detection results of simulated partial discharge signals by three fiber optic sensors

進行的試驗主要是測量聲波到達傳感器的時間差，這是聲源定位的基礎(chǔ)。在這些測試中，對聲波進行了兩次掃描：一次沿著x軸，另一次沿著z軸，如圖8 所示。x軸的掃描是沿著一條線進行的，該線位于3 個繞組區(qū)域的中間，這3 個區(qū)域被直徑為20 cm 的繞組占據(jù)。在2 次連續(xù)測量之間，聲發(fā)射源沿這條線的位移為5 cm。

圖8 用于實現(xiàn)AE 源掃描的實驗裝置Fig.8 Experimental setup used to implement AE source scanning

圖9 所示為在沿x軸掃描的測試過程中，對每個傳感器檢測到的聲信號進行歸一化處理后的結(jié)果?？梢钥闯觯搨鞲邢到y(tǒng)至少有2 個相鄰的傳感器可以檢測到相同的聲信號，在這種特殊情況下，可以獲得振幅高于最大值一半（歸一化振幅的0.5 倍）的信號。盡管這種情況取決于變壓器繞組之間的距離，但也可以調(diào)整傳感器到繞組的距離，以優(yōu)化至少2 個傳感器的檢測。這種配置既允許使用三角測量在二維平面內(nèi)定位聲源位置，也允許當2 個相鄰傳感器無法檢測到相同信號時定位聲源位置時，另一個傳感器的檢測提供了發(fā)生故障的繞組的信息。

圖9 沿x 軸測試過程中傳感器檢測到聲信號的歸一化結(jié)果Fig.9 Normalized results of acoustic signal detected by sensor during test along x axis

圖10(a)顯示了沿x軸掃描獲得的聲信號到達時間(time of arrival,TOA)差的測量值；圖10(b)為使用傳感器No.2 和No.3 測量z軸掃描的聲波到達時間差，圖中S1、S2 和S3 分別是3 個傳感器的標號。在此測試中，2 次連續(xù)測量之間的聲源位移也是5 cm。2 次測試得到的聲信號到達傳感器時間差的差為6.67 μs，因此計算得到測量中觀察到的最大偏差為1 cm。這表明系統(tǒng)獲得的關(guān)于聲波到達時間差的測量分辨率為1 cm，約為實驗所用箱子最大尺寸的1%。

圖10 不同位置聲發(fā)射源的TOA 測量Fig.10 TOA measurement of AE sources at different positions

6 結(jié)論

本文提出了一種利用光纖傳感器進行多通道局部放電超聲檢測的外差干涉?zhèn)鞲蟹桨?。傳感系統(tǒng)由4 個傳感頭構(gòu)成以實現(xiàn)多通道檢測和局部放電聲源的定位。在150 kHz 聲波下對該傳感系統(tǒng)的分辨率以及四通道可行性進行了實驗分析，結(jié)果表明，該傳感系統(tǒng)的單個通道的分辨率可達4 mrad。此外，還提出了一種將傳感器放置在變壓器內(nèi)的配置方案，可以監(jiān)測變壓器的3 個繞組。使用多通道干涉測量系統(tǒng)測量局部放電聲信號到達傳感器的時間差，實驗測試表明，基于聲波到達時間差的定位可以達到1 cm 的分辨率?？梢酝ㄟ^增加光功率來提高分辨率，從而提高信噪比。該傳感方案具有緊湊的結(jié)構(gòu)、高的分辨率及低廉的成本，在電力系統(tǒng)安全檢測中有著巨大應用潛力。