固体介质声耦合光纤法-珀传感器局部放电检测方法

程立丰 ， 张伟超 ，赵洪 ， 范江东，李明，王少华

(1.工程电介质及其应用技术教育部重点实验室(哈尔滨理工大学) ，黑龙江 哈尔滨 150080；2.国网浙江省电力有限公司，浙江 杭州 310007；3. 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江 杭州 310014)

近些年我国高压超高压电力网络发展迅猛，随着电力系统电压等级的提高，电力设备的绝缘故障检测要求也越来越高。局部放电是电力设备绝缘破坏初期的重要表现之一，及时准确地检测局部放电发生可有效预防突发性故障的发生。局部放电发生时常伴有多种物理量的产生，根据检测物理量的不同研究了不同的局部放电检测方法，如脉冲电流法、色谱法、超高频法、光学检测法和超声波法等[1-5]。其中超声波法因具有抗电磁干扰和强指向性的特点，被学者关注用于油浸变压器等电力设备的局部放电检测和定位[6-7]。

光纤超声波传感器因具有高灵敏度、抗电磁干扰和本身为电介质材料等特点被认为是局部放电检测的理想选择[8-9]，尤其是非本征光纤法布里-珀罗(简称“法-珀”)传感器用于局部放电超声波的检测被广泛研究[10-14]。早期的法-珀传感器主要采用硅膜作为敏感元件，在变压器油中成功检测到局部放电信号[15-16]。随后的研究中，法-珀传感器的局部放电检测灵敏度和制备方法都有了进一步提高，并且不断有新的法-珀腔结构被报道[17-20]。目前所报道的局部放电法-珀超声传感器均是用于液体绝缘介质内部[21]，由弹性声波在液体中传播直接驱动传感器膜片振动调制光波，这种应用有诸多局限性，如在电力变压器检测应用中需要将法-珀传感器预制于变压器绝缘内，只能在变压器制造时置入，限制了事后放置的应用机会，对于GIS等电力设备的局部放电，高频超声波在内部气体介质衰减严重，难以传播。超声波主要以外壳固体介质为传播媒介传递声波信号，通过外壳测试是声测的唯一途径；另外液体介质中置入液体和膜片相互作用时，液体介质会对膜片形成附加质量，降低其响应带宽和测试灵敏度，并且表现出较强的温度依赖性，对测量结果的标定带来困难[22-23]。本文依据声波在复合界面的传播特性并结合法-珀传感器端面膜片受迫振动原理，提出一种可用于固体介质表面局部放电超声信号探测的传感结构。这种安装方式看似与经典的压电陶瓷超声传感器应用相似，牺牲了光纤传感器全介质特性和可置入电力设备高场强处的优点；但可以看到，即便是外置，在电力设备周边强电磁环境下，光纤法-珀传感器的电磁免疫特性依然重要。同时从发展看，光纤法-珀传感器的灵敏度高于压电陶瓷传感器10倍以上并不是难题，因此外置式光纤声测传感技术依然大有前途。

1 局部放电超声波在液、固复合介质中的耦合传播特性

液固复合绝缘是电力变压器常用的绝缘形式，变压器内部发生局部放电诱发的超声波信号首先以纵波的形式在绝缘液体传播。根据声学理论，局部放电超声波的声压大小随传播距离呈指数衰减关系，即

Jx=J0e-2Bx.

(1)

式中：Jx为超声波在液体介质中传播距离x后的声强度；J0为初始声波强度；B为超声波在介质中的衰减系数，且

(2)

式中：f为超声波频率；k为介质材料的热传导系数；c为声波在介质中的声速；η为介质的黏滞系数；γ为介质比热；C为介质的定压比热。可见，超声波在液体介质中的衰减与热传导系数和黏滞系数均有关，且衰减强度与声波频率平方成正比，较高频率超声波强度在介质中衰减较快。

另外，当局部放电超声波在液固复合介质中传播时分界面处会产生反射和折射，同时因不同材料的声阻抗不同，声波在不同固体介质界面处也会发生部分能量的反射，且满足声波反射定律：入射波与反射波的声速比等于入射角与反射角的正弦值比。局部放电超声波经不同介质传播除部分能量在分界面反射外，还有部分能量将遵循折射定律入射到另一种介质中继续传播，即

(3)

式中：a为入射角;βp和βs分别为纵波折射角和横波折射角；cp和cs分别为纵波声速和横波声速。利用折射定律可计算声波经折射后的传播方向。

变压器绝缘为典型的液固复合结构，一旦发生局部放电，所诱发的超声波必然会经过多次复杂的液固耦合传播。声波经过一次液固界面的声压变化为

(4)

式中：p0为声波经变压器油传入油箱内表面时的声压；pt为声波经箱壁传递后外壁最终压强;m为变压器油和铁箱壁之间的声阻抗之比;b为箱壁厚度;λ为声波在箱壁中的波长。

2 外置非本征法-珀局部放电超声波传感器设计

2.1 非本征法-珀传感器结构

依据经典的电力设备外金属壳安装压电陶瓷超声传感器方式，设计法-珀传感器敏感膜片为外侧声波耦合结构，如图1(a)所示。在原法-珀传感器光纤尾纤、石英套管和石英膜片基础上，增加固定结构和带有凹口的钢片基座结构，并在敏感石英膜片和钢片凹口处留有膜片振动自由空间气隙。钢片基座通过外置永磁体或粘接固定于金属外壳，形成声波传播通道，另外所制备的传感器样品如图1(b)所示。

图1 外置式法-珀传感器结构及样品照片Fig.1 External F-P sensor structure and sample photo

2.2 超声波在液-固介质体系中的传播仿真分析

利用声场有限元仿真计算方法，对比置于绝缘油内部和外置箱体表面法-珀传感器的响应幅值，建立仿真模型如图2所示。设计油箱模型尺寸为400 mm×500 mm×500 mm，油箱内为变压器油液体介质，在油箱内部和外侧同一高度处分别放置传统的和新型结构参数的法-珀传感器。油箱内部在2个法-珀传感器几何中心所在的直线上，采用功率点声源模拟局部放电超声波源，模拟声源频率在50～300 kHz之间。模型中所用材料的基本参数值见表1。

图2 仿真模型结构示意图Fig.2 Simulation model

表1 模型所用材料的基本参数Tab.1 Parameters of model materials

通过暂态仿真计算可知，单位强度的功率点声源首先以纵波的形式在变压器油中向四周传播，且随距离增大声强度逐渐减弱。当声波振幅传播至箱壁的液固介质分界处时，明显可见超声波同时发生反射和透射，并且在固体介质附近的液体介质处出现高声场区，结果如图3所示；另外，通过图3外置传感器及其附着的箱壁区域固体应力分布结果可见，声波是以应力形式从液体介质耦合进入固体介质并以应力形式传播至法-珀传感器敏感膜片，引起膜片响应。

图3 油箱内声波传播及固体介质应力分布Fig.3 Sound wave propagation in the tank and stress distribution of solid dielectric

法-珀传感器膜片响应声波位移大小决定检测灵敏度。图4分别为模型中油箱内传统法-珀传感器和新型外置法-珀传感器的膜片位移结果，膜片几何中心处最大位移分别为280 pm和260 pm，可见仿真结果表明2个传感器的响应灵敏度相近。

图4 法-珀传感器膜片响应位移结果Fig.4 Response displacement of F-P sensor diaphragm

为分析通过气隙结构传播的声波对传感器响应的影响，将传感器钢片与膜片接触区域约束设为刚性，即该区域在声场作用下不产生形变，此时传感器膜片仅耦合通过气隙传播的声波。振动耦合气隙深度尺寸分别设计为0.1 mm、0.5 mm、1.0 mm和2.0 mm，仿真计算了超声波频率在70～150 kHz频率范围内，新型法-珀传感器位移响应幅值随振动耦合气隙深度的变化关系如图5所示。

图5 不同气隙深度下传感器膜片振动位移Fig.5 Vibration displacement of sensor diaphragm under different air gap depths

图5仿真研究结果表明：气隙耦合形成的膜片振动幅值约为10-7pm，与前述260 pm振幅相比具有1010倍差异(虽然气隙越小响应幅值越大，但传感器响应幅值变化不大，可认为通过气隙耦合对法-珀传感器的声波响应幅值影响可忽略不计)，故新型外置法-珀传感器设计过程对自由空间气隙尺寸无需严格计算；同时，新型结构法-珀传感器的声波能量主要来自固体介质应力的传播，声波应力传播到膜片基座和膜片的固定部分，并形成微小的位移，激励膜片的自由区域形成较大的振动位移。

2.3 法-珀传感器特性参数分析及制作

新型法-珀传感器仍以石英膜片作为换能元件，膜片尺寸影响传感器的灵敏度，根据弹性力学原理，四周固定约束的圆形膜片固有频率可表示为：

(6)

(7)

式中：fg为膜片固有频率;D为材料的抗弯刚度;d和h分别为膜片半径和厚度;ρ为密度,常温下取2.2×10-3kg/m3;E为材料的弹性模量,取73.73 GPa；μ为石英材料的泊松比，取0.17；g为重力加速度。所设计法-珀传感器膜片半径为0.9 mm，厚度为40 μm，通过式(6)、(7)计算获得传感器一阶固有频率约为107 kHz。

新型外置法-珀传感器主要由钢片、石英膜片、支撑结构和光纤线芯构成，且在石英膜片与支撑套管接触的内表面镀以50%反射率的反射膜，膜片另一面放置于钢片振动耦合气隙上，并采用环氧胶固定于传感器样品上。图6为通过宽频光源和光谱仪测得传感器样品的谱线图，在1 550 nm光波值附近的传感器调制深度约为20 dB。

图6 法-珀传感器光谱特性Fig.6 Spectral characteristics of F-P sensor

为测试传感器样品的频响特性建立如图7所示的实验测试系统。在油箱中采用压电陶瓷传感器作为声波激励源，将新型外置法-珀传感器安置于油箱外壁并与解调系统连接。压电陶瓷传感器驱动电压不变，利用数字信号发生器调节声波发射频率，测得法-珀传感器不同频率下的响应幅值并绘制频响特性曲线，如图8所示。

DFB—分布式反馈，distributed feedback 的缩写。图7 法-珀传感器频响特性测试系统结构示意图Fig.7 Schematic diagram of measurement system of F-P sensor frequency response

由图8可知：外置法-珀传感器的一阶固有频率约为107 kHz，该测试值与理论设计的传感器一阶固有频率相一致。

图8 外置法-珀传感器频响特性Fig.8 Frequency response characteristic curve of external F-P sensor

3 局部放电检测实验及结果分析

3.1 实验系统

在充满绝缘油的油箱内采用板-板电极局部放电模型构建局部放电测试平台，将传统内置法-珀传感器和新型外置法-珀传感器同时布置在绝缘油内部和箱体外进行对比测量，检测系统结构示意如图9所示。板-板电极浸入在绝缘油内并与高压发生器相连接，实验室环境温度和液体介质温度均维持在23 ℃,采用DFB激光器作为法-珀传感器解调系统工作光源，输出激光经耦合器馈入法-珀传感器探头。内置法-珀传感器和新型外置法-珀传感器保持在同一水平面上，且距离板-板电极放电源均为50 cm左右。当板-板电极发生局部放电产生声信号时，2个法-珀传感器膜片端面受迫振动调制激光强度，经光电转换器转为电信号输出于示波器上。

图9 实验平台结构示意图Fig.9 Schematic diagram of experiment platform structure

3.2 结果及分析

板-板电极系统在高压作用下发生局部放电，为评定局部放电发生水平，采用脉冲电流法测量放电量大小，局部放电诱发的超声波信号分别被实验系统的2个法-珀传感器捕获。当局部放电量分别为150 pC、120 pC和90 pC时，法-珀传感器测得的超声信号时域波形如图10所示。

由图10可知：内置和外置法-珀传感器对同一局部放电信号源的检测灵敏度基本一致，内置法-珀传感器首先检测到局部放电信号是由于内置法-珀传感器相对于外置法-珀传感器距离局部放电源近约1 cm。图10(a)时域波形所对应频谱如图11所示，内置法-珀传感器频谱集中在57 kHz附近，是由于液体介质与传感器膜片作用形成附加质量使传感器响应频率降低所致；外置法-珀传感器输出频谱集中在107 kHz附近，与实际测量法-珀传感器一阶固有频率点吻合，外置传感器在40～60 kHz有低幅值频率响应分量，其来源需进一步探明，可能是沿金属壁传播声波频带更丰富或差频存在。另外在更窄的频带内如60 kHz处，内置传感器响应幅值要大于外置的3倍还多，其原因可能与液体附加质量引起响应频率降低同时提高了灵敏度有关，因为根据一般规律，法-珀传感器的灵敏度和响应频率呈反比。对于外置传感器的应用，尽管还需进一步提高灵敏度，但由于涉及影响因素较少，故更具备实际应用的条件。

图10 不同局部放电量下内置和外置法-珀传感器局部放电检测波形Fig.10 PD detection waveforms of built-in and external F-P sensor under different partial discharges

图11 法-珀传感器频域图谱Fig.11 Frequency domain curves of F-P sensor

4 结束语

本文提出并设计了外置式光纤非本征法-珀传感器结构，仿真分析表明：声波通过电力设备外壳和传感器基座耦合至传感器膜片，激励膜片自由区域产生振动响应，由于不存在膜片与液体介质相互作用，传感器的频率响应与设计结果一致。在实验室装置上分别发生150 pC、120 pC和90 pC的局部放电量，比较内置式和外置式光纤法波传感器测量信号，并进行时域分析，结果为外置式传感器测量灵敏度略低于内置式传感器；而频域分析表明：对于2个结构相同的传感器，内置式的响应频率显著低于外置式，这是由于液体介质与膜片相互作用的附加质量引起，而外置式传感器在较低频段低幅值频率响应可能是声波在金属壳中传播形成的。外置法-珀传感器便于安装，有望在工程应用中推广使用。