一种用于高压电气设备局放超声检测的新型EFPI传感器

张宇帅,隋浩冉,韩世杰,王赞, 2,高超飞,王伟

(1.华北电力大学 高电压与电磁兼容北京市重点实验室,新能源电力系统国家重点实验室,北京102206;2.国网经济技术研究院有限公司,北京 102209; 3.北京信息科技大学 自动化学院,北京 100192)

0 引 言

鉴于我国能源分布东西不均,跨区域电力传输成为必然选择,高压电力设备如高压电力变压器、GIS等成为电网必然需求。然而,制造、运输高压电力设备时不可避免的产生绝缘缺陷,这些缺陷在运行过程中会导致绝缘劣化甚至绝缘失效。在绝缘劣化的前期阶段会产生局部放电现象[1-3]。局部放电检测被用作检测绝缘缺陷的方法,在局部放电前期对存在缺陷的高压电气设备及时做出停电和检修安排,可以避免主绝缘击穿进而导致电力系统的恶性停电事故[4-5]。

局部放电伴随着超声波信号,超声波检测局部放电是一种被证明的有效检测方法[6-7]。但对变电站现场运行的设备进行局放检测时,传统的压电超声传感器容易受到现场的干扰从而降低信噪比[8-9],同时,高压电气设备的内部结构复杂、较厚的设备外壳均增加了外置式的压电超声传感器在现场检测的难度[10-11]。和压电超声传感器相比,基于Fabry-Pérot原理的光纤超声传感器是一种测量局放的非电性检测方法[12],具备很好的电绝缘性,传感器可小型化、灵敏度高等优点[13]。

由于高压电力设备内部均为充油或充气的绝缘结构,文中针对高压电气设备的这些特点,设计了一种新式的非本征法布里帕罗干涉(Extrinsic Fabry-Pérot Interferometer, EFPI)光纤超声传感器,可以嵌入到高压电气设备内部。新设计的传感器采用了全石英结构,并在F-P腔壁上进行激光打孔,使高压电气设备内的绝缘介质填充到F-P腔内,大大降低了温度和外界压强变化对传感器性能带来的影响。然而,绝缘介质进入F-P腔,改变了红外光在F-P腔的传播特性,使得干涉光的光强和相位发生变化,从而影响了传感器的信号质量。为避免绝缘介质在F-P腔内对光信号的影响,在石英膜片上局部镀膜,增强光的反射率,提高传感器灵敏度。文中对新型传感器的性能进行了验证,为检测高压电气设备内部局部放电提供了一种新的方法。

1 压强平衡结构光纤EFPI超声传感器原理

膜片式光纤EFPI超声传感器检测系统原理如图1所示。

图1 膜片式光纤EFPI超声传感器系统

传感器探头的核心组件为石英膜片、单模光纤和石英毛细管。石英毛细管固定单模光纤和石英膜片,由光纤端面和石英膜片的内表面组成F-P腔的两个反射面。在传感器检测超声信号时,激光光源发出单色光沿着单模光纤入射到F-P腔内,根据Fresnel原理,入射光在光纤端面与空气所组成界面的反射率约为3.6%,其余96.4%的入射光会透过界面进入F-P腔,进入F-P腔的光入射到石英膜片上,大部分会通过石英膜片透射出去,其余部分在石英膜片内表面反射回到光纤端面,大约有3.3%的光透过空气与光纤端面所组成的界面回到光纤,光纤端面与膜片内表面的两束反射光在光纤内部干涉叠加引起光强的变化,最后通过光纤环形器输出。当超声信号作用到膜片上时,会引起膜片的振动继而引发膜片的变形,膜片的变形导致F-P腔的长度发生微小的变化,与膜片未发生形变时相比,这使进入F-P腔体在膜片内表面反射回光纤的光产生相位变化,从而改变干涉光谱[14-16]。通过检测干涉后的光谱,并通过光电转换装置就可检测到超声波信号。干涉后得到的光强为[17]：

I=2I0R[1+COS(Δφ)]

(1)

(2)

式中I0为光源发出的光强;R为反射面的反射系数;l为两个反射面之间的腔长;n0为空气的折射率;λ为光的波长;Δφ为干涉光的相位差。

由式(1)、式(2)可得,在反射系数R确定的情况下,返回的两束光干涉后的光强只与腔长l有关。外界振动信号作用到传感器时将会引起膜片发生形变,改变传感器的腔长进而改变两束光的相位差,从而使得两束光干涉后的光强变化。通过对接收到光强信号的解调,可以实现对外界振动信号的测量[18-22]。

普通结构传感器的初始工作点受温度、外界压强影响。在F-P腔上打了两个通气孔从而使F-P腔的内外压强一致,其可以避免外界压强对F-P腔的影响,全石英焊接结构的EFPI传感器避免了引入多种温度系数不同的介质,可以大大降低传感器的温度系数,因此文中重新设计了压强平衡结构的光纤EFPI超声传感器,采用全石英焊接结构。其具体结构如图2所示。

图2 压强平衡光纤EFPI超声传感器结构

2 新型光纤EFPI超声传感器的结构及制作

采用压强平衡结构的EFPI传感器,将使绝缘介质如变压器油、SF6气体等进入F-P腔,平衡绝缘介质在石英膜片两侧产生的压强差,然而F-P腔中的绝缘介质比如变压器油会改变光在传感器F-P腔中的传播特性,降低了传感器的灵敏度。新设计的光纤EFPI传感器的结构如图3所示。它是由石英玻璃管、单模光纤和石英膜片组成。图3中各部分的连接点,是由CO2激光器发出的激光进行热熔焊接。

图3 新型光纤EFPI超声传感器探头结构示意图

制作时,光纤端面和膜片内表面相距8 μm时,传感器具有很好的灵敏度。为此,先将毛细管与石英膜片用CO2激光器发出的激光进行热熔焊接,然后在光纤上抹上慢干型胶水,将光纤插入石英毛细管,通过腔长测量系统缓慢调整光纤端面与膜片内表面的距离,当距离为80 μm时,将光纤与石英毛细管固定,胶水凝固后,在毛细管凹槽处用激光将毛细管与光纤焊接在一起。

因为传感器探头全采用激光焊接而成,降低了由于不同材料的热膨胀系数不同造成的传感器性能的变化,镀铝膜后的膜片和焊接完成的传感器端面如图4所示。

图4 镀膜后的石英膜片与焊接完成的石英膜片

石英膜片自身的厚度为50 μm,直径为4 mm,在其中心进行了局部镀膜,膜厚300 nm,直径0.8 mm,材料为铝,以提高膜片对光信号的反射率,平衡F-P腔内绝缘介质对光传播的影响,石英玻璃管的外径为4 mm,膜片振动的有效直径为2 mm,石英玻璃管上用CO2激光器打两个通孔,以保证F-P腔与绝缘介质相连通,如图5所示。

图5 镀膜后光纤与石英毛细管的焊接及F-P腔开孔

3 新型光纤EFPI超声传感器性能测试

为了测试新型光纤EFPI超声传感器的性能,依次进行了传感器的温度试验、反射光谱测量、特征频率和变压器油中的灵敏度试验。

3.1 新型光纤EFPI超声传感器的温度特性

光纤EFPI超声传感器的灵敏度与F-P腔长密切相关,F-P腔长为80.01 μm时,传感器工作在静态工作点,此时F-P腔长发生微小变化,两束反射光的干涉光强变化最大,即传感器灵敏度最高,而材料具有热胀冷缩的特性,为了避免由于高温导致静态工作点偏移、传感器灵敏度降低,设计了新型光纤EFPI超声传感器温度特性测量系统,如图6所示,测试传感器的F-P腔长与温度的关系。将传感器放置到变压器的绝缘油中,油中放置一根可控制温度加热棒来调节温度。通过控制加热棒的温度调节变压器油的温度,测量传感器在各个温度下的腔长。图7是传感器F-P腔长随温度变化的测试结果。从结果中可以看出,传感器的F-P腔长受温度的影响很小,在10 ℃～90 ℃范围内,为0.02 nm/℃。F-P腔长随温度变化较小主要有两方面原因：(1)传感器为纯石英结构,石英的热膨胀系数很小,避免了材料热膨胀引起传感器腔长变化;(2)在石英毛细管壁上打孔,使绝缘介质填充F-P腔,避免了因石英膜片两侧材料(空气和绝缘材料),热膨胀系数不同,受热膨胀挤压石英膜片,从而降低了温度对F-P腔长的影响。

图6 新型EFPI传感器温度特性测量系统

图7 腔长随温度的变化曲线

3.2 新型光纤EFPI超声传感器反射光谱测量

用MS9740A光谱仪测量石英膜片镀铝膜与未镀膜压强平衡光纤EFPI超声传感器在空气和变压器油中的反射光谱。

图8为石英膜片镀铝膜前后,传感器在空气中和变压器油中的干涉光谱。以光源波长1 551.455 nm为中心,测量了波长范围为10 nm的干涉光谱,得到未镀膜传感器在空气中反射光的功率为314.775 μW,放置到变压器油中时反射光的功率降低到177.011 μW,镀铝膜后传感器在空气中反射光的功率为1.067 mW,放置到变压器油中时反射光的功率降低到774.462 μW,说明变压器油进入F-P腔后,影响了光在F-P腔的传播特性,将导致传感器灵敏度的降低;在石英膜片上镀铝膜以后,反射光的功率从314.775 μW增长到1.067 mW,明显增加了传感器返回的干涉光的强度,这将大大提高传感器的灵敏度。在传感器的F-P腔内注入变压器油后,反射光的功率又降至774.462 μW,但仍大于未镀铝膜条件下反射光的功率。

图8 镀铝膜与未镀铝膜传感器在空气或变压器油中

3.3 新型光纤EFPI超声传感器的中心频率

为了分析新型光纤EFPI超声传感器的频率特性,设计了传感器局放测试系统,如图9所示。用针板电极作为放电源,将新型光纤EFPI超声传感器放置到油箱中测量局放产生的超声信号。

图9 新型光纤EFPI超声传感器局部放电检测系统

图10为新型光纤EFPI超声传感器在变压器油中所测到的超声信号。通过对传感器测量的多次信号进行数据处理得到图11所示传感器的频率特性,得出新型光纤EFPI超声传感器的中心频率为31.7 kHz,可以实现变压器内部局部放电的超声检测。

图10 新型光纤EFPI超声传感器在油中测到的PD超声信号

图11 传感器的频率特性

3.4 石英膜片镀铝膜与未镀铝膜传感器信号对比实验

为了验证镀铝膜后压强平衡光纤EFPI超声传感器的信号质量、灵敏度的变化情况,设计了镀铝膜与未镀铝膜传感器检测信号的对比实验,用针板电极作为放电源,将镀铝膜和未镀铝膜的两个压强平衡EFPI传感器探头同时并列放置在正对局放点并距离局放点20 cm,俯视示意图如图12所示,一号探头为镀膜传感器,二号探头为未镀铝膜传感器,用两个探头对同一次放电进行检测,并调整测量距离进行对比。

图12 传感器探头及针板电极布置俯视图

检测结果如图13所示,可以看出在传感器探头距离针板电极20 cm和25 cm时,镀铝膜传感器的信号幅值大于未镀铝膜传感器的信号幅值,这说明石英膜片镀铝膜后,提高了传感器的灵敏度。

图13 镀铝膜与未镀铝膜传感器测量信号对比

3.5 新型光纤EFPI超声传感器的应用及其对高压电气设备的影响

目前新型光纤EFPI超声传感器已经完成了江苏省电力科学院的变压器故障模式识别实验的测试和验证;在扬州地区完成了实际运行变压器局部放电检测实验。

富民变电站110kV 2#主变EFPI光纤局部放电在线监测系统已正式投入运行。安装后的变压器如图14所示。

图14 安装局放监测系统后的富民变电站110 kV 2#主变

刘集变电站35 kV 1#主变因雷击跳闸,监测到乙炔含量超标,怀疑内部存在故障,应用新型光纤FEPI超声传感器装置对其进行了局部放电检测试验,准确找出绕组匝间故障,如图15所示。

图15 刘集变电站绕组故障

新型光纤EFPI超声传感器借用温度传感器油杯和在手孔法兰盘加工油杯的方法安装,与变压器内部油系统隔离,但又能检测到局部放电信号。即达到了检测效果,又确保了变压器的安全运行和降低传感器的损坏几率,又十分容易安装和更换,是一种非常有效实用的方法。

4 结束语

文章开发了一种新型结构的光纤EFPI超声传感器,采用了全石英焊接工艺,F-P腔与绝缘介质连通的结构,消除了温度和外界压力变化对传感器性能的影响,并且具有很低的温度依赖性,约为0.02 nm/℃。同时,对振动膜片局部镀铝膜,补偿了光在变压器油中的损耗,提高了新型光纤EFPI超声传感器的灵敏度。新型结构的光纤EFPI超声传感器可以内置于变压器、GIS等高压电气设备,测量局部放电产生的超声信号。新型结构的光纤EFPI超声传感器具有抗干扰能力强、灵敏度高、安装方便、对内置设备影响小等优点,是一种非常有效实用的检测方法。