基于光纖傳感技術的局部放電超聲信號檢測方法研究*

李曉敏,高 妍*,王 宇,靳寶全,張紅娟,王 東

(1.太原理工大學電氣與動力工程學院,太原 030024;2.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室,太原 030024)

基于光纖傳感技術的局部放電超聲信號檢測方法研究*

李曉敏1,高 妍1*,王 宇2,靳寶全2,張紅娟1,王 東2

(1.太原理工大學電氣與動力工程學院,太原 030024;2.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室,太原 030024)

電力設備局部放電易引發電氣短路故障,傳統的電檢測方法針對單點測量,在長距離測量上受到局限。分析了局部放電的參數特征,設計了一種檢測局部放電信號的光纖環結構,并構建了基于Sagnac干涉原理的光纖傳感局部放電檢測方案。在實驗室環境下模擬電力設備局部放電,搭建了局部放電光纖檢測系統,傳感光纖總長度為8.398 km,進行局部放電檢測試驗。試驗證明,在10 kV電壓等級下,局部放電時域信號幅值范圍為0.1 V～1.8 V,頻率響應范圍為可達60 kHz,研究表明該方法具有靈敏度高、頻率響應范圍寬等特點,為電力設備局部放電檢測提供了新的思路。

電力設備;局部放電;光纖傳感;薩格耐克;時域分析;頻域分析

局部放電發生過程會伴隨著電離、熱輻射、聲波振蕩、光子發射等物理現象[1],還會因為高溫產生化學反應,從而生成SF6等氣體[2]。基于以上物理現象逐漸衍生出了多種局部放電檢測方法,具體可分為電檢測法和非電檢測法。其中,電檢測法有脈沖電流法、超高頻檢測法、介質損耗分析法、無線電干擾電壓法等[3-4],其特點是靈敏度高,檢測準確,但要實現實時在線檢測局部放電還有待進一步研究。非電測法有超聲法、化學法、紅外熱測法、光纖法等[5-7],其特點是抗電磁輻射能力強,超聲法、化學法、紅外熱測法通常適用于單點檢測局部放電,而基于薩格耐克(Sagnac)傳感技術的光纖法因其使用的光纖具有抗電磁干擾、絕緣性能極佳、體積小、布置方式靈活、靈敏度高、耐腐蝕等特點[8-9],并能深入電力設備內部檢測而不影響其工作狀態,可有效實現電力設備局部放電信號的實時檢測,在局部放電檢測領域得到了廣泛的關注。

2005年,英國南安普敦大學采用局部放電光學遙感技術對高壓電力電纜局部放電進行在線檢測[10]。2014年,哈爾濱理工大學研究了基于非本征光纖法珀(F-P)傳感器的液體電介質局部放電聲發射檢測技術[11]。2015年,德國的研究人員首次提出用準分布式光纖聲音傳感器檢測電力電纜連接頭和終端的局部放電[12]。同年,巴西研究人員設計出一種帶有天線的光纖傳感器檢測高壓變壓器套管的局部放電現象[13]。2016年,上海大學開展了基于邁克爾遜干涉儀檢測局部放電的研究[14]。上述研究分別從單點式局部放電檢測過渡到準分布式檢測,實現了單點或多點較短距離的局部放電光纖法檢測。但上述方法針對分布式中長距離沿線檢測局部放電仍存在局限。

因此,本文從局部放電參數特征分析入手,開展了基于Sagnac光纖傳感技術的局部放電檢測方法研究,對局部放電信號的時域信號、頻域信號特性進行了試驗驗證,取得了初步的成果。

1 局部放電特征分析

電力設備運行時,存在異物或機械損傷的絕緣部位將具有比周圍更高的電場強度,導致產生電場集聚現象。當電壓高到某一閾值時,會超過該處絕緣介質的電離場強,使該處絕緣介質首先發生放電,即局部放電[15]。

圖1 局部放電產生過程示意圖

局部放電產生過程如圖1所示,在電力設備運行過程中發生振動、熱脹、材料龜裂、脫離等現象;電力絕緣物質的電離會產生帶電粒子,帶電粒子反復撞擊氣隙表面的介質,使其物理性能變差,使絕緣材料失去原有的性能;還會發生化學反應,產生SF6分解物,使絕緣材料被氧化、腐蝕,發生局部放電。局部放電也可能產生局部高溫,使絕緣劣化,發展到一定程度時,就可能導致絕緣材料的擊穿,產生泄漏電流;隨著放電強度的加劇,局部放電還會產生超聲波和電磁波,進而引起電氣設備的短路故障。

電氣設備局部放電產生的超聲波一般分為氣泡或氣隙內放電和介質在高場強下游離擊穿,前者擊穿超聲頻率為幾kHz至幾百kHz,后者擊穿超聲頻率為50 kHz～300 kHz[16]。IEEE標準[17]規定,廠內環境中局部放電檢測可以60 kHz為中心頻率。因此有必要從局部放電信號的頻率入手,對Sagnac光干涉法檢測局部放電超聲信號的頻率范圍進行研究,映射到電力設備的絕緣狀況,從而實現對電力設備短路故障的預警。

2 局部放電的Sagnac檢測原理分析

光纖傳感技術是指由集“傳輸”和“感知”于一體的光纖感知外界振動與沖擊信號,并將信息經過光纖回路傳輸到信號處理中心[18],其檢測原理如圖2所示。

圖2 Sagnac光纖傳感檢測原理框圖

局部放電過程產生的超聲信號通過機械波傳播會使光纖產生機械振動,從而使光纖折射率發生變化。由于光彈效應,光纖中的光相位發生變化,進而引起光功率的變化。由Sagnac效應知,順、逆時針的光在光電探測器處的干涉信號光功率為:

(1)

式中:P0為輸入光功率,φ(t)為振動引起的相移,ΔΨ代表了由其他信號引起的常數非互易相移。τa、τb分別為順時針光先后兩次經過局部放電點的延遲,τc、τd為逆時針光先后兩次經過局部放電點的延遲。

假設φ(t)=φ0sin(ωpt),由于光信號為小信號,令ΔΨ=2π/3,則輸出信號光功率為:

(2)

在該系統中φ0為小信號,光電探測器處的光信號轉換為電信號,其電流的交流分量為:

(3)

式中:t為時域上的時間變量,P0為光源發出的入射光功率,φ0是外界信號的某個頻率分量所引起的固定相移,ωp為局部放電信號在某個頻率分量下的值,τy為光在延遲光纖中的傳播時間,τp為光從信號產生點到光纖末端的傳播時間,包含有局部放電點的位置信息,τt為光繞著傳感光纖傳播一周所需要的時間。

Sagnac干涉儀的基本原理為兩束沿相反方向的光在光路中傳輸,因為延遲光纖的存在,兩路相反方向的光在經過傳感光纖的相同位置處時會有光程差,當傳輸過程中受到局部放電等外界振動信號的影響時,會使兩者的光程差發生改變,且其光程差與干涉環路中總光程成比例。光程差的變化會使兩束光產生干涉從而引起相位的變化,由式(3)可知相位的變化又引起光功率的變化,經由光電探測器將攜帶局部放電信號的光信號轉化為電信號,從而實現局部放電信號的識別與檢測。

圖3 基于Sagnac傳感技術的光纖法檢測局部放電系統圖

3 局部放電檢測試驗方案設計

基于以上局部放電檢測機理與直線型Sagnac光纖傳感技術,本文搭建了基于Sagnac傳感技術的光纖法檢測局部放電系統,如圖3所示。該系統由三部分組成,Ⅰ為供電電源部分,由交流220 V工頻電壓供電;Ⅱ為實驗室模擬局部放電部分,電壓經高壓線圈升壓后達到10 kV,R1為保護電阻,C1為電容器,Q為擊穿放電模擬裝置,用于產生局部放電信號;Ⅲ為直線型Sagnac光纖傳感檢測部分,A選用的是ASE寬帶光源,B為3×3耦合器,C為2 km的延遲光纖,D為2×1耦合器,L1為4.17 km的傳感光纖,L2為4.228 km的傳感光纖,G為法拉第旋轉鏡,H為平衡探測器,M為局部放電信號作用在光纖傳感探頭上的位置,N為數據采集模塊。

高壓線圈將Ⅰ中的220 V工頻交流電壓升高為Ⅱ中的10 kV高壓,從而將空氣擊穿,在Ⅱ中的M點處產生局部放電信號。

在基于Sagnac光纖傳感回路Ⅲ中,激光器A發出的寬帶激光經B進入光纖回路,由光的干涉原理可知,在4條光路中只有兩條光程回路在3×3耦合器B處發生干涉,即①B(4)-C-D-L1-M-L2-G-L2-M-L1-D-B(6);②B(6)-D-L1-M-L2-G-L2-M-L1-D-C-B(4)兩束光發生干涉,形成干涉環路。①光束走的光程為La,②光束走的光程為Lb,則兩束光的光程差為:

ΔL=La-Lb

(4)

相應的相位差為:

ΔΦ=2π(ΔL/λ)=2π(La-Lb)/λ

(5)

式中:λ為激光的波長。①②兩束相干光先后經過M點,局部放電信號對兩束光的調制作用使①②兩束光的相位發生變化,由式(1)可知,相位的變化轉化為光強的變化。攜帶局部放電信號的光信號經過平衡探測器H,轉化為攜帶局部放電信號的電信號,經由數據采集模塊N對此電信號進行采集與分析處理。

圖4 基于Sagnac傳感技術光纖法檢測局部放電采集模塊示意圖

數據采集模塊N使用高速數據采集卡進行采集與處理,其具體模塊由信號調理電路、AD9226模塊、FPGA芯片、高速USB芯片及上位機組成,如圖4所示。其中,FPGA芯片由AD讀取子模塊、緩存子模塊、USB傳輸控制子模塊3個并行子模塊構成,高速USB芯片有GPIF主機方式和Slave FIFO從機方式。本文采用Slave FIFO從機方式,數據流不經過CPU,由FIFO直接傳輸,FIFO通過外部主機控制,并提供所需時序信號、握手信號和輸出使能。

高速數據采集卡實物圖如圖5所示,攜帶局部放電信號的±5 V電壓信號,經過信號調理電路變為1 V～3 V的模擬信號。該信號經AD9226模塊轉換為離散的數字信號,并送入FPGA中由AD讀取子模塊、緩存子模塊、USB傳輸控制子模塊進行并行采集處理。

圖5 基于Sagnac傳感技術光纖法檢測局部放電采集模塊實物圖

試驗過程中,FPGA將采集到的攜帶局部放電的數字信號送入高速USB芯片,其I2C主控端控制4 kbyte的FIFO和端點存儲器,通過16 bit的地址線和8 bit數據總線在48 MHz的8051內核與CY智能USB2.0引擎之間傳輸,片上PLL選用2倍頻,用作8051的時鐘。高速USB芯片通過USB2.0接口與上位機軟件進行數據傳輸,從而實現局部放電信號的高速采集。

4 試驗結果驗證及分析

系統采用的光纖規格為G.652D單模光纖,其工作在1 550 nm波段的衰減系數為0.2 dB/km,傳感光纖總長度為8.398 km。試驗過程中,在傳感光纖的4.17 km的位置,將傳感光纖繞制成直徑為4 cm的光纖環作為傳感探頭,當光纖環圈數為35圈時,傳感探頭的光纖總長度為4.396 m,所設計的光纖環結構如圖6所示。光源選用ASE寬帶光源,中心波長為1 550 nm,功率可調。

用實驗室搭建的模擬裝置在該光纖環傳感探頭處施加局部放電信號,進行局部放電檢測試驗。將平衡探測器通電,調節光源功率輸出,開始試驗。經由設置好參數的采集卡對局部放電信號進行采集,獲得連續并帶有包絡的局部放電時域信號,如圖7(a)所示。圖7(b)為在相同實驗條件下,無局部放電信號時系統采集到的時域信號波形圖。

圖6 光纖環傳感探頭結構圖

圖7 基于Sagnac傳感技術檢測到的局部放電和無局部放電信號的時域圖

為探究局部放電信號的頻率特性,對試驗采集到的500組局部放電信號的數據進行傅立變化,得到局部放電信號的頻譜,如圖8所示。

圖8 基于Sagnac傳感技術檢測到的局部放電和無局部放電信號的頻域波形圖

圖8(a)為試驗系統檢測到的局部放電信號的頻域波形圖,圖8(b)為無局部放電信號的頻域波形圖,由圖8(a)和圖8(b)兩圖對比易知,實驗室模擬的局部放電信號的頻域波形范圍約為6 kHz～80 kHz,且分別在14.49 kHz、20.47 kHz、28.91 kHz、58.08 kHz附近有明顯的頻率分布,所得局部放電超聲信號的頻率范圍可達60 kHz。因此,該試驗方案可以實現局部放電信號的識別與檢測。

為探究不同長度的光纖傳感探頭對局部放電信號的靈敏度,將光纖傳感探頭分別繞制成25圈、35圈、45圈、55圈,即傳感探頭光纖長度分別為3.14 m、4.396 m、5.652 m、6.908 m,重復上述試驗,所得的時域波形如圖9所示。由圖9(a)～圖(d)可知,傳感探頭的光纖長度從3.14 m開始,以1.256 m為步進,增加到6.908 m,光纖傳感探頭采集到的局部放電時域信號的幅值逐漸增大。

圖9 傳感探頭光纖長度為3.14 m、4.396 m、5.652 m和6.908 m時的局部放電時域波形

為進一步探究傳感探頭的光纖長度對局部放電信號的靈敏度,使用不同長度的光纖傳感探頭多次重復試驗,試驗結果如表1所示。

表1 不同光纖傳感探頭的局部放電檢測系統實驗數據

由表1繪制出局部放電時域信號的幅值與不同光纖環長度傳感探頭的關系曲線,Y為局部放電信號的幅值大小,其統計結果如圖10所示。

圖10 局部放電時域信號隨傳感探頭光纖長度的變化關系

由圖10可知局部放電時域信號的幅值大小Y隨著傳感探頭的光纖環長度的變化而變化。傳感探頭光纖環長度小于12 m時,Y逐漸增大,傳感探頭光纖環長度大于12 m時,Y逐漸減小。傳感探頭的光纖環長度為8 m～13 m時,局部放電時域信號幅值較大,在傳感探頭光纖環長度為12 m時,Y達到峰值1.8 V。因此,基于Sagnac光干涉法的局部放電檢測技術,可以實現局部放電信號的識別與檢測。

5 結束語

本文分析了局部放電的參數特征,設計了一種檢測局部放電信號的光纖環結構,并構建了基于Sagnac光干涉法的局部放電檢測方案。系統光纖總長度為8.398 km,進行局部放電檢測試驗。試驗證明,在10 kV電壓等級下,局部放電時域信號幅值范圍為0.1 V～1.8 V,頻率響應范圍可達60 kHz,當傳感探頭光纖環長度約為12 m時,時域信號幅值達到峰值。該方法為變壓器、高壓開關柜、電力電纜等電力設備的局部放電檢測提供了一種新的方案。

該試驗方案關于局部放電信號的準確定位問題,會在下一步研究中探索。

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李曉敏(1989-),女,山東濰坊人,碩士研究生,主要研究方向為光纖傳感器檢測及自動化,局部放電檢測方法研究,lixiaomin0157@link.tyut.edu.cn。

高妍(1969-),導師,通訊作者,女,山西太原人,碩士,副教授,主要研究方向為檢測技術及自動化,局部放電檢測方法研究,gaoyan@tyut.edu.cn。

StudyonPartialDischargeUltrasonicSignalDetectionMethodBasedonOpticalFiberSensingTechnology*

LIXiaomin1,GAOYan1*,WANGYu2,JINBaoquan2,ZHANGHongjuan1,WANGDong2

(1.College of Electrical and Power Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Key Lab of Advanced Transducers and Intelligent Control System,Ministry of Education and Shanxi Province,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

The partial discharge of power equipment can easily cause electrical short-circuit fault and the traditional electrical measurement for single-point measurement has limitations in the long-distance measurement. The characteristics of partial discharge are analyzed,a kind of fiber ring structure is designed and a partial discharge detection scheme based on the interference principle of Sagnac is constructed. In the laboratory environment,the partial discharge of the power equipment is simulated and a partial discharge optical fiber detection system is built. The partial discharge detection is carried out on the fiber with the total fiber length of 8.398 km. The experimental results show that the amplitude of partial discharge is between 0.1 V～1.8 V and the frequency response range is up to 60 kHz at 10 kV voltage level. The research shows that the method has the characteristics of high sensitivity and wide frequency response range,which provides a new idea for partial discharge detection of power equipment.

power equipment;partial discharge;optical fiber sensing;sagnac;time-domain analysis;frequency-domain analysis

TP211.6;TP23

A

1004-1699(2017)11-1619-06

項目來源:國家自然科學基金項目(51504161);山西省回國留學人員科研項目(2016-035);山西省應用基礎研究項目(201701D221115);山西省科技基礎條件平臺項目(201605D121028)

2017-04-01修改日期2017-06-29

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.11.001