外置油腔耦合局放超聲非本征光纖法布里-珀羅傳感器

陳起超，趙 洪，張偉超

(哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 引 言

電力變壓器中局部放電是危害絕緣安全的主要原因，極易引起運行事故造成巨大的經濟損失，因此對局部放電現象的檢測就顯得尤為重要。通常情況下，局部放電的發生伴隨有聲、光、電及化學反應等現象，對局放超聲信號的檢測具有較高的實時性以及抗干擾性[1]。檢測局放超聲信號較為常用的方法是使用壓電陶瓷(Piezoelectric，PZT)聲發射傳感器，但PZT傳感器為現場有源安裝且依靠電信號作為信息的傳輸載體，極易受現場電力設備高電場和強磁場干擾[2]。利用光纖聲波傳感器檢測局放超聲信號可有效避免上述問題，具有檢測精度高、抗電磁干擾能力強和便于組成智能檢測網絡等優點[3-4]。

在眾多的光纖聲波傳感器中，非本征光纖法-珀干涉儀(Extrinsic Fiber Fabry-Perot Interferometer， EFPI)傳感器在局放超聲信號檢測中獲得廣泛關注和研究，該類型傳感器具有結構簡單、體積小巧、頻響高和檢測靈敏等優點，非常適合于局放超聲信號的檢測[5-6]。但是大部分EFPI傳感器受限于其膜片材料及加工技術，傳感器本身的檢測靈敏度相對較低，無法有效檢測到微弱的局放超聲信號，這就極大地制約了EFPI傳感器在局放檢測中的應用及發展[7-8]。鑒于大部分EFPI傳感器的檢測靈敏度相對較低，多數關于EFPI傳感器局放超聲信號檢測的研究中，都將傳感器本身置于油箱內部靠近局放多發的高壓源附近來檢測局放超聲信號。這不僅限制了實際應用中EFPI傳感器的安裝和使用，同時由于EFPI傳感器法-珀腔的存在，其內部空氣絕緣強度較低，在高場強區域極易產生局放，破壞傳感器結構，危害變壓器安全運行，并且對于大量已經投產運營的電力變壓器，這種在內部安裝EFPI傳感器的方式也無法實現。因此，提高EFPI傳感器的檢測靈敏度，實現在油箱壁外側安裝EFPI傳感器檢測局放超聲信號，才能促進EFPI傳感器在實際應用中的發展。

本文分析了石英膜片固有諧振頻率及靈敏度與EFPI傳感器膜片有效約束半徑之間的關系，結合傳感器在變壓器油中一階固有諧振頻率降低的情況，并根據局放超聲信號的特點確定EFPI傳感器的膜片有效約束半徑，利用石英套管、石英毛細管及紫外固化膠制備獲得具有較高檢測靈敏度的EFPI傳感器。為避免EFPI傳感器在變壓器內部安裝的情況，針對該傳感器的結構特點設計并制作可安裝于油箱壁外部的耦合式油腔結構，將傳感器固定安裝在油腔內部對局放超聲信號進行檢測，檢測靈敏度要明顯高于傳統的PZT傳感器。

2 傳感器設計及特性測試

2.1 傳感器檢測原理及結構設計

EFPI傳感器的法-珀腔由光纖尾纖端面與石英膜片平行放置組成，石英膜片的有效振動約束半徑依靠石英套管內徑確定，其結構如圖1所示[9]。由光源發出的光經光纖傳輸進入法-珀腔，在腔體內不斷進行反射和折射，最終在腔的兩側發生干涉現象，形成相位差恒定、波長相同的相干光信號并由光纖輸出[10-11]。

圖1 EFPI傳感器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of EFPI sensor

根據多光束干涉理論，法-珀腔的反射光輸出光強為[12]：

(1)

其中：I0(λ)為入射光光強；R1，R2分別為尾纖端面與耦合膜片的反射率；l為法-珀腔長；λ為入射光波長；n為腔內介質折射率，當介質為空氣時n=1。當局部放電產生的超聲波作用于EFPI傳感器膜片時，膜片受迫振動，法-珀腔的腔長發生改變，導致反射光輸出光強發生變化，通過解調反射光輸出的光強信號就可獲得局放超聲信號。

石英膜片作為局放超聲信號與光信號的換能元件，其振動靈敏度與固有諧振頻率決定了EFPI傳感器的檢測靈敏度，因此對膜片尺寸的分析研究就顯得尤為重要[13-14]。石英膜片的結構尺寸直接影響其靜壓靈敏度和諧振頻率，四周完全約束的圓形石英膜片的一階固有諧振頻率為：

(2)

其中：石英的楊氏模量E=73.73 GPa；泊松比ν=0.17；密度ρ=2 210 kg/m3；H為膜片厚度；R為圓形膜片有效半徑；f為頻率；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

根據EFPI傳感器的工作原理，法-珀腔的腔長變化只與膜片的中心位移有關，膜片圓心處的靜壓靈敏度為：

(3)

式中S為靜壓靈敏度。

根據式(2)、式(3)可以得出結論，當膜片所選擇的材料和固有諧振頻率確定后，R/H越大，則在相同聲壓作用下膜片形變越大，即在已經確定膜片固有諧振頻率后，越薄的膜片靜壓靈敏度越高；同時通過上述公式可以發現，相對于增大膜片半徑以提高膜片靜壓靈敏度獲得的收益要明顯小于減少膜片厚度而帶來的收益[15]。

公式(2)是計算膜片完全暴露在空氣介質中的固有諧振頻率，在實際應用EFPI傳感器檢測局放超聲信號時，傳感器膜片內側面與密閉法-珀腔中的空氣介質接觸，而傳感器膜片外側面與變壓器油接觸[16]，此時膜片的固有諧振頻率為：

(4)

目前，用于局放超聲信號檢測的傳感器響應頻帶一般在100～200 kHz之間，根據上述理論分析可知，石英膜片越薄且約束半徑越大則其靜壓靈敏度越高，同時其一階固有諧振頻率也會相應降低。受限于實際加工技術，本文所用石英膜片厚度為30 μm，有效約束半徑為0.55 mm。利用COMSOL有限元軟件，計算獲得膜片振動位移分布云圖及幅頻特性曲線，結果如圖2所示。該結構尺寸下膜片的一階固有諧振頻率為113 kHz，靜壓靈敏度為7.5 nm/kPa。

(a)單位應力下膜片位移分布(a)Displacement distribution of diaphragm in unit stress

(b)幅頻特性曲線(b)Amplitude-frequency characteristic curve圖2 仿真計算結果Fig.2 Simulation calculation results

2.2 傳感器制備及其解調系統

根據公式(1)分析可知，EFPI傳感器為獲得較好的調制光譜和干涉條紋精細度，需將石英膜片內表面和光纖端面鍍50%的反射膜，石英膜片及傳感器實物如圖3所示。

圖3 EFPI傳感器實物圖Fig.3 Photo of EFPI sensor

在傳感器制作過程中，首先將石英膜片與石英套管之間利用紫外固化膠固定，石英套管內側直徑為1.1 mm；然后將光纖尾纖插入內徑為126 μm、外徑為1.1mm的石英毛細管中，利用紫外固化膠固定后將它放入石英套管內；最后，使用光學三軸微動儀將法-珀腔腔長調節到40 μm后，使用紫外固化膠進行封裝固定，獲得的EFPI傳感器干涉光譜如圖4所示。

圖4 EFPI傳感器的干涉光譜Fig.4 Interference spectrum of EFPI sensor

使用EFPI傳感器對局放超聲信號進行檢測時，傳統方法是將傳感器安裝在變壓器內部。為了在變壓器內部安裝EFPI傳感器，不僅需要在變壓器設計時對主體結構件進行優化，同時在生產變壓器時更需要額外增加固定支撐結構，極大地增加了變壓器的生產難度和成本；當變壓器入網運行時內部電場較高，但EFPI傳感器的腔體介質為空氣，其絕緣強度相對較低，極容易因周圍高場強而誘發EFPI傳感器本體發生局放，危害變壓器運行；EFPI傳感器脆弱的前端膜片，在變壓器內部復雜的運行環境下更是非常容易破損，而其內部安裝的情況則會導致其破損后無法更換。為解決上述問題，設計可安裝EFPI傳感器的外置油腔結構，局放超聲信號經過變壓器油箱壁后，通過外置油腔結構中的變壓器油耦合作用到EFPI傳感器上，該結構示意圖如圖5所示。外置油腔結構內表面為拋物面，與變壓器油箱壁之間使用環氧膠固定，該油腔結構進深為32.3 mm、焦點為5 mm、口徑為40 mm，EFPI傳感器由可調節支架固定在腔體內，整體結構采用3D打印技術制作而成，材料為光敏樹脂。

圖5 外置油腔結構示意圖Fig.5 Structure diagram of external oil cavity

該EFPI傳感器的解調系統采用正交強度解調，使用光源為3 dB、帶寬為0.01 pm的窄線寬分布式反饋( Distributed Feedback Laser，DFB)激光器，該DFB激光器的中心工作波長為1 550 nm，輸出光強為21.31 mW。當油腔中油的溫度發生變化時，EFPI傳感器的靜態工作點發生變化，因此使用PID閉環控制電路為DFB激光器供電，實時調節DFB激光器的中心工作波長，實現靜態工作點的動態追蹤，消除由環境溫度變化引起的靜態工作點改變對EFPI傳感器的影響[17]。光電轉換器為THORLABS公司生產的PDA10CS-EC-銦鎵砷探測器，其檢測帶寬為0～17 MHz；使用工作波長為1 550 nm、分光比為50∶50的1分2耦合器連接上述光學器件。該解調系統的工作流程如圖6所示。

圖6 解調系統的工作流程Fig.6 Work flow of demodulation system

2.3 傳感器測試

利用兩支SR15型PZT傳感器對EFPI傳感器進行靈敏度及幅頻特性測試[18]，將其中一支PZT傳感器作為驅動聲源固定在油箱中，EFPI傳感器與另一支PZT傳感器同時接收超聲信號進行對比。使用數字信號發生器為聲源PZT傳感器提供100 mV的驅動電信號，該信號的掃頻范圍為20～300 kH，步長為1 kHz。

在對比EFPI傳感器與PZT傳感器檢測靈敏度時，分別選取兩支傳感器在各自諧振頻率下的輸出信號幅值進行對比。圖7(a)為PZT傳感器在諧振頻率時輸出信號峰-峰值與EFPI傳感器輸出信號峰-峰值的對比情況，PZT傳感器的最大輸出信號峰-峰值為1.10 V，圖7(b)為EFPI傳感器在諧振頻率時輸出信號峰-峰值與PZT傳感器輸出信號峰-峰值的對比情況，EFPI傳感器的最大輸出信號峰-峰值為2.52 V。

(b)EFPI諧振頻率時傳感器靈敏度對比(b)Comparison of sensor sensitivity at EFPI resonance frequency圖7 EFPI和PZT傳感器檢測靈敏度對比結果Fig.7 Comparison of detection sensitivity between EFPI and PZT sensors

使用示波器記錄兩種傳感器在不同頻率下的輸出信號峰-峰值，得到兩種傳感器的幅頻特性曲線，結果如圖8所示。PZT傳感器的諧振頻率為169 kHz，EFPI傳感器的諧振頻率為113 kHz，其結果與仿真計算結果一致。

圖8 幅頻特性曲線Fig.8 Amplitude-frequency characteristic curves

EFPI傳感器安裝在外置油腔結構內時，超聲信號經油箱壁傳播到油腔內，作用于石英膜片上，此時油箱壁相當于液-固-液聲耦合結構，油腔內聲壓受此耦合結構及外置固定結構的共同作用，其分布規律與一般情況有所不同。將外置油腔結構及EFPI傳感器安裝好后，使用PZT傳感器作為聲源，由數字信號發生器為其提供頻率為113 kHz，輸出幅值為100 mV的電信號，調節EFPI傳感器支撐結構改變石英膜片與油箱壁之間的距離L，通過示波器記錄EFPI傳感器輸出信號峰-峰值隨距離L變化的關系，結果如圖9所示。

圖9 傳感器輸出信號峰-峰值與距離的關系Fig.9 Variation of sensor output signal peak-to-peak with distances

在聲源固定位置及輸出強度基本不變的情況下，EFPI傳感器的檢測靈敏度有所下降，這是由于EFPI傳感器由油箱內部安裝到油箱外部后，聲波在傳播過程中經過油箱壁，在液-固分界面處傳播時，由于液-固之間聲阻抗不匹配，由公式(5)可知，聲波進入固體介質時會有一定的衰減且聲阻抗相差越大，衰減越明顯：

(5)

式中：P0為聲波經變壓器油傳入油箱內表面時的聲壓，Pt為聲波經箱壁傳遞后外壁的最終壓強，m為變壓器油和鐵箱壁之間的聲阻抗之比，d為箱壁厚度，λ為聲波在箱壁中的波長。根據式(5)可知聲阻抗之間的差異對聲壓有顯著影響。

傳感器石英膜片與油箱壁距離為5 mm時，輸出信號最強，根據文獻[19]可知，EFPI傳感器測得的聲壓強度即傳感器輸出信號幅值，隨傳感器石英膜片與油箱壁間距離L的增加先增加后減小，存在一個響應最強點。當距離L為27 mm時，傳感器石英膜片處在油腔拋物面焦點，此時根據拋物面聚焦原理分析，傳感器輸出幅值應該得到較大增強，在實驗過程中并未增強的原因是光敏樹脂材料與變壓器油的聲阻抗率相差較小，聲波反射強度低，同時受傳感器石英膜片及支撐結構的影響反射聲波無法全部聚焦。

3 實 驗

搭建以板-板電極放電系統為測試對象的實驗平臺，為達到模擬實際情況下局放超聲信號的傳播過程，在油箱中心位置放入80 kVA油浸自冷式變壓器模型，板-板電極靠近A相及B相中間位置，實驗平臺模型如圖10(a)所示。保持板-板電極位置不變，選取油箱前后左右4個壁中部靠下位置的4個檢測點，進行4次局放實驗，外置油腔耦合EFPI傳感器與PZT傳感器緊鄰安裝以保證接收到的局放超聲信號強度基本一致，通過檢測結果對比傳感器靈敏度，傳感器安裝示意圖如圖10(b)所示。

(a)局放模型(a)Partial discharge model

(b)傳感器安裝示意圖(b)Sensor installation diagram圖10 局放測試平臺Fig.10 Partial discharge test platform

外置油腔耦合EFPI傳感器安裝固定好后，接入解調系統，將解調系統輸出的電信號輸入到示波器[20]；PZT傳感器與信號隔離器及40 dB信號放大器相連，將輸出的電信號輸入到示波器。

實驗平臺進行升壓，當升壓變壓器加壓到一定電壓后，板-板電極發生局部放電現象，局部放電所產生的超聲波信號分別被EFPI傳感器和PZT傳感器檢測到。兩種傳感器安裝在油箱后壁時，檢測到的局放超聲信號如圖11所示。

(a)時域信號(a)Time domain signals

(b)頻域信號(b)Frequency domain signals圖11 傳感器安裝在油箱后壁時檢測到的局放超聲信號Fig.11 Partial discharge ultrasonic signals detected by sensor installed on rear wall of tank

通過檢測結果可以發現，EFPI傳感器輸出信號最大峰-峰值到達2 V，而PZT傳感器輸出信號最大峰-峰值不到1.5 V，由此可見，EFPI傳感器檢測靈敏度明顯高于PZT傳感器，同時也可以發現在較為真實的局放超聲信號傳播環境下，EFPI傳感器能夠更好地檢測到局放超聲信號。

為全面地測試EFPI傳感器的檢測性能，在板-板電極位置以及傳感器安裝方法不變的情況下，分別在油箱的左壁、右壁和前壁進行了三組局放實驗，實驗檢測結果如圖12所示。

(a)傳感器安裝在油箱左壁時檢測到的局放超聲信號(a)Partial discharge ultrasonic signal detected by sensor installed on left wall of tank

(b)傳感器安裝在油箱右壁時檢測到的局放超聲信號(b)Partial discharge ultrasonic signal detected by sensor installed on right wall of tank

(c)傳感器安裝在油箱前壁時檢測到的局放超聲信號(c)Partial discharge ultrasonic signal detected by sensor installed on front wall of tank圖12 局放超聲信號Fig.12 Partial discharge ultrasound signals

通過以上多組實驗發現，外置油腔耦合的EFPI傳感器不僅能夠檢測到局放超聲信號，而且其檢測靈敏度要明顯高于PZT傳感器。

4 結 論

本文針對EFPI傳感器在液體絕緣內局放超聲信號檢測應用中固有諧振頻率降低的問題，分析了液-氣復合介質下傳感膜片振動規律，設計并制作石英膜片的有效約束直徑為1.1 mm，厚度為30 μm，固有諧振頻率為113 kHz，靜壓靈敏度為7.5 nm/kPa的全石英結構EFPI傳感器。另外，針對變壓器內部惡劣的運行環境下極易導致傳感器法-珀腔空氣介質發生局放和膜片破損，危害變壓器安全運行，提出并制作了可安裝EFPI傳感器的外置油腔耦合結構。利用板-板電極作為局放源，并使用80 kVA油浸式變壓器作為聲障礙物模擬局放超聲信號傳播過程，以PZT傳感器作為對比，檢測外置油腔耦合EFPI傳感器的檢測，實驗結果表明，該傳感器檢測靈敏度明顯高于PZT傳感器。