一種用于高壓電氣設備局放超聲檢測的新型EFPI傳感器

張宇帥,隋浩冉,韓世杰,王贊, 2,高超飛,王偉

(1.華北電力大學 高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室,新能源電力系統國家重點實驗室,北京102206;2.國網經濟技術研究院有限公司,北京 102209; 3.北京信息科技大學 自動化學院,北京 100192)

0 引 言

鑒于我國能源分布東西不均,跨區域電力傳輸成為必然選擇,高壓電力設備如高壓電力變壓器、GIS等成為電網必然需求。然而,制造、運輸高壓電力設備時不可避免的產生絕緣缺陷,這些缺陷在運行過程中會導致絕緣劣化甚至絕緣失效。在絕緣劣化的前期階段會產生局部放電現象[1-3]。局部放電檢測被用作檢測絕緣缺陷的方法,在局部放電前期對存在缺陷的高壓電氣設備及時做出停電和檢修安排,可以避免主絕緣擊穿進而導致電力系統的惡性停電事故[4-5]。

局部放電伴隨著超聲波信號,超聲波檢測局部放電是一種被證明的有效檢測方法[6-7]。但對變電站現場運行的設備進行局放檢測時,傳統的壓電超聲傳感器容易受到現場的干擾從而降低信噪比[8-9],同時,高壓電氣設備的內部結構復雜、較厚的設備外殼均增加了外置式的壓電超聲傳感器在現場檢測的難度[10-11]。和壓電超聲傳感器相比,基于Fabry-Pérot原理的光纖超聲傳感器是一種測量局放的非電性檢測方法[12],具備很好的電絕緣性,傳感器可小型化、靈敏度高等優點[13]。

由于高壓電力設備內部均為充油或充氣的絕緣結構,文中針對高壓電氣設備的這些特點,設計了一種新式的非本征法布里帕羅干涉(Extrinsic Fabry-Pérot Interferometer, EFPI)光纖超聲傳感器,可以嵌入到高壓電氣設備內部。新設計的傳感器采用了全石英結構,并在F-P腔壁上進行激光打孔,使高壓電氣設備內的絕緣介質填充到F-P腔內,大大降低了溫度和外界壓強變化對傳感器性能帶來的影響。然而,絕緣介質進入F-P腔,改變了紅外光在F-P腔的傳播特性,使得干涉光的光強和相位發生變化,從而影響了傳感器的信號質量。為避免絕緣介質在F-P腔內對光信號的影響,在石英膜片上局部鍍膜,增強光的反射率,提高傳感器靈敏度。文中對新型傳感器的性能進行了驗證,為檢測高壓電氣設備內部局部放電提供了一種新的方法。

1 壓強平衡結構光纖EFPI超聲傳感器原理

膜片式光纖EFPI超聲傳感器檢測系統原理如圖1所示。

圖1 膜片式光纖EFPI超聲傳感器系統

傳感器探頭的核心組件為石英膜片、單模光纖和石英毛細管。石英毛細管固定單模光纖和石英膜片,由光纖端面和石英膜片的內表面組成F-P腔的兩個反射面。在傳感器檢測超聲信號時,激光光源發出單色光沿著單模光纖入射到F-P腔內,根據Fresnel原理,入射光在光纖端面與空氣所組成界面的反射率約為3.6%,其余96.4%的入射光會透過界面進入F-P腔,進入F-P腔的光入射到石英膜片上,大部分會通過石英膜片透射出去,其余部分在石英膜片內表面反射回到光纖端面,大約有3.3%的光透過空氣與光纖端面所組成的界面回到光纖,光纖端面與膜片內表面的兩束反射光在光纖內部干涉疊加引起光強的變化,最后通過光纖環形器輸出。當超聲信號作用到膜片上時,會引起膜片的振動繼而引發膜片的變形,膜片的變形導致F-P腔的長度發生微小的變化,與膜片未發生形變時相比,這使進入F-P腔體在膜片內表面反射回光纖的光產生相位變化,從而改變干涉光譜[14-16]。通過檢測干涉后的光譜,并通過光電轉換裝置就可檢測到超聲波信號。干涉后得到的光強為[17]：

I=2I0R[1+COS(Δφ)]

(1)

(2)

式中I0為光源發出的光強;R為反射面的反射系數;l為兩個反射面之間的腔長;n0為空氣的折射率;λ為光的波長;Δφ為干涉光的相位差。

由式(1)、式(2)可得,在反射系數R確定的情況下,返回的兩束光干涉后的光強只與腔長l有關。外界振動信號作用到傳感器時將會引起膜片發生形變,改變傳感器的腔長進而改變兩束光的相位差,從而使得兩束光干涉后的光強變化。通過對接收到光強信號的解調,可以實現對外界振動信號的測量[18-22]。

普通結構傳感器的初始工作點受溫度、外界壓強影響。在F-P腔上打了兩個通氣孔從而使F-P腔的內外壓強一致,其可以避免外界壓強對F-P腔的影響,全石英焊接結構的EFPI傳感器避免了引入多種溫度系數不同的介質,可以大大降低傳感器的溫度系數,因此文中重新設計了壓強平衡結構的光纖EFPI超聲傳感器,采用全石英焊接結構。其具體結構如圖2所示。

圖2 壓強平衡光纖EFPI超聲傳感器結構

2 新型光纖EFPI超聲傳感器的結構及制作

采用壓強平衡結構的EFPI傳感器,將使絕緣介質如變壓器油、SF6氣體等進入F-P腔,平衡絕緣介質在石英膜片兩側產生的壓強差,然而F-P腔中的絕緣介質比如變壓器油會改變光在傳感器F-P腔中的傳播特性,降低了傳感器的靈敏度。新設計的光纖EFPI傳感器的結構如圖3所示。它是由石英玻璃管、單模光纖和石英膜片組成。圖3中各部分的連接點,是由CO2激光器發出的激光進行熱熔焊接。

圖3 新型光纖EFPI超聲傳感器探頭結構示意圖

制作時,光纖端面和膜片內表面相距8 μm時,傳感器具有很好的靈敏度。為此,先將毛細管與石英膜片用CO2激光器發出的激光進行熱熔焊接,然后在光纖上抹上慢干型膠水,將光纖插入石英毛細管,通過腔長測量系統緩慢調整光纖端面與膜片內表面的距離,當距離為80 μm時,將光纖與石英毛細管固定,膠水凝固后,在毛細管凹槽處用激光將毛細管與光纖焊接在一起。

因為傳感器探頭全采用激光焊接而成,降低了由于不同材料的熱膨脹系數不同造成的傳感器性能的變化,鍍鋁膜后的膜片和焊接完成的傳感器端面如圖4所示。

圖4 鍍膜后的石英膜片與焊接完成的石英膜片

石英膜片自身的厚度為50 μm,直徑為4 mm,在其中心進行了局部鍍膜,膜厚300 nm,直徑0.8 mm,材料為鋁,以提高膜片對光信號的反射率,平衡F-P腔內絕緣介質對光傳播的影響,石英玻璃管的外徑為4 mm,膜片振動的有效直徑為2 mm,石英玻璃管上用CO2激光器打兩個通孔,以保證F-P腔與絕緣介質相連通,如圖5所示。

圖5 鍍膜后光纖與石英毛細管的焊接及F-P腔開孔

3 新型光纖EFPI超聲傳感器性能測試

為了測試新型光纖EFPI超聲傳感器的性能,依次進行了傳感器的溫度試驗、反射光譜測量、特征頻率和變壓器油中的靈敏度試驗。

3.1 新型光纖EFPI超聲傳感器的溫度特性

光纖EFPI超聲傳感器的靈敏度與F-P腔長密切相關,F-P腔長為80.01 μm時,傳感器工作在靜態工作點,此時F-P腔長發生微小變化,兩束反射光的干涉光強變化最大,即傳感器靈敏度最高,而材料具有熱脹冷縮的特性,為了避免由于高溫導致靜態工作點偏移、傳感器靈敏度降低,設計了新型光纖EFPI超聲傳感器溫度特性測量系統,如圖6所示,測試傳感器的F-P腔長與溫度的關系。將傳感器放置到變壓器的絕緣油中,油中放置一根可控制溫度加熱棒來調節溫度。通過控制加熱棒的溫度調節變壓器油的溫度,測量傳感器在各個溫度下的腔長。圖7是傳感器F-P腔長隨溫度變化的測試結果。從結果中可以看出,傳感器的F-P腔長受溫度的影響很小,在10 ℃～90 ℃范圍內,為0.02 nm/℃。F-P腔長隨溫度變化較小主要有兩方面原因：(1)傳感器為純石英結構,石英的熱膨脹系數很小,避免了材料熱膨脹引起傳感器腔長變化;(2)在石英毛細管壁上打孔,使絕緣介質填充F-P腔,避免了因石英膜片兩側材料(空氣和絕緣材料),熱膨脹系數不同,受熱膨脹擠壓石英膜片,從而降低了溫度對F-P腔長的影響。

圖6 新型EFPI傳感器溫度特性測量系統

圖7 腔長隨溫度的變化曲線

3.2 新型光纖EFPI超聲傳感器反射光譜測量

用MS9740A光譜儀測量石英膜片鍍鋁膜與未鍍膜壓強平衡光纖EFPI超聲傳感器在空氣和變壓器油中的反射光譜。

圖8為石英膜片鍍鋁膜前后,傳感器在空氣中和變壓器油中的干涉光譜。以光源波長1 551.455 nm為中心,測量了波長范圍為10 nm的干涉光譜,得到未鍍膜傳感器在空氣中反射光的功率為314.775 μW,放置到變壓器油中時反射光的功率降低到177.011 μW,鍍鋁膜后傳感器在空氣中反射光的功率為1.067 mW,放置到變壓器油中時反射光的功率降低到774.462 μW,說明變壓器油進入F-P腔后,影響了光在F-P腔的傳播特性,將導致傳感器靈敏度的降低;在石英膜片上鍍鋁膜以后,反射光的功率從314.775 μW增長到1.067 mW,明顯增加了傳感器返回的干涉光的強度,這將大大提高傳感器的靈敏度。在傳感器的F-P腔內注入變壓器油后,反射光的功率又降至774.462 μW,但仍大于未鍍鋁膜條件下反射光的功率。

圖8 鍍鋁膜與未鍍鋁膜傳感器在空氣或變壓器油中

3.3 新型光纖EFPI超聲傳感器的中心頻率

為了分析新型光纖EFPI超聲傳感器的頻率特性,設計了傳感器局放測試系統,如圖9所示。用針板電極作為放電源,將新型光纖EFPI超聲傳感器放置到油箱中測量局放產生的超聲信號。

圖9 新型光纖EFPI超聲傳感器局部放電檢測系統

圖10為新型光纖EFPI超聲傳感器在變壓器油中所測到的超聲信號。通過對傳感器測量的多次信號進行數據處理得到圖11所示傳感器的頻率特性,得出新型光纖EFPI超聲傳感器的中心頻率為31.7 kHz,可以實現變壓器內部局部放電的超聲檢測。

圖10 新型光纖EFPI超聲傳感器在油中測到的PD超聲信號

圖11 傳感器的頻率特性

3.4 石英膜片鍍鋁膜與未鍍鋁膜傳感器信號對比實驗

為了驗證鍍鋁膜后壓強平衡光纖EFPI超聲傳感器的信號質量、靈敏度的變化情況,設計了鍍鋁膜與未鍍鋁膜傳感器檢測信號的對比實驗,用針板電極作為放電源,將鍍鋁膜和未鍍鋁膜的兩個壓強平衡EFPI傳感器探頭同時并列放置在正對局放點并距離局放點20 cm,俯視示意圖如圖12所示,一號探頭為鍍膜傳感器,二號探頭為未鍍鋁膜傳感器,用兩個探頭對同一次放電進行檢測,并調整測量距離進行對比。

圖12 傳感器探頭及針板電極布置俯視圖

檢測結果如圖13所示,可以看出在傳感器探頭距離針板電極20 cm和25 cm時,鍍鋁膜傳感器的信號幅值大于未鍍鋁膜傳感器的信號幅值,這說明石英膜片鍍鋁膜后,提高了傳感器的靈敏度。

圖13 鍍鋁膜與未鍍鋁膜傳感器測量信號對比

3.5 新型光纖EFPI超聲傳感器的應用及其對高壓電氣設備的影響

目前新型光纖EFPI超聲傳感器已經完成了江蘇省電力科學院的變壓器故障模式識別實驗的測試和驗證;在揚州地區完成了實際運行變壓器局部放電檢測實驗。

富民變電站110kV 2#主變EFPI光纖局部放電在線監測系統已正式投入運行。安裝后的變壓器如圖14所示。

圖14 安裝局放監測系統后的富民變電站110 kV 2#主變

劉集變電站35 kV 1#主變因雷擊跳閘,監測到乙炔含量超標,懷疑內部存在故障,應用新型光纖FEPI超聲傳感器裝置對其進行了局部放電檢測試驗,準確找出繞組匝間故障,如圖15所示。

圖15 劉集變電站繞組故障

新型光纖EFPI超聲傳感器借用溫度傳感器油杯和在手孔法蘭盤加工油杯的方法安裝,與變壓器內部油系統隔離,但又能檢測到局部放電信號。即達到了檢測效果,又確保了變壓器的安全運行和降低傳感器的損壞幾率,又十分容易安裝和更換,是一種非常有效實用的方法。

4 結束語

文章開發了一種新型結構的光纖EFPI超聲傳感器,采用了全石英焊接工藝,F-P腔與絕緣介質連通的結構,消除了溫度和外界壓力變化對傳感器性能的影響,并且具有很低的溫度依賴性,約為0.02 nm/℃。同時,對振動膜片局部鍍鋁膜,補償了光在變壓器油中的損耗,提高了新型光纖EFPI超聲傳感器的靈敏度。新型結構的光纖EFPI超聲傳感器可以內置于變壓器、GIS等高壓電氣設備,測量局部放電產生的超聲信號。新型結構的光纖EFPI超聲傳感器具有抗干擾能力強、靈敏度高、安裝方便、對內置設備影響小等優點,是一種非常有效實用的檢測方法。