超聲—光法在高壓電器設備局部放電檢測中的應用

孫花枝　劉振　彭斌

【摘要】隨著社會主義市場經濟的高速發展，我國電力系統也逐步完善，將超聲—光檢測法應用到高壓電器設備局部放電檢測中，不僅可以降低電磁干擾等現象的產生，還可以提升電力系統運行的可靠性。為此，本文主要對高壓電器設備局部放電檢測中光纖傳感器的概況、實驗測量及應用進行了分析與探究。

【關鍵詞】高壓電器設備；局部放電；超聲-光檢測法；光纖傳感器；概況；實驗測量；應用

隨著我國綜合實力的提升，對電力系統可靠運行的要求也越來越高。作為電力系統的重要組成元件，電氣設備如產生事故，不僅會對其附近設備造成極大的影響，更會給用戶造成嚴重的經濟損失。據相關數據顯示，電氣設備故障的主要原因就是絕緣失效。局部放電因絕緣缺陷引發，使電介質長時間擊穿電壓常常不到短時擊穿電壓的幾分之一，因此，局部放電作為各種大型電氣設備長期運行中絕緣劣化的重要原因而受到關注。為提高高壓電器設備局部放電檢測的準確性、有效性，英國Southampton大學受聲光法的啟示，成功將電光法運用到電纜局部放電檢測中，通過將局部放電的電信號轉換為光學信號，可以有效防止信號傳輸過程中的外界干擾，并避免過電壓問題的產生，在高壓電器設備局部放電檢測中得到了廣泛地應用。

一、光纖傳感器的概況

上個世紀90年代，法國PaulSabatier大學R.Mangeret在大氣壓下通過單根熒光光纖對尖板放電的光信號進行檢測，進而對空氣與SF6氣體內的局部放電光譜圖進行了研究，認為光纖、光電探測器選用的不同，將對檢測的靈敏度造成直接的影響。在實驗室內通過光測法對局部放電特征與絕緣劣化機理等內容進行了分析，并取得了不錯的成績，但這種設備具有較高的成本，為此在高壓設備局部放電檢測中應選用與之相適應的方式，如光纖技術。作為現代最常用的檢測方式，通過光纖傳播信號，可以有效隔離測試系統和高壓源。在熒光光纖與局部放電光譜特點分析的前提下，在高壓電器局部放電檢測中此方式得到了大量地應用。

作為放電的光傳感元件及傳輸通道，光纖的抗電磁干擾能力較強。光纖檢測最早應用于檢測局部放電發出的光信號，也可以稱為直接光測法。光纖傳感器的基本工作原理就是通過光纖將來自光源的光信息向調制器進行傳送，在待測參數和調制區內的光產生作用后，改變光的光學性質，如光的強度、波長等，成為調制的信號源，隨后利用光纖向光探測器傳送，經解調后，得到被測參數。目前，光纖傳感器主要有物性型光纖傳感器與結構型光纖傳感器兩種測量原理。物性型光纖傳感器是通過光纖對環境變化的敏感性，把輸入的物理量向調制的光信號進行轉換。結構型光纖傳感器是一種測量系統，其主要組成部分為光檢測元件（敏感元件）、光纖傳輸回路及測量電路。相比傳統傳感器，光纖傳感器的敏感信息載體為光，傳遞敏感信息的媒介為光纖，這種光纖傳感器具有良好的電絕緣性、能力和抗電磁干擾能力，能夠遠距離監控被測信息，在高壓電器設備局部放電檢測中具有良好的應用效果。

二、傳感器局部放電實驗測量

1、實驗樣品模型

由電纜絕緣缺陷引發電纜局部放電現象，氣隙、雜質及金屬毛刺等都屬于電纜絕緣缺陷。通過光學電纜傳感器，可以檢測交聯聚乙烯電力電纜中局部放電信號的傳感能力，其3種典型缺陷模型如圖1所示。其中氣隙放電模型為（a），同心放置兩層電極，交聯聚乙烯為中間的3層，其尺寸定為：40毫米x40毫米，選用半徑為1毫米的氣隙為中間層交聯聚乙烯中心，實驗過程中應在絕緣油內放置模型。

沿面放電模型為（b），該模型構成成分為交聯聚乙烯（40毫米x40毫米）、銅電極（2片）。應先打磨銅電極，確保其光滑性，避免放電干擾情況出現在電極尖端。

表面放電模型為（c），選用40毫米x40毫米的交聯聚乙烯，5毫米為相鄰兩個電極的間距。

2、實驗結果

相比局部信號幅值，光纖電流傳感器典型缺陷模型采集與提取的局部放電信號內的干擾幅值應小于局部信號幅值，局部信號測量結果的上升沿與下降沿較陡，0.5us為其持續時間。

三、高壓設備局部放電檢測中超聲—光檢測法的應用

當局部放電情況出現在高壓電器設備內部介質時，其瞬間釋放的能量能夠加熱放電源附近的介質，并促使其蒸發。這種情況下，放電源像聲音一樣，不斷向外進行聲波傳遞。因放電具有極短的持續時間，并能發射出較寬的聲波頻率，為對聲信號進行有效檢測，選擇傳感器極為重要。作為現代傳感器技術的重要組成部分，光纖傳感技術是在光導纖維與光纖通信技術發展的基礎上快速發展的新型傳感技術。本文通過對2種光纖傳感（Fabry-perot、Mach-zehnder）的介紹，分析了光纖傳感技術在高壓電器設備局部放電檢測中的應用方式。

1、Fabry-perot干涉超聲-光檢測法

Fabry-perot干涉超聲-光檢測系統選用的光纖傳感器為敏感元件的非功能光纖傳感器。傳感器探頭、光源、光電信號處理器等都是整個系統的組成部分。該方式的工作原理為單色光由光源發射處理，通過3dB耦合器順著光纖向傳感探頭內傳遞，在光纖纖芯-氣體交界面入射光產生第一次反射，進入密封氣體腔內的為其余入射光，共占96%。二次反射發生在涂有金屬層的硅薄膜片上，基本為全反射。隨著局部放電出現的超聲波壓力信號傳感探頭返回的光信號將對硅薄膜片產生擠壓作用，在改變其空間間隙的情況下，光信號也會隨著改變，變為干涉條紋。連續干涉條紋的轉換能夠對密封氣體腔間隙改變的信息進行充分反映，基于此，必須確保輸出的光信息與實際輸入的超聲波信號相符合。

2、Mach-zehnder干涉超聲-光檢測法

光源、光纖繞圈傳感器探頭、2個3dB光纖耦合器、光電信號處理器等都是Mach-zehnder干涉超聲-光檢測系統的重要組成部分。如圖2所示。其工作原理為經過3dB耦合器將光源發射出的相干光分為2個相等的光束，在信號臂光纖內進行一束傳輸，在參考臂光纖內進行另一束傳輸，外界信號在信號臂光纖繞圈探頭產生一定作用，兩束光在第二個3dB耦合器內進行再次耦合，隨后通過光纖分為2束光，并向2個探測器進行傳遞。

因這個光纖傳感器具有較為簡單的結構，通過光纖可以對其微弱外部聲信號進行探測，也可以利用光纖繞圈匝數的增加，來提升傳感器的敏捷性。通過相關實驗對函數發生器、電極發電出現的超聲波進行檢測。通過Mach-zehnder干涉超聲-光檢測油中局部放電可行性的研究，相比傳統壓電超聲波傳感器，這種方式具有較高的靈敏性及性價比。將其光纖繞圈傳感探頭設置在三相變壓器內，可以有效檢測具體變壓器的局部放電情況，這種系統的應用，可以對局部放電出現的微弱超聲波信號進行檢測，并能確保定位的準確性。

四、結束語

綜上所述，現階段光纖電流傳感器檢測中具有較低頻率或靈敏度，在檢測中主要運用于工頻大的電流。寬帶高頻光纖電流傳感器的研制，可以滿足局部放電信號頻率分布范圍廣及幅值低的特性。通過Fabry-perot干涉超聲-光檢測法、Mach-zehnder干涉超聲-光檢測法的分析，可以有效提升超聲-光檢測法在高壓電器設備局部放電檢測中的準確性、靈敏度，為提升電力設備等級與設備可靠運行提供強有力的保障。

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