基于光纤法珀传感器的局部放电测试系统

郭少朋，高莹莹，徐鲁宁 ，韩 立

(1.中国科学院电工研究所，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100049)



基于光纤法珀传感器的局部放电测试系统

郭少朋1,2，高莹莹1，徐鲁宁1,2，韩 立1,2

(1.中国科学院电工研究所，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100049)

针对油浸变压器中局部放电的测试需求，设计了一套基于光纤法珀传感器的超声波测试系统。该系统采用集成可调谐激光模块作为光源，通过光纤环形器把光源、法珀传感器和光电探测器连接起来。光电探测器的直流输出信号通过MCU的检测，用来调整集成可调谐激光器模块的工作波长和传感器的工作点。对光电探测器输出的交流小信号通过信号调理电路进行放大、滤波得到被测声波的模拟信号。通过对模拟信号进行数据采集、分析和显示，实现对局部放电的监测。

变压器；局部放电；超声波传感器；法布里-珀罗干涉仪；集成可调谐激光模块；信号调理

0 引言

通过检测局部放电(简称局放)产生的超声波信号，可以发现电力变压器绝缘缺陷的位置，避免重大事故的发生[1-2]。传统的压电传感器通过在变压器外壳上探测超声波信号来检测和定位局部放电的位置，但会遇到声波在壳体上传输的多路径问题和壳体对声波的衰减问题[3]。近年来，国内外学者提出了一种用于局放测量的光纤法珀(Fabry-Perot，FP)传感器，它具有绝缘、耐腐蚀、抗电磁干扰、体积小、灵敏度高等特点，可以安装在变压器壳体内部进行局部放电测量[4-8]。

FP传感器测量声波时，需要把工作点维持在干涉条纹中部线性区域才会具有高的灵敏度，但是在实用中会因为温度等因素影响，工作点发生漂移[5-9]。针对工作点的调节，文献中构造的光滤波器、光放大器方法结构复杂[10]，而采用分布反馈激光器(Distributed Feed Back,DFB)方法的调谐范围小[11-12](<4 nm),应用受到限制。本文基于研制的光纤FP传感器，采用一种新型的集成可调谐激光器模块(Integratable Tunable Laser Assembly ，ITLA)，通过MCU对干涉光强的监测，来调节激光器波长以稳定工作点，并设计了信号调理、数据采集电路。该系统工作稳定，灵敏度高，可用于局放监测。

1 FP传感器的工作原理

FP传感器的工作原理如图1所示。FP传感器由2个反射面构成：一个是光纤端面反射率R1，另一个是薄板/膜制作的反射镜反射率R2，两个反射面的间距是腔长L。光纤输入的入射光，遇到2个反射面发生反射，反射光发生干涉，干涉的相位差θ由式(1)计算：

θ=2π·2L/λ

(1)

式中λ为光波长。

图1 光纤FP传感器的工作原理

传感器薄膜遇到局部放电而产生超声波时，随声波振动，造成L及θ的变化。输出光强随之变化，当传感器的静态工作点处于干涉条纹中部线性区域时，干涉光强变化(ΔI)对薄膜振动(Δθ或ΔL)最灵敏，传感器可以高灵敏度工作；静态工作点处于条纹的峰值与谷底时，干涉灵敏度趋于0。静态工作点的位置(见式(1))θ是腔长L和波长λ的函数，温度影响L的变化，造成工作点的位置变化，可以通过调节ITLA的波长λ来修正。

2 系统设计

如图2所示，测试系统由光路控制部分和电路处理部分构成。光路控制部分包括可调谐激光器、光环形器、FP传感器，光电探测器以及控制光路稳定工作的MCU(STM32F103)。电路处理部分包括信号调理电路和数据采集、显示电路等。

图2 测试系统原理框图

3 光路及其控制

如图2所示，可调谐激光器发出的光经单模光纤进入环形器1口，从环形器2口进入FP传感器，FP传感器的反射输出返回环形器2口，再从3口输出经光电转换电路转换为电压信号。MCU对直流电压信号进行采集和监控，调整可调谐激光器的工作波长，从而稳定传感器的工作点。

3.1 FP传感器

目前该传感器尚无成熟产品，测试系统采用研制的FP传感器，采用光学玻璃制做圆片薄板，厚度150 μm，直径2.52 mm，腔长L为43 μm，光纤端面和薄板内侧镀了介质反射膜：R1为0.52，R2>0.97。采用上述尺寸参数，传感器薄板的共振频率约100 kHz，与被测超声波频率范围较吻合。上述腔长和反射率参数可以获得较理想的干涉条纹曲线，这对于提高灵敏度非常有利。用ITLA激光器扫描上述参数的传感器测得的干涉光谱曲线如图3所示。干涉谱对波长的导数代表了该波长位置的灵敏度，工作时把波长设置在导数曲线峰值位置，可获得最大的灵敏度，它处于干涉谱曲线的中部线性区域。

图3 传感器干涉谱及工作波长选择

3.2 光电探测器

PIN电流-电压转换电路如图4所示。图4中光电探测器S1(光电二极管PIN，型号G-PD830，C波段的响应度约为1 A/W)，用来把光强度信号转为电流信号。运算放大器U1A(低噪声运算放大器AD8652)与PIN构成零偏置电流-电压转换电路，它具有低噪声、降低输入阻抗的优点[13]。转换输出电压信号(PDV)的低频直流部分(PD_DC)用于工作点监测，高频交流部分(PD_AC)用于声波监测。

图4 PIN电流-电压转换电路

3.3 可调谐激光器

可调谐激光器采用ITLA，基于SG-DBR原理的ITLA，调节范围大、调节速度快。SG-DBR的调谐原理是通过调节前后反射光栅的反射光谱，可获得基于游标效应的大范围波长调谐输出[14-15]。ITLA主要性能指标：可调谐范围1 528～1 563 nm，波长(或通道)间隔50 GHz(约0.4 nm),通道96个，调节周期0.1 s,光功率9～13 dBm。

光互联网论坛的集成可调谐光源模块多源协议(OIF-ITLA-MSA-01.2)对ITLA硬件接口和通讯协议制定了标准。接口定义及实用电路如图5所示。+3.3 V电源对ITLA数字电路及电源供电，所以需要提供大于1 A的电流。DIS、MS及RST接上拉电阻R13，表示配置为激光输出允许，串口通讯上电复位、ITLA上电复位。

图5 ITLA接口电路

通讯协议的指令为4字节(如表1所示)。下传指令(To ITLA)中第一字节高四位为校验和(SUM)，y是校验和错误的标识位，最低位表示指令类型(读为0，写为1)；第二字节为读写寄存器地址(00～FF)；第三、四字节为读写内容。设置通道用写指令，寄存器地址为0x30;查询当前激光频率用读指令，访问寄存器为0x40、0x41。MCU下传四字节读/写指令后，ITLA上传四字节的应答指令(From ITLA)。

表1 ITLA通讯协议

3.4 工作点相位的稳定控制

当温度变化造成工作点漂移时，光功率会明显变化。因为温度是一个缓变量，而ITLA的调节速度快，可以通过监测光功率的变化，调整ITLA的工作波长/通道，稳定工作点的位置。光电转换及ITLA控制电路如图6所示。反映工作点的直流电压信号(图4中PD_DC)送至STM32F103芯片的AD输入引脚(图6中ADC_0)，可实现工作点监测。工作点调整通过STM32F103向ITLA发送波长/通道修改指令来实现。ITLA的串行通讯接口定义为LVTTL电平，STM32F103的串行收/发引脚(USART3中ARM_T,ARM_R)与ITLA的串行收发引脚交叉相连，不需电平转换。用于STM32F103程序下载(USART1)的通讯引脚需要转换为RS232电平与电脑相连。BOOT1接地，BOOT0接电源，配置为下载程序；BOOT0接地时配置为上电运行程序。

图6 光电转换及ITLA控制电路

激光器波长调整流程如图7所示。工作点的控制分为两种工作状态-扫描状态和定时器跟踪状态。起始阶段，MCU顺序扫描ITLA的逐个波长/通道，同时MCU通过A/D采集记录逐个通道对应的电压输出值，可获得如图3所示的光谱曲线。MCU把ITLA的初始工作通道设置在曲线导数最大的位置，传感器可高灵敏度工作。然后MCU初始化定时器，进入跟踪状态。MCU以设定时间(通过定时器触发的次数n是否等于N来计时)查询当前光功率与初始工作通道的光功率偏离的程度，当二者差值超出阈值时，进行调整，否则重新计时(n清零)。调整的方法是：通道增/减1试探，通过比较(通道±1)调整的结果，把较优的通道保留下来。这样通过周期性、持续地调整可以实现工作点的长期稳定，消除温度等缓变量对传感器工作点的影响。

图7 MCU对ITLA工作点控制流程图

4 电路设计

4.1 信号调理电路设计

用于测量声波的信号来自电流-电压转换电路输出的交流信号(图4中PD_AC)。信号调理电路(如图8所示)对交流信号(PD_AC)进行交流放大电路(如图8(a)所示)输出AC_AMP信号，再经滤波电路(如图8(b)所示)所示输出可用于数据采集的AC_ADC信号。运放U1、U2采用单电源+5 V供电，输入端静态偏置电压2.5 V。U1B实现交流放大，C3为隔直电容。U2A部分构成二阶低通滤波器，U2B部分构成二阶高通滤波器，串接在一起取低通高通的交集实现带通滤波功能，根据被传感器及被测声波的信号特征，交流培益40 dB，带通滤波器的通带50～200 kHz。滤波器输出信号(AC_ADC)为直流偏执为2.5 V的交流信号。

(a)交流放大电路

(b)带通滤波电路图8 信号调理电路

4.2 数据采集处理

经过放大、滤波的模拟输出信号(AC_ADC)，输入采集卡输入端进行数据采集。数据采集卡选用PCI-20614。采集卡具有4个独立通道，每通道的量程4档可调(±500 mV、±1V、±5V、±10V)，采样率可达20 MHz，采用14位A/D转换，采集卡可配置4G的SDAM缓存。触发方式有指令触发、模拟幅值内触发和TTL电平外触发方式；采集起点时间超前或滞后触发信号；耦合方式有交、直流耦合。工作中预览波形时采用指令定时触发或者定时外触发、零延时采集；扑捉特殊的放电声信号时刻采用模拟触发及超前采集，采用交流耦合消除直流偏置电压。

5 实验

整机设计3路独立的光路及信号调理电路，可以同时测试3路局放产生的超声波信号。3路模拟信号的输出接数据采集卡(PCI-20614)的输入。试验中在油箱内部安装了3路FP传感器，测试油隙击穿放电声波。针尖间隙约0.5 mm，施加脉冲电源约50 kV。以电脉冲触发为零点，测试到了油中局放源到达3支传感器的不同延时(t1,t2,t3)超声波信号如图9所示。根据油中声速(室温，1 450 m/s)，可以计算出局放源与3支传感器的距离，测距离误差小于1 cm，实现了局放源的精确定位。经校准，该系统可测试最小局放声波信号的声压约1 Pa，可以用于局放测试。

图9 3路局放声波采集数据

6 结束语

设计了一套光纤法珀传感器系统，可内置于变压器油中进行局部放电测量。采用ITLA解决了法珀传感器工作点稳定问题，并给出了稳定工作点的电路结构及控制方法；设计了光电转换、信号调理及数据采集电路；实验验证了研制的3路传感器系统对油中局部放电超声波的测试性能。本文对研制采用光纤法珀传感器的局部放电测试系统具有参考意义。

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Partial Discharges Detection System Based on Fiber Fabry-Perot Sensors

GUO Shao-peng1,2,GAO Ying-ying1,XU Lu-ning1,2,HAN Li1,2

(1.Institute of Electrical Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

A measurement system was designed based on ultrasonic fiber Fabry-Perot sensors,aiming at detecting partial discharges in oil-immerged transformers.The sensors were illuminated by Integratable Tunable Laser Assembly(ITLA).The ITLA,the sensor and the photodetector were connected via fiber circulator.The wavelength of the ITLA can be altered by MCU according to the DC signals from the photodetector.Thus,the working point of the sensor can be stabilized.Acoustic analog signals can be obtained via amplifying and filtering the small AC signals from the photodetector by the conditioning circus.The partial discharges could be monitored by data acquisition,analysis and display of the analogy signal.

transformers;partial discharges;ultrasonic sensors;Fabry-Perot interferometers;ITLA;signal conditioning

2015-02-12 收修改稿日期：2015-08-08

TP216;TM835

A

1002-1841(2015)12-0061-04

郭少朋(1974— )，助理研究员，博士研究生，研究方向为光电传感技术。E-mail：gsp@mail.iee.ac.cn 高莹莹(1974— )，工程师，硕士，研究方向为微纳加工技术及光电传感技术。E-mail：gaoyy@mail.iee.ac.cn