光纤传感器在局部放电检测中的研究进展综述

郭少朋， 韩 立， 徐鲁宁， 高莹莹

(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)

光纤传感器在局部放电检测中的研究进展综述

郭少朋1,2， 韩 立1， 徐鲁宁1， 高莹莹1

(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)

随着电力系统容量的增大，电压等级的提高，电力系统的稳定运行显得更加重要。绝缘问题是导致电力设备故障和事故的主要原因之一，通过局部放电监测可以提前判断电力设备绝缘状况、发现绝缘缺陷。目前已经有多种局部放电检测方法，光纤传感器具有安全、绝缘和抗电磁干扰等优点，适合安装在设备内部进行在线监测。内置式光纤传感器可准确定位故障源，具有发展前景。文中首先对局部放电的常规测量方法、原理参数及优缺点进行了概述,然后介绍了基于超声波、氢气、荧光和紫外光检测的光纤传感器,详述了基于超声波检测的光纤传感器的研究进展，分析了研制光纤传感器的关键参数和应用问题，最后预期了光纤传感器的发展趋势。

局部放电； 光纤传感器； 超声波传感器； 法布里-珀罗； 综述

1 引言

绝缘体中放电只发生在局部区域，而没有贯穿施加电压的导体之间，这种现象称之为局部放电。局部放电的破坏机理是强电场下电介质电离出电子，电子轰击电介质材料，进一步扩增轰击电子的数目[1]。局部放电中的电子轰击、热、紫外光和生成的腐蚀气体对绝缘材料产生综合的破坏作用，根据这些现象可以对电力设备中的局部放电进行检测[2]。光纤传感器具有绝缘、安全、抗电磁干扰和易于实现在线检测等优点，在高电压电力设备中具有较好的应用前景。

2 局部放电常规的检测方法

局部放电常规检测方法性能对比见表1。常规脉冲电流检测法是通过检测变压器套管末屏接地线、外壳接地线、中性点、铁心接地线以及绕组中由于局部放电引起的脉冲电流，获得视在放电量，测试频率范围为30kHz～1MHz[3]。

表1 常规检测方法性能对比表

射频法通过电容传感器、Rogowski线圈和射频天线传感器等测试高频局放电流信号，测试频率通常可达1～30MHz[3,4]。

设备内部发生局部放电时，因壳体表面电流对地传播，在壳体表面可产生几个毫伏至几伏的暂态对地电压，通常采用电容传感器测量暂态对地电压，测量频率范围为1～100MHz。暂态对地电压法多用于高压开关柜和电缆的检测。

超高频法测试局放电磁波的频段为300MHz～3GHz，可以避开现场电晕等背景干扰。超高频法采用时差法进行定位时，对时间精度要求很高，定位难度较大，与超声波法结合使用具有较大的优势[5]。

化学检测法是指对局部放电的气体生成物进行检测。油绝缘设备常采用三比值法，即根据C2H2/C2H4、CH4/H2与C2H4/ C2H6的比值来判断故障类型和局部放电是否发生。SF6内局部放电的生成物为SOF2、SO2F2和SO2等[6]。化学检测法较稳定，但实时性较差。

采用紫外光成像和红外热像仪可以快速对电力设备外围及线路进行局部放电监测，排除实验环境及设备表面缺陷干扰，但是难以用于设备内部检测。

IEEE标准建议变压器局部放电的超声波测试频率在20～500kHz之间[7]，从噪声干扰及灵敏度方面考虑，通常采用的压电超声传感器测试频率在50～300kHz，中心频率在150kHz[8]左右。超声波定位成本低，准确度高。可采用压电传感器贴于变压器等设备外壳上进行定位测量，该方法较成熟，但是存在外壳对声波的衰减和传输多路径问题[9]。近年可内置于电力设备中的光纤超声波传感器的研究受到重视。

3 光纤传感器的研究现状

随着光纤传感技术的发展和应用，出现了许多用于电力设备的光纤传感器和专门用于局部放电测量的光纤传感器。光纤传感器具有其他类型传感器无法比拟的优点是因为光纤本身是二氧化硅等传光绝缘材料，抗电磁干扰适合用于高电压电力设备中；光纤细而柔软易于安装于电力设备的内部进行检测，灵敏度高、速度快。

目前用于局部放电测量的光纤传感器，按敏感对象可分为光、温度、气体、声波等。其中超声类光纤传感器具有局放源定位准确的优点，已成为一个研究热点。

3.1 用于局部放电检测的光纤传感器

因为局部放电产生紫外光，所以可以利用紫外光纤直接搜集局部放电产生的紫外光[10]来测量局部放电；但是由于绝缘油的紫外吸收特性[11]，以及光线容易被遮挡等问题，该方法的应用受限。

局部放电产生的300～450nm波长光照射荧光光纤可产生450～600nm波长的荧光，经普通光纤输出可以进行局部放电的测量[12]。国内清华大学魏念荣等[13]研究了荧光光纤传感器，并测试了电机端部裸露铜线的局部放电。重庆大学唐炬等[14]研究了荧光传感器的设计参数，并与超高频法对油浸变压器内的局部放电测量做了性能对比。与直接紫外光探测法相比，荧光光纤侧面可以作为接收面，灵敏度提高，但是敏感波长大于400nm，易受到可见光的影响。

文献[15]采用镀钯(palladium)光纤光栅测量油中的H2含量，光栅反射波长移动量与氢气浓度的灵敏度系数为0.044pm/ppm；假定波长解调精度1pm，则氢气的检测灵敏度为23ppm；同时验证了波长移动量不受局部放电产生的CH4、C2H2等其他气体的影响。

3.2 基于超声波检测的局部放电光纤传感器

3.2.1 光纤耦合器法

光纤耦合器是用两根扭绞在一起的单模光纤，经氢氧焰加热拉伸，形成一个细腰的熔锥区，两根光纤的包层合并在一起，纤芯距离很近形成光波导弱耦合结构。当声波作用于该耦合结构时，改变了耦合器的分光比，通过测试分光比的变化来测试局部放电产生的声波[16]。光纤耦合器法工作原理如图1所示。声波作用时耦合器分光输出信号V1、V2发生变化，V1+V2保持不变。因为光纤耦合区域较小，试验中为了提高灵敏度，把耦合区域粘贴在悬臂梁或者变压器壳体上，但粘贴在外壳上会带来低频噪声较大的问题。

图1 光纤耦合器法工作原理Fig.1 Principle of fiber coupler sensor

3.2.2 双光路干涉法

双光路干涉法(分为Michelson和Mach-Zehnder两类结构)的测量原理为：激光器发出的光经3dB耦合器分为两束相干光，其中一束光进入参考臂，另一束进入测量臂，声波作用于测量臂时，改变了测量臂的折射率，使参考臂和测量臂的相位差发生变化，导致输出光强发生变化。输出光强W的表达式为：

(1)

式中，W0为光源总功率；V为干涉条纹可见度；φ0为初始相位差；Δφ为相位差的变化量。

光纤Michelson传感器的测试原理如图2所示。1996年AbbasZargari把100m单模光纤绕制成直径30mm的光纤环，在小型油浸变压器上实验了局部放电声信号的测量[17]；并于2001年把光纤绕在直径100mm的圆柱型GIS模型外，进行了局放量测试，测试系统的灵敏度取决于绕制光纤的长度[18]。

图2 光纤Michelson传感器工作原理Fig.2 Principle of fiber Michelson sensor

光纤Mach-zehnder传感器的测试原理如图3所示。1997年ZhaoZhi-qiang将10.5m的单模光纤绕制成直径为11～14mm的光纤环(270圈)，再用聚亚安酯固封；研究了其方向特性与声波长的关系，证实了正负半波声压对光纤环同时作用时检测灵敏度降低的问题[19]；研究了采用3×3光纤耦合器的信号解调方法[20]；该系统的灵敏度达到1Pa[21]。J.E.Posada-Roman将17m的光纤绕制成直径30mm的环状传感器，传感器在50～200kHz频响曲线较平坦，150kHz时测试角度范围为±30°，最小测试声压1.3Pa[22]。文献[23]研究变压器套管局部放电的测量方法，试验了传感器在固体表面、油和空气中的频响特性。

图3 光纤Mach-zehnder传感器工作原理Fig.3 Principle of fiber Mach-zehnder sensor

3.2.3 光纤Fabry-Perot传感器

法珀传感器(Fabry-Perot,FP)分为本征型法珀干涉仪(IntrinsicFabry-PerotInterferometer,IFPI)和非本征型法珀干涉仪(ExtrinsicFabry-PerotInterferometer,EFPI)两类。IFPI的谐振腔介质是光纤，EFPI的谐振腔是非光纤介质。

FP传感器的工作原理如图4所示，激光器输出的光经耦合器(或者环形器)输入至FP传感器，FP传感器由两个反射面构成，它们的干涉结果再经过耦合器(或者环形器)输出至光电探测器。声波改变了两个反射面之间的光程，导致干涉相位和干涉强度的变化。干涉相位和干涉强度的关系式为[24]：

(2)

式中，干涉相位δ=4πnL/λ，其中L为谐振腔长度，λ为光波长；Ii为输入光强；Ir为反射输出光强；R1和R2分别为谐振腔前后面的反射率。当反射率极低时，多光束干涉可简化为双光束干涉；当腔长引起的光束损耗时，R2可以用ηR2(η为光功率损耗系数)近似代替[24]。

1992年T.R.Blackburn研制了长度150m光纤绕制成直径10cm光纤环结构的IFPI传感器。FP谐振腔由镀银的全反射末端和镀银的部分反射连接端面构成[25](如图4所示)。Lima研究了由光纤布拉格光栅(反射率40%)和光纤末端镀银面(反射率98%)构成谐振腔的IFPI传感器，谐振腔长度约25mm[26]。短腔长的IFPI灵敏度较低，文献[27,28]研制了一对光纤布拉格光栅(反射率50%)构成的IFPI传感器，谐振腔的长度2cm左右，粘接于弹性薄壁圆筒表面，但响应频率降低(峰值频率1kHz)[28]。

图4 光纤IFPI传感器的工作原理Fig.4 Principle of IFPI sensor

用于局部放电测量的EFPI传感器采用膜片式结构，如图5所示。声波作用于石英膜片时，膜片产生振动，改变了谐振腔的长度，导致输出光强的变化。谐振腔为空气腔体，光偏振方向稳定性高。敏感膜面积小，测试角度大，定位精度高。

图5 光纤EFPI传感器的工作原理Fig.5 Principle of EFPI sensor

2001年DengJiangdong等[29]，研制了测量局部放电的膜片式结构EFPI传感器。组成谐振腔的光纤端面和石英玻璃膜的反射率为4%，石英玻璃管的内径1mm，外径6mm，石英玻璃膜/板的厚度仅20um；对120kHz的针板局部放电模型进行了测试实验。WangXiaodong等[30]和赵洪等[31]采用MEMS工艺制作了EFPI传感器，并对膜片内侧做镀金处理以提高灵敏度。文献[32,33]对FP传感器的指向性进行了测试，角度范围超过±60°，这是由于振动膜片的直径较声波波长小。文献[34]用四个传感器模拟了定位实验，证实传感器布置的分散性越大，越有利于提高定位精度。文献[33]对局部放电量进行了测试，发现超声法测放电量的分散性较大，不适合定量测试。

光纤耦合器法与干涉法相比，受力面积小，灵敏度较低。双光路干涉法通过增加绕制光纤长度可以提高灵敏度，但是需要维持偏振态稳定等装置，结构复杂，稳定性较低；其次光纤环结构体积较大，存在正负半波声压抵消、灵敏度降低等问题，定位准确度较低。短腔长的FP传感器灵敏度较低，多圈绕制的FP传感器灵敏度较高。IFPI传感器以光纤作为谐振腔，存在着类似双光路干涉法偏振稳定性的问题。由于EFPI传感器采用空气谐振腔，偏振稳定，敏感膜片体积小，灵敏度高，定位精度高，相比较而言较具有优势。到目前为止也仅有EFPI传感器进行了较成功的定位实验。

超声类局部放电光纤传感器性能对比见表2。

表2 超声类局部放电光纤传感器性能对比表

4 超声波类传感器的关键问题分析

目前用于局部放电的光纤传感器，除了超声波方法，其他类型，如光、气体、热等检测方法，研究较少。下面重点分析超声波类特别是EFPI传感器的关键问题。

4.1 双光路干涉法的关键问题

4.1.1 灵敏度

Michelson和Mach-zehnder法敏感介质是光纤本身。光纤受到声波压力，折射率发生变化，干涉相位产生变化。长度为L的光纤对应的光波相位差φ0为：

(3)

式中，n为纤芯折射率；λ为光波长。

声波压力ΔP产生的附加相位差为Δφ，则双光束干涉的灵敏度为[21]：

(4)

式中，p11、p12为光纤的弹光系数；μ为材料的泊松比；E为材料的杨氏模量。A由光纤种类确定，典型的石英单模光纤S取值为4.9×10-12Pa-1。通过增加光纤长度L实现增加相位φ0，是提高灵敏度的有效办法。

4.1.2 角度影响

光纤绕成光纤环存在声压抵消的问题。假定一个半径r的光纤环，由正对声波的方向旋转一个角度θ，圆环上从纵轴顶点开始，α角度位置距离变化量Δx为：

(5)

则声压ΔP下整个圆环总的相位变化量为[21]：

(6)

局部放电频率150kHz时油中声波波长λ1在1cm左右，而光纤环直径一般略大于1cm，灵敏度受角度影响较大。角度特性与被测声波波长密切相关，理论上被测声波频率越高波长越小，灵敏度受角度影响越大。

4.2 IFPI传感器的关键问题

IFPI传感器的敏感介质是光纤本身，反射率较低时，多光束干涉可等效为双光束干涉，IFPI的灵敏度和角度问题与双光路法基本相同。高反射率IFPI传感器因多光束干涉，干涉条纹非常锐利，灵敏度高。相对于双光束干涉，当条纹精细度系数K>>1时，灵敏度SFP提高为[35]：

(7)

这时的静态工作相位应设置为[35]：

(8)

式中，K=4R/(1-R)2，R为IFPI传感器光纤两端的反射率。IFPI传感器可以通过提高R来提高传感器的灵敏度。

4.3 EFPI传感器的关键问题分析

4.3.1 灵敏度

膜片式EFPI传感器的柔性膜片在声压作用下凸凹变化。圆形固支膜中心挠度Δη与受到压强ΔP的关系为[36]：

(9)

式中，a为膜片半径；h为膜片厚度；μ为泊松比；E为材料的杨氏模量。提高压强-挠度的灵敏度可以提高传感器灵敏度。

优化反射率也是提高灵敏度的重要方法。由式(2)可知，当R1与R2相等时干涉条纹的对比度为1，考虑到法珀传感器的腔长损耗，应当设计R1=ηR2，其中光耦合效率η与L有关，R2应尽可能接近1，以降低光损耗。

4.3.2 共振频率设计

膜片式传感器对声波的敏感特性与频率关系密切，当膜片的共振频率与被测声波频率接近时，振动效果将显著增强。膜片在空气中振动的一阶自由频率为[36]：

(10)

在液体介质中，膜片的共振频率衰减为[36]：

(11)

式中，ρ为密度；ρ0为周围液体密度。

由式(9)可知，增大振动膜直径减小厚度，可以提高压力-挠度灵敏度，但是会降低一阶频率。为了保持传感器一阶频率不变，h与a2应保持同比例增大或者缩小。同比例地缩小h与a2可以提高压强-挠度灵敏度，在膜片强度满足应用的条件下，应尽可能缩小h与a2。

4.3.3 环境温度问题

变压器允许油面温升55℃，假设环境最高温度40℃，则油面温度可达95℃。温度变化对法珀传感器腔长的影响较大，会导致工作点相位的变化和灵敏度的降低。制作低温漂的传感器对材料、设计和工艺要求较高。另一种解决温度对工作点影响的办法是改变光源波长来补偿温度对工作点相位的影响。可调谐光源可以采用宽谱光源与可调谐光滤波器相结合的方法或者采用可调谐激光器[37]。

4.3.4 环境压力问题

变压器在注油前需要抽真空，法珀传感器安装在变压器箱体内，承受抽真空和油面高度带来的压力。压力会引起法珀传感器的膜片凸凹形变，甚至存在破坏膜片的危险；另外传感器所处的油压不同，会引起工作点相位的变化。为了减小油压影响，文献[36]采用了125μm/250μm两种不同厚度的石英膜，制作了内径2.5mm的传感器，安装在不同深度的测量位置；文献[30]中设计的法珀腔与外界环境通过一个直径0.4mm的小孔贯通，使传感器膜片免受环境压力变化的影响。

4.3.5 电场强度问题

光纤本身可用于强电场环境，通常不用考虑电场强度，但是EFPI法珀传感器内部因为有微小的空气腔，在强电场下可能会发生局部放电，所以在内置于变压器等电力设备时，应该对安装位置的电场强度予以考虑。文献[38]采用双孔光纤，对FP传感器腔体注入300kPa压强的SF6，经试验可承受大于10kV/mm的电场强度。

5 结论

随着国家电力系统电压等级的提高，光纤传感器由于具有天然绝缘优势，在电力系统测试领域中具有较好的应用前景。

(1)虽然出现了多种用于局放检测的光纤传感器，但是其仍未满足在线检测应用需求，比如用于气体成分检测的光纤传感器仍很匮乏。

(2)采用单一的传感器难以满足局部放电测试的应用要求，往往需要对声、光、电、热和气体等多种参量进行综合分析。光纤传感器易于组网，采用多种光纤传感器构成的传感器网络用于电力设备局部放电的检测将是一种发展趋势。

(3)成本问题是影响光纤传感器普及应用的一个重要因素。膜片式EFPI传感器可以采用MEMS工艺批量生产，有利于提高传感器的一致性并降低成本。波长可调光源可以较方便地解决干涉类传感器的工作点稳定问题，但目前占系统成本较高。随着可调激光器技术的发展，光纤传感器系统的成本将进一步降低，在电力系统中的应用将更加广泛。

[1] 陈季丹，刘子玉 (Chen Jidan, Liu Ziyu). 电解质物理学(Dielectric physics)[M]. 北京：机械工业出版社(Beijing: China Machine Press)，1982.

[2] 王昌长，李福祺，高胜友 (Wang Changchang, Li Fuqi, Gao Shengyou).电力设备的在线检测与故障诊断(On-line monitoring and diagnosis for power equipment) [M].北京：清华大学出版社(Beijing: Tsinghua University Press)，2006.

[3] 王国利，郝艳捧，李彦明 (Wang Guoli, Hao Yanpeng, Li Yanming). 电力变压器局部放电检测技术的现状和发展(Present and future development of partial discharge detection in power transformers)[J]. 电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2001, 20(2): 52-57.

[4] 郭俊, 吴广宁, 张血琴, 等(Guo Jun, Wu Guangning, Zhang Xueqin, et al.). 局部放电检测技术的现状和发展 (The actuality and perspective of partial discharge detection techniques) [J]. 电工技术学报 (Transactions of China Electrotechnical Society), 2005, 20(2): 29-35.

[5] 辛晓虎, 李继胜, 纪海英, 等(Xin Xiaohu, Li Jisheng, Ji Haiying, et al.). 用于变压器中局部放电定位的十字形超声阵列传感器研究(Study of cross-shaped ultrasonic array sensor applied to partial discharge location in transformers)[J]. 中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE), 2013, 33(21): 154-162, 205.

[6] 张晓星，任江波，胡耀垓，等(Zhang Xiaoxing, Ren Jiangbo, Hu Yaogai, et al.). SF6局部放电分解组分长光程红外检测(Research on long optical paths for SF6partial discharge decomposition components’ infrared detection)[J]. 电工技术学报(Transactions of China Electrotechnical Society), 2012, 27(5): 70-76.

[7] IEEE Std C57.127-2007, IEEE guide for the detection and location of acoustic emissions from partial discharges in oil-immersed power transformers and reactors [S].

[8] 朱瑞华，席保锋，徐阳，等(Zhu Ruihua, Xi Baofeng, Xu Yang, et al.). 变压器局部放电超声法检测中超声传感器的应用(Application of ultrasonic sensor in transformer partial discharge detection)[J]. 绝缘材料(Insulating Materials), 2007, 40(4): 62-64, 67.

[9] 李燕青，王飞龙，沈博一(Li Yanqing，Wang Feilong，Shen Boyi). 基于改进波形匹配法的变压器局放超声直达波分离研究(Separation research of ultrasonic wave in transformer partial discharge based on improved waveform matching)[J].电测与仪表(Electrical Measurement & Instrumentation), 2013, 50(4): 12-16.

[10] 张占龙，王科，唐炬，等(Zhang Zhanlong, Wang Ke, Tang Ju, et al.). 变压器电晕放电紫外脉冲检测法(Detection method for corona discharge of transformers on ultraviolet pulse)[J]. 电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems), 2010, 34(2): 84-88.

[11] Arshad M, Islam S M, Power transformer condition assessment using oil UV-spectrophotometry [A]. 2007 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena [C]. 2007. 611-614.

[12] Mangeret R, Farenc J, Ai Bui, et al. Optical detection of partial discharges using fluorescent fiber [J]. IEEE Transactions on Electrical Insulation, 1991, 26(4): 783-789.

[13] 魏念荣,张旭东,曹海翔,等(Wei Nianrong, Zhang Xudong, Cao Haixiang, et al.). 用荧光光纤技术检测局部放电信号传感器的研究(Study of fluorescent fiber sensors for partial discharge detection)[J]. 清华大学学报(自然科学版)(Journal of Tsinghua University (Science and Technology)), 2002, 42(3): 329-332.

[14] 唐炬，刘永刚，裘吟君，等(Tang Ju, Liu Yonggang, Qiu Yinjun, et al.). 针-板电极局部放电光测法信号一次积分值与放电量的关系(Relationship between first integral value of signals of the optical method and charge quantity of partial discharge from needle-plate electrode)[J]. 高电压技术(High Voltage Engineering), 2012, 38(1): 1-8.

[15] Ma Guoming, Li Chengrong, Mu Ruiduo, et al. Fiber bragg grating sensor for hydrogen detection in power transformers [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2014, 21(1): 380-385.

[16] 马良柱,常军,刘统玉,等(Ma Liangzhu, Chang Jun, Liu Tongyu, et al.). 基于光纤耦合器的声发射传感器(Acoustic emission sensor based on fiber coupler)[J]. 应用光学(Journal of Applied Optics), 2008, 29(6): 990-994.

[17] Zargari A, Blackburn T R. Application of optical fibre sensor for partial discharge detection in high-voltage power equipment [A]. IEEE 1996 Annual Report of the Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena [C]. San Francisco, USA, 1996. 2: 541-544.

[18] Zargari A, Blackbum T R. A non-invasive optical fibre sensor for detection of partial discharges in SF6-GIS systems [A]. Proceedings of 2001 International Symposium on Electrical Insulating Materials (ISEIM 2001 [C]. 2001. 359-362.

[19] Zhao Z Q, MacAlpine J M K, Demokan M S. Directional sensitivity of a fibre-optic sensor to acoustic signals in transformer oil [A]. Fourth International Conference on Advances in Power System Control, Operation and Management, APSCOM-97 [C]. 1997. 2: 521-525.

[20] Zhao Z Q, Demokan M S, MacAlpine M. Improved demodulation scheme for fiber optic interferometers using an asymmetric 3×3 coupler [J]. Journal of Lightwave Technology, 1997, 15(11): 2059-2068.

[21] MacAlpine M, Zhao Z Q, Demokan M S. Development of a fibre-optic sensor for partial discharges in oil-filled power transformers [J]. Electric Power Systems Research, 2002, 63(1): 27-36.

[22] Posada-Roman J E, Garcia-Souto J A, Rubio-Serrano J. Fiber optic sensor for acoustic detection of partial discharges in oil-paper insulated electrical systems [J]. Sensor, 2012, 12(4): 4793-4802.

[23] Fracarolli J P V，Floridia C，Dini D C，et al. Fiber optic interferometric method for acoustic emissions detection on power transformer’s bushing [A]. 2013 SBMO/IEEE MTT-S International Microwave & Optoelectronics Conference (IMOC) [C]. 2013. 1-5.

[24] 赵雷, 陈伟民, 章鹏(Zhao Lei, Chen Weimin, Zhang Peng). 光纤法布里-珀罗传感器光纤端面反射率优化(Optimization on end reflectivity of fiber optic F-P sensor)[J]. 光子学报(Acta Photonica Sinica), 2007, 36(6): 1008-1012.

[25] Blackburn T R, Phung B T, James R E. Optical fibre sensor for partial discharge detection and location in high-voltage power transformer [A]. Sixth International Conference on Dielectric Materials, Measurements and Applications [C]. 1992. 33-36.

[26] Lima S E U, Frazao O, Farias R G, et al. Fiber Fabry-Perot sensors for acoustic detection of partial discharges in transformers [A]. 2009 SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference (IMOC) [C]. 307-311.

[27] Kung P, Wang L, Pan S, et al. Adapting the FBG cavity sensor structure to monitor and diagnose PD in large power transformer [A]. 2013 IEEE Electrical Insulation Conference (EIC) [C]. 2013. 318-322.

[28] 张伟超，赵洪，刘通，等(Zhang Weichao, Zhao Hong, Liu Tong, et al.). 基于光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的液体介质声波检测技术研究(Acoustic detection technology based on fiber bragg grating Fabry-Perot interferometer in liquid medium)[J]. 光学学报(Acta Optica Sinica), 2013, 33(9): 24-30.

[29] Deng Jiangdong, Xiao Hai, Huo Wei, et al. Optical fiber sensor-based detection of partial discharges in power transformers [J]. Optics & Laser Technology, 2001, 33(5): 305-311.

[30] Wang X D, Li B Q, Xiao Z X, et al. An ultra-sensitive optical MEMS sensor for partial discharge detection [J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2005, 15(3): 521-527.

[31] 赵洪,李敏,王萍萍,等(Zhao Hong, Li Min, Wang Pingping, et al.). 用于液体介质中局放声测的非本征光纤法珀传感器(Extrinsic fiber Fabry-Perot sensors for PD-induced acoustic emission detection in liquid dielectrics)[J]. 中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE), 2008, 28(22): 59-63.

[32] Song Lijun, Wang Zhuang, Wang Anbo, et al. Angular dependence of the frequency response of an extrinsic Fabry-Pérot interferometric (EFPI) fiber acoustic sensor for partial discharge detection [J]. Journal of Lightwave Technology, 2006, 24(9): 3433-3438.

[33] 王伟,王赞,吴延坤,等(Wang Wei, Wang Zan, Wu Yankun, et al.). 用于油中局部放电检测的Fabry-Perot光纤超声传感技术(Fabry-Perot optical fiber ultrasonic sensing technology for detection of partial discharge in the oil)[J]. 高电压技术(High Voltage Engineering), 2014, 40(3): 814-821.

[34] Song L J, Cooper K L, Wang Z, et al. Position location of partial discharges in power transfomers using fiber acoustic sensor arrays [J]. Optical Engineering, 2006, 45(11): 114401(1)-114401(6).

[35] 康崇,王政平,黄宗军,等(Kang Chong, Wang Zhengping, Huang Zongjun, et al.). 光纤Fabry-Perot谐振腔的精细度对相位灵敏度的影响 (Influence of the fineness of optical fiber Fabry-Perot resonant cavity on the phase sensitivity) [J]. 光子学报(Acta Photonica Sinica), 2005, 34(3): 428-430.

[36] Yu B, Kim D W, Deng J D, et al. Fiber Fabry-Perot sensors for detection of partial discharges in power transformer [J]. Applied Optics, 2003, 42(16): 3241-3250.

[37] Wang Qiaoyun, Ma Zhenhe. Feedback-stabilized interrogation technique for optical Fabry-Perot acoustic sensor using a tunable fiber laser [J]. Optics and Laser Technology, 2013, 51: 43-46.

[38] Dong Bo, Han Ming, Sun Liqun, et al. Sulfur hexafluoride-filled extrinsic Fabry-PÉrot interferometric fiber-optic sensors for partial discharge detection in transformers [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2008, 20(18): 1566-1568.

(，cont.onp.80)(，cont.fromp.53)

Review of research on fiber optic sensors for partial discharge detection

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

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

The power system stability was emphasized with the increase both of the power capacity and the voltage level. The insulation failure is a main reason resulted in the disaster of the power equipments. The insulation condition of the power equipments could be assessed and some insulation defects could be found previously by partial discharge detection. Among many types of methods applied in partial discharge detection, fiber optic sensors are suitable to be installed inside the power equipments attributed to their characters of insulation, safety, free to electromagnetic interference, and would develop more potentially for the merit of positioning the partial discharge source accurately. In this paper, firstly, the conventional methods, theories and characters about the partial discharge detection were summarized. Next, the fiber optic sensors based on ultrasonic sound, hydrogen, fluorescence and ultraviolet light detection were reviewed. The research progress of the ultrasonic fiber sensors was specified. Then, the key parameters and practical problems of the ultrasonic fiber sensors were analyzed. Finally, the development trend of the fiber optic sensors was anticipated.

partial discharge； fiber optic sensor； ultrasonic sensor； Fabry-Perot； review

2015-03-15

北京市科委科技计划项目(Z131100005313011)

郭少朋(1974-)， 男， 河南籍， 助理研究员， 博士研究生， 研究方向为光电传感技术; 韩 立(1970-)， 男， 山西籍， 研究员， 博士， 研究方向为微纳加工技术及智能电气设备。

TP216.1; TM835.4

A

1003-3076(2016)03-0047-07