基于光纤传感技术的局部放电超声信号检测方法研究*

李晓敏,高 妍*,王 宇,靳宝全,张红娟,王 东

(1.太原理工大学电气与动力工程学院,太原 030024;2.太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,太原 030024)

基于光纤传感技术的局部放电超声信号检测方法研究*

李晓敏1,高 妍1*,王 宇2,靳宝全2,张红娟1,王 东2

(1.太原理工大学电气与动力工程学院,太原 030024;2.太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室,太原 030024)

电力设备局部放电易引发电气短路故障,传统的电检测方法针对单点测量,在长距离测量上受到局限。分析了局部放电的参数特征,设计了一种检测局部放电信号的光纤环结构,并构建了基于Sagnac干涉原理的光纤传感局部放电检测方案。在实验室环境下模拟电力设备局部放电,搭建了局部放电光纤检测系统,传感光纤总长度为8.398 km,进行局部放电检测试验。试验证明,在10 kV电压等级下,局部放电时域信号幅值范围为0.1 V～1.8 V,频率响应范围为可达60 kHz,研究表明该方法具有灵敏度高、频率响应范围宽等特点,为电力设备局部放电检测提供了新的思路。

电力设备;局部放电;光纤传感;萨格耐克;时域分析;频域分析

局部放电发生过程会伴随着电离、热辐射、声波振荡、光子发射等物理现象[1],还会因为高温产生化学反应,从而生成SF6等气体[2]。基于以上物理现象逐渐衍生出了多种局部放电检测方法,具体可分为电检测法和非电检测法。其中,电检测法有脉冲电流法、超高频检测法、介质损耗分析法、无线电干扰电压法等[3-4],其特点是灵敏度高,检测准确,但要实现实时在线检测局部放电还有待进一步研究。非电测法有超声法、化学法、红外热测法、光纤法等[5-7],其特点是抗电磁辐射能力强,超声法、化学法、红外热测法通常适用于单点检测局部放电,而基于萨格耐克(Sagnac)传感技术的光纤法因其使用的光纤具有抗电磁干扰、绝缘性能极佳、体积小、布置方式灵活、灵敏度高、耐腐蚀等特点[8-9],并能深入电力设备内部检测而不影响其工作状态,可有效实现电力设备局部放电信号的实时检测,在局部放电检测领域得到了广泛的关注。

2005年,英国南安普敦大学采用局部放电光学遥感技术对高压电力电缆局部放电进行在线检测[10]。2014年,哈尔滨理工大学研究了基于非本征光纤法珀(F-P)传感器的液体电介质局部放电声发射检测技术[11]。2015年,德国的研究人员首次提出用准分布式光纤声音传感器检测电力电缆连接头和终端的局部放电[12]。同年,巴西研究人员设计出一种带有天线的光纤传感器检测高压变压器套管的局部放电现象[13]。2016年,上海大学开展了基于迈克尔逊干涉仪检测局部放电的研究[14]。上述研究分别从单点式局部放电检测过渡到准分布式检测,实现了单点或多点较短距离的局部放电光纤法检测。但上述方法针对分布式中长距离沿线检测局部放电仍存在局限。

因此,本文从局部放电参数特征分析入手,开展了基于Sagnac光纤传感技术的局部放电检测方法研究,对局部放电信号的时域信号、频域信号特性进行了试验验证,取得了初步的成果。

1 局部放电特征分析

电力设备运行时,存在异物或机械损伤的绝缘部位将具有比周围更高的电场强度,导致产生电场集聚现象。当电压高到某一阈值时,会超过该处绝缘介质的电离场强,使该处绝缘介质首先发生放电,即局部放电[15]。

图1 局部放电产生过程示意图

局部放电产生过程如图1所示,在电力设备运行过程中发生振动、热胀、材料龟裂、脱离等现象;电力绝缘物质的电离会产生带电粒子,带电粒子反复撞击气隙表面的介质,使其物理性能变差,使绝缘材料失去原有的性能;还会发生化学反应,产生SF6分解物,使绝缘材料被氧化、腐蚀,发生局部放电。局部放电也可能产生局部高温,使绝缘劣化,发展到一定程度时,就可能导致绝缘材料的击穿,产生泄漏电流;随着放电强度的加剧,局部放电还会产生超声波和电磁波,进而引起电气设备的短路故障。

电气设备局部放电产生的超声波一般分为气泡或气隙内放电和介质在高场强下游离击穿,前者击穿超声频率为几kHz至几百kHz,后者击穿超声频率为50 kHz～300 kHz[16]。IEEE标准[17]规定,厂内环境中局部放电检测可以60 kHz为中心频率。因此有必要从局部放电信号的频率入手,对Sagnac光干涉法检测局部放电超声信号的频率范围进行研究,映射到电力设备的绝缘状况,从而实现对电力设备短路故障的预警。

2 局部放电的Sagnac检测原理分析

光纤传感技术是指由集“传输”和“感知”于一体的光纤感知外界振动与冲击信号,并将信息经过光纤回路传输到信号处理中心[18],其检测原理如图2所示。

图2 Sagnac光纤传感检测原理框图

局部放电过程产生的超声信号通过机械波传播会使光纤产生机械振动,从而使光纤折射率发生变化。由于光弹效应,光纤中的光相位发生变化,进而引起光功率的变化。由Sagnac效应知,顺、逆时针的光在光电探测器处的干涉信号光功率为:

(1)

式中:P0为输入光功率,φ(t)为振动引起的相移,ΔΨ代表了由其他信号引起的常数非互易相移。τa、τb分别为顺时针光先后两次经过局部放电点的延迟,τc、τd为逆时针光先后两次经过局部放电点的延迟。

假设φ(t)=φ0sin(ωpt),由于光信号为小信号,令ΔΨ=2π/3,则输出信号光功率为:

(2)

在该系统中φ0为小信号,光电探测器处的光信号转换为电信号,其电流的交流分量为:

(3)

式中:t为时域上的时间变量,P0为光源发出的入射光功率,φ0是外界信号的某个频率分量所引起的固定相移,ωp为局部放电信号在某个频率分量下的值,τy为光在延迟光纤中的传播时间,τp为光从信号产生点到光纤末端的传播时间,包含有局部放电点的位置信息,τt为光绕着传感光纤传播一周所需要的时间。

Sagnac干涉仪的基本原理为两束沿相反方向的光在光路中传输,因为延迟光纤的存在,两路相反方向的光在经过传感光纤的相同位置处时会有光程差,当传输过程中受到局部放电等外界振动信号的影响时,会使两者的光程差发生改变,且其光程差与干涉环路中总光程成比例。光程差的变化会使两束光产生干涉从而引起相位的变化,由式(3)可知相位的变化又引起光功率的变化,经由光电探测器将携带局部放电信号的光信号转化为电信号,从而实现局部放电信号的识别与检测。

图3 基于Sagnac传感技术的光纤法检测局部放电系统图

3 局部放电检测试验方案设计

基于以上局部放电检测机理与直线型Sagnac光纤传感技术,本文搭建了基于Sagnac传感技术的光纤法检测局部放电系统,如图3所示。该系统由三部分组成,Ⅰ为供电电源部分,由交流220 V工频电压供电;Ⅱ为实验室模拟局部放电部分,电压经高压线圈升压后达到10 kV,R1为保护电阻,C1为电容器,Q为击穿放电模拟装置,用于产生局部放电信号;Ⅲ为直线型Sagnac光纤传感检测部分,A选用的是ASE宽带光源,B为3×3耦合器,C为2 km的延迟光纤,D为2×1耦合器,L1为4.17 km的传感光纤,L2为4.228 km的传感光纤,G为法拉第旋转镜,H为平衡探测器,M为局部放电信号作用在光纤传感探头上的位置,N为数据采集模块。

高压线圈将Ⅰ中的220 V工频交流电压升高为Ⅱ中的10 kV高压,从而将空气击穿,在Ⅱ中的M点处产生局部放电信号。

在基于Sagnac光纤传感回路Ⅲ中,激光器A发出的宽带激光经B进入光纤回路,由光的干涉原理可知,在4条光路中只有两条光程回路在3×3耦合器B处发生干涉,即①B(4)-C-D-L1-M-L2-G-L2-M-L1-D-B(6);②B(6)-D-L1-M-L2-G-L2-M-L1-D-C-B(4)两束光发生干涉,形成干涉环路。①光束走的光程为La,②光束走的光程为Lb,则两束光的光程差为:

ΔL=La-Lb

(4)

相应的相位差为:

ΔΦ=2π(ΔL/λ)=2π(La-Lb)/λ

(5)

式中:λ为激光的波长。①②两束相干光先后经过M点,局部放电信号对两束光的调制作用使①②两束光的相位发生变化,由式(1)可知,相位的变化转化为光强的变化。携带局部放电信号的光信号经过平衡探测器H,转化为携带局部放电信号的电信号,经由数据采集模块N对此电信号进行采集与分析处理。

图4 基于Sagnac传感技术光纤法检测局部放电采集模块示意图

数据采集模块N使用高速数据采集卡进行采集与处理,其具体模块由信号调理电路、AD9226模块、FPGA芯片、高速USB芯片及上位机组成,如图4所示。其中,FPGA芯片由AD读取子模块、缓存子模块、USB传输控制子模块3个并行子模块构成,高速USB芯片有GPIF主机方式和Slave FIFO从机方式。本文采用Slave FIFO从机方式,数据流不经过CPU,由FIFO直接传输,FIFO通过外部主机控制,并提供所需时序信号、握手信号和输出使能。

高速数据采集卡实物图如图5所示,携带局部放电信号的±5 V电压信号,经过信号调理电路变为1 V～3 V的模拟信号。该信号经AD9226模块转换为离散的数字信号,并送入FPGA中由AD读取子模块、缓存子模块、USB传输控制子模块进行并行采集处理。

图5 基于Sagnac传感技术光纤法检测局部放电采集模块实物图

试验过程中,FPGA将采集到的携带局部放电的数字信号送入高速USB芯片,其I2C主控端控制4 kbyte的FIFO和端点存储器,通过16 bit的地址线和8 bit数据总线在48 MHz的8051内核与CY智能USB2.0引擎之间传输,片上PLL选用2倍频,用作8051的时钟。高速USB芯片通过USB2.0接口与上位机软件进行数据传输,从而实现局部放电信号的高速采集。

4 试验结果验证及分析

系统采用的光纤规格为G.652D单模光纤,其工作在1 550 nm波段的衰减系数为0.2 dB/km,传感光纤总长度为8.398 km。试验过程中,在传感光纤的4.17 km的位置,将传感光纤绕制成直径为4 cm的光纤环作为传感探头,当光纤环圈数为35圈时,传感探头的光纤总长度为4.396 m,所设计的光纤环结构如图6所示。光源选用ASE宽带光源,中心波长为1 550 nm,功率可调。

用实验室搭建的模拟装置在该光纤环传感探头处施加局部放电信号,进行局部放电检测试验。将平衡探测器通电,调节光源功率输出,开始试验。经由设置好参数的采集卡对局部放电信号进行采集,获得连续并带有包络的局部放电时域信号,如图7(a)所示。图7(b)为在相同实验条件下,无局部放电信号时系统采集到的时域信号波形图。

图6 光纤环传感探头结构图

图7 基于Sagnac传感技术检测到的局部放电和无局部放电信号的时域图

为探究局部放电信号的频率特性,对试验采集到的500组局部放电信号的数据进行傅立变化,得到局部放电信号的频谱,如图8所示。

图8 基于Sagnac传感技术检测到的局部放电和无局部放电信号的频域波形图

图8(a)为试验系统检测到的局部放电信号的频域波形图,图8(b)为无局部放电信号的频域波形图,由图8(a)和图8(b)两图对比易知,实验室模拟的局部放电信号的频域波形范围约为6 kHz～80 kHz,且分别在14.49 kHz、20.47 kHz、28.91 kHz、58.08 kHz附近有明显的频率分布,所得局部放电超声信号的频率范围可达60 kHz。因此,该试验方案可以实现局部放电信号的识别与检测。

为探究不同长度的光纤传感探头对局部放电信号的灵敏度,将光纤传感探头分别绕制成25圈、35圈、45圈、55圈,即传感探头光纤长度分别为3.14 m、4.396 m、5.652 m、6.908 m,重复上述试验,所得的时域波形如图9所示。由图9(a)～图(d)可知,传感探头的光纤长度从3.14 m开始,以1.256 m为步进,增加到6.908 m,光纤传感探头采集到的局部放电时域信号的幅值逐渐增大。

图9 传感探头光纤长度为3.14 m、4.396 m、5.652 m和6.908 m时的局部放电时域波形

为进一步探究传感探头的光纤长度对局部放电信号的灵敏度,使用不同长度的光纤传感探头多次重复试验,试验结果如表1所示。

表1 不同光纤传感探头的局部放电检测系统实验数据

由表1绘制出局部放电时域信号的幅值与不同光纤环长度传感探头的关系曲线,Y为局部放电信号的幅值大小,其统计结果如图10所示。

图10 局部放电时域信号随传感探头光纤长度的变化关系

由图10可知局部放电时域信号的幅值大小Y随着传感探头的光纤环长度的变化而变化。传感探头光纤环长度小于12 m时,Y逐渐增大,传感探头光纤环长度大于12 m时,Y逐渐减小。传感探头的光纤环长度为8 m～13 m时,局部放电时域信号幅值较大,在传感探头光纤环长度为12 m时,Y达到峰值1.8 V。因此,基于Sagnac光干涉法的局部放电检测技术,可以实现局部放电信号的识别与检测。

5 结束语

本文分析了局部放电的参数特征,设计了一种检测局部放电信号的光纤环结构,并构建了基于Sagnac光干涉法的局部放电检测方案。系统光纤总长度为8.398 km,进行局部放电检测试验。试验证明,在10 kV电压等级下,局部放电时域信号幅值范围为0.1 V～1.8 V,频率响应范围可达60 kHz,当传感探头光纤环长度约为12 m时,时域信号幅值达到峰值。该方法为变压器、高压开关柜、电力电缆等电力设备的局部放电检测提供了一种新的方案。

该试验方案关于局部放电信号的准确定位问题,会在下一步研究中探索。

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李晓敏(1989-),女,山东潍坊人,硕士研究生,主要研究方向为光纤传感器检测及自动化,局部放电检测方法研究,lixiaomin0157@link.tyut.edu.cn。

高妍(1969-),导师,通讯作者,女,山西太原人,硕士,副教授,主要研究方向为检测技术及自动化,局部放电检测方法研究,gaoyan@tyut.edu.cn。

StudyonPartialDischargeUltrasonicSignalDetectionMethodBasedonOpticalFiberSensingTechnology*

LIXiaomin1,GAOYan1*,WANGYu2,JINBaoquan2,ZHANGHongjuan1,WANGDong2

(1.College of Electrical and Power Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Key Lab of Advanced Transducers and Intelligent Control System,Ministry of Education and Shanxi Province,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

The partial discharge of power equipment can easily cause electrical short-circuit fault and the traditional electrical measurement for single-point measurement has limitations in the long-distance measurement. The characteristics of partial discharge are analyzed,a kind of fiber ring structure is designed and a partial discharge detection scheme based on the interference principle of Sagnac is constructed. In the laboratory environment,the partial discharge of the power equipment is simulated and a partial discharge optical fiber detection system is built. The partial discharge detection is carried out on the fiber with the total fiber length of 8.398 km. The experimental results show that the amplitude of partial discharge is between 0.1 V～1.8 V and the frequency response range is up to 60 kHz at 10 kV voltage level. The research shows that the method has the characteristics of high sensitivity and wide frequency response range,which provides a new idea for partial discharge detection of power equipment.

power equipment;partial discharge;optical fiber sensing;sagnac;time-domain analysis;frequency-domain analysis

TP211.6;TP23

A

1004-1699(2017)11-1619-06

项目来源:国家自然科学基金项目(51504161);山西省回国留学人员科研项目(2016-035);山西省应用基础研究项目(201701D221115);山西省科技基础条件平台项目(201605D121028)

2017-04-01修改日期2017-06-29

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.11.001