充油电缆终端局部放电超声波检测方法及频率特征

杜 亮，郭 威，翁慧颖，金雅婷，吴 昊，张伟超

（1.国网浙江省电力有限公司物资分公司，杭州 310000；2.哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院，哈尔滨 150080）

0 引言

电缆终端故障占电缆系统绝缘故障比例高，检测电缆终端内局部放电对于发现潜伏性的故障隐患具有重要意义。局部放电是高压电力设备绝缘破坏的重要原因之一。局部放电能量的释放会伴有声、光、热和材料性质的改变，通过检测局部放电诱发的各种物理信号可以对绝缘内的局部放电发展程度进行评价［1］。超声波检测法可抗电磁干扰和定位局部放电声波源，长期以来一直受到电力工业和学者的关注，并且有诸多的现场实践经验［2-4］。PZT（压电陶瓷）传感器自20世纪50年代被首次用于局部放电检测，目前仍在变压器局部放电检测中广泛应用［5-6］。近几十年，为了解决PZT传感器在运行电力设备现场的电磁干扰问题，非本征光纤F-P（法布里-珀罗）声波传感器被研究用于局部放电声信号的探测。光纤传感器具有电磁免疫、灵敏度高、易与电力设备绝缘结合等优点［7］，受关注度极高，有很多相关的研究报道。文献［8］利用125 μm和20 μm石英膜制得局部放电F-P超声传感器；文献［9］利用微机电加工技术制作25 μm的硅膜传感器，可实现2.8 Pa的声压分辨力。近年来，国内的哈尔滨理工大学［10］、华北电力大学也在光纤F-P 局部放电传感方面做了许多工作［11-12］，在检测灵敏度、传感器稳定性以及现场电力设备局部放电检测等方面均有研究报道。但是，由于普遍认为F-P 传感器在液体介质中耦合声波效率较高，相关的研究基本都是将其用于电力变压器设备局部放电检测，而用于电缆终端局部放电检测的报道甚少。

根据目前研究，已知局部放电超声信号在20～500 kHz范围均有分布，但不同类型缺陷局部放电声信号在不同频段的能量丰富程度尚无明确结论。在工业领域，液-固复合绝缘局部放电检测一般选择谐振频率为150 kHz 的PZT 传感器［13］，而对于光纤F-P局部放电传感器的谐振频率设计没有统一标准。PZT 传感器和光纤F-P 传感器多为窄带谐振式传感器，如果能量丰富的频段包含传感器的固有频率值，传感器恰好可以耦合到局部放电能量集中频段的声波，则局部放电检测灵敏度较高。但是，如果在传感器谐振频率范围的局部放电声辐射能量小，则检测灵敏度较低［14］。明确不同类型局部放电声频率的分布范围，对于设计高灵敏度局部放电F-P 传感器具有指导意义。特别是对目前研究较少的充油电缆终端局部放电检测，设计F-P 传感器固有频率与局部放电特征频率匹配的谐振式检测方式可大大提升检测灵敏度，提高局部放电检出成功率。

本文首先通过声学理论和声场有限元数值计算方法，分析充油电缆终端内局部放电声场可能的集中分布区域，为F-P 传感器用于终端内局部放电检测提供依据。在此基础上，通过实验研究典型局部放电的频率特征，为谐振式F-P 传感器提供设计依据。

1 光纤F-P传感器结构及设计原理

1.1 光纤F-P传感器结构

光纤F-P 传感器根据多光束干涉原理设计，一般由传感膜片、玻璃套管和引导光纤构成，其基本结构和传感器实物如图1所示。

图1 光纤F-P传感器结构及实物

1.2 光纤F-P传感器固有频率设计

光纤F-P 传感器以前端膜片作为局部放电声信号敏感元件，因此膜片的力学特征参数决定了F-P 传感器的固有频率和灵敏度。依据力学基本理论，F-P 传感器的固有频率取决于膜片尺寸参数和材料物理参数，传感器的一阶固有谐振频率f可表示为：

式中：D为膜片的扰度；h为F-P 传感膜厚度；ρ为材料密度；a为膜片半径；E为石英材料模量；μ为石英材料泊松比；g为重力加速度。

根据上述原理，不同F-P膜片厚度的传感器一阶固有频率与膜片半径的关系曲线如图2所示。可以看出：在相同半径时，膜片厚度越小，传感器一阶固有谐振频率越低；相同膜片厚度时，F-P 传感器固有谐振频率随半径的增大而呈指数规律降低。

图2 F-P传感器固有频率与膜片半径的关系

2 充油电缆终端内局部放电声波传播及仿真

2.1 声传播理论

局部放电可在固体中发生，也可在液体中发生，其在介质中类似呈一种瞬时“爆破”形态。局部放电发生后对周围的介质产生冲击和热效应，周围介质因局部放电激励会产生一定程度周期性应力，这种周期性会继续产生疏密波，即产生沿介质传播的超声波。在充油电缆终端内，超声波沿着液体绝缘、固体绝缘、硅橡胶和铜介质等进行传播。

根据声学理论，各向同性介质中超声波传播可表示为［15］：

式中：x、y、z为空间位置点坐标；x0、y0、z0为声源点坐标；P为声压；t为声传播时间；v为声速；δ（·）为声源位置函数；f（t）为声传播方程［15］；P0为声波幅值；β为声在介质中的传播衰减系数；ω为声波角频率。

充油电缆终端中局部放电声波会在固体和液体介质间传播，在复合介质界面处两侧声压相等，声波传播方程可表示为：

式中：ρ1和ρ2为两种介质的密度；P1和P2为声在两种介质中的声压。

2.2 充油电缆终端内声场分布仿真分析

在多物理场有限元仿真软件中构建110 kV 充油电缆终端三维仿真模型，模型结构如图3 所示。终端模型中材料设置依次为铜、半导电、XLPE（交联聚乙烯）、硅橡胶、绝缘油和环氧树脂。模型中主要材料声传播相关物性参数设置如表1 所示。环氧树脂在模型最外侧，在声传播过程中相当于硬边界条件，其参数对内部局部放电声波场分布影响不大，可直接采用软件中的设定值。

图3 充油电缆终端模型截面

表1 常温下模型中各材料参数

为分析局部放电声波在充油电缆终端内声场分布并探寻可能的局部放电声波检测方案，在上述模型中的局部放电易发生处设置局部放电声源点：一点位于XLPE 与应力锥交界的电场不均匀处，另一点设置在终端尾部的远端处。仿真分析后获得两个声源点向外辐射的声场分布，如图4所示。

图4 不同位置局部放电声波在充油电缆终端内的声场分布

从仿真结果可见，终端模型结构中两个不同位置的局部放电声源点辐射的超声波均沿固体表面形成较大的声压场，声波传播呈现出沿高杨氏模量介质爬行传播的特点。同时，发现应力锥硅橡胶材料表面的声场分布与XLPE材料有所差别，硅橡胶材料仅在声源附近出现强声场区域，在较远处则未出现，该结果说明弹性体材料表面声传播衰减较大，声场分布范围较小。

根据上述充油电缆终端内的局部放电声信号分布特点，可将光纤F-P 传感器安置于充油电缆终端内模量较高的固体介质周围，基于固体介质对声波场的强传播特性，传感器可捕捉到较丰富的局部放电声波能量，提高局部放电检测的灵敏度和成功率。

3 复合绝缘介质局部放电频率研究

3.1 局部放电实验系统构建

充油电缆终端液-固复合绝缘放电与变压器绝缘放电类似，可借鉴变压器局部放电模型对其进行研究。采用高压电源、PZT 传感器、F-P 传感器及光纤传感器解调系统构建局部放电超声波探测实验系统，结构如图5所示。高压电源高低电位分别与放电电极连接，F-P 传感器和PZT 传感器同时检测放电电极的局部放电声波信号，通过示波器采集时域波形。

图5 局部放电超声信号检测系统

为研究不同类型放电信号的声波频率分布范围，采用板-板、球-板、针-板和悬浮4种典型放电电极模型，模拟液-固绝缘电力设备中常出现的局部放电故障类型。所设计的4种电极模型结构如图6所示。

图6 4种电极模型结构

F-P 传感器受到与其固有谐振频率相同的激励信号作用时，传感器膜片将以谐振模式振动为主；当激励信号低于F-P传感器固有谐振频率时，传感器将以低于谐振响应幅值的振幅振动。通过F-P传感器检测局部放电时输出的信号频率特征，可以确定局部放电声波频率的分布。本文设计3种尺寸结构的F-P 传感器，结构参数和特征频率如表2所示，其中一阶固有频率根据传感器膜片尺寸通过式（1）计算得到。

表2 F-P传感器结构及参数

3.2 实验结果及局部放电声频率分析

上述实验系统中，利用PZT传感器和光纤FP传感器分别探测4种典型电极的放电信号。由于局部放电检测中PZT 传感器为谐振式传感器，传感器本身对其固有谐振频率附近的信号响应灵敏。PZT 传感器对4 种典型电极局部放电检测结果如图7 所示。可以看出，球-板电极和板-板电极的局部放电声波峰值频率主要分布在50～70 kHz 和150～160 kHz两个频段，而针-板电极和悬浮电极的局部放电声波峰值频率主要集中在150～160 kHz。根据PZT 的幅频特性曲线，PZT 传感器在上述两个频段恰好有较强的幅值响应，PZT 的响应频谱仅能表明，4 种典型局部放电模型在150～160 kHz频段的局部放电声信号较丰富。

图7 PZT传感测得典型放电模型频谱

150～160 kHz 是IEEE（电气电子工程师学会）关于液-固绝缘局部放电检测的推荐频段，上述实验的PZT 传感器固有谐振频率也是该频段，而且诸多研究已经证实150～160 kHz 频段局部放电超声信息丰富，因此在光纤F-P 传感器局部放电检测实验中没有再设计该频段的F-P 传感器进行测试。

利用一阶固有频率分别为60 kHz、120 kHz、和190 kHz 的3 支光纤F-P 传感器对4 种典型电极局部放电超声信号进行检测。因检测结果中板-板电极和球-板电极局部放电声发射频谱相近，针-板电极和悬浮电极局部放电声频率分布相近，图8—10仅分别列出了3支传感器检测4种典型局部放电模型放电的部分时域波形和频谱图。

图8 一阶固有频率60 kHz传感器局部放电测试结果

图9 一阶固有频率120 kHz传感器局部放电测试结果

图10 一阶固有频率190 kHz传感器局部放电测试结果

一阶固有频率为60 kHz 的传感器检测4 种电极放电，其时域波形峰峰幅值有波动，但其频谱的最大峰值在60 kHz 附近出现；一阶固有频率为120 kHz 的传感器检测4种电极放电，其时域波形峰峰幅值随放电强度波动，但其频谱的最大峰值在120 kHz附近出现。可见，对于谐振频率较低的60 kHz 和120 kHz F-P 传感器，其频率响应曲线中频率峰值分别出现在各自的一阶固有频率值附近。根据弹性力学中受迫振动理论，4种典型电极局部放电声波在50 kHz 和120 kHz 附近均有丰富的信息。

但是，一阶固有频率为190 kHz 的F-P 传感器对4种典型电极放电的检测频谱中，其在一阶固有频率（190 kHz）处并未出现较高的响应幅值，而是在40～180 kHz 频段范围出现相对高的响应幅值。其频谱在低于一阶固有频率的频段出现较强的响应，即该传感器未在谐振状态下工作，说明板-板电极和球-板电极局部放电超声信号在190 kHz 频率的声波能量可能相对较弱。同时，在40～180 kHz 频段出现高于其他频段约10 dB 的响应输出，说明局部放电声波在该频率范围信息相对丰富。

上述研究初步表明，4种常见典型放电结构的局部放电声波频率主要分布在40～180 kHz 范围，PZT 传感器和F-P 传感器的一阶固有频率在上述频段范围时均可有效探测局部放电声波信号。FP传感器一阶固有频率过高时，其灵敏度会大幅降低，因此目前实验手段尚无法对200 kHz以上频段进行分析，局部放电声波在高于200 kHz频率范围是否仍然具有较丰富的能量还需进一步验证。

4 结语

为实现高灵敏度探测充油电缆终端内局部放电声信号，本文分析了充油电缆终端内局部放电声信号分布规律，利用不同谐振频率的光纤F-P传感器探究液-固绝缘局部放电声波频谱特征。主要研究结论如下：

1）声场有限元计算分析表明，充油电缆终端内局部放电声波可沿固体介质传播，且在固体介质周围形成的强声场区域与材料模量参数正相关。

2）采用不同固有频率光纤F-P 传感器和PZT传感器检测典型局部放电模型放电声信号，频率分析结果表明，典型液-固绝缘局部放电超声波频率在40～180 kHz范围能量丰富，可将窄带光纤传感器固有频率设计在该频段范围。