结合FBG-FP的变压器局部放电光纤全方向传感研究

吴柯洁, 陈伟根*, 张知先, 宋雨轩, 田皓元, 李 萌, 刘 帆

1. 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室, 重庆 400044 2. 国网湖北省电力科学研究院, 湖北 武汉 430000

引 言

电力变压器是电力系统的核心设备之一, 其绝缘状态关系到电网的运行情况。 绝缘性能是决定电力变压器能否安全稳定运行的重要因素, 局部放电是绝缘劣化的标志之一, 进行变压器局部放电检测能够及时发现绝缘缺陷, 保障设备安全运行[1]。

局部放电检测方法主要包括脉冲电流法、 特高频法与超声检测法[2]。 超声检测法操作简单、 应用便捷, 可实现局部放电定位[3-4]与模式识别[5], 目前已广泛应用于变压器局部放电检测。 传统的超声检测法是将PZT安装于变压器外壁使用, 局部放电产生的超声波经变压器壳体阻挡产生衰减后才被PZT接收, 灵敏度较低。 随着光纤传感技术的快速发展, 其在电气设备状态监测领域的应用受到广泛关注。 光纤超声传感器结构简单、 易于复用、 抗电磁干扰、 方便内置于变压器中使用, 可以取得较高的检测灵敏度, 是进行局部放电检测的理想选择[6-9]。

近年来, 诸多学者已对局部放电检测光纤传感器开展了研究。 马宾等搭建了基于FBG的局部放电传感系统, 该系统具有波长漂移反馈回路, 可消除温度变化对系统性能的影响[10]。 周宏扬等研究了基于Michelson干涉原理的光纤超声传感系统, 该系统局部放电检测灵敏度高于传统的PZT传感系统[11-12]。 张伟超等设计了外置式的局部放电检测光纤FP传感器, 该传感器具有可耦合超声波的前端增敏结构[13-14]。 张知先等提出了一种基于光纤FP传感器的多频超声传感阵列, 提高了局部放电检测的灵敏度与准确度[15]。

以往的研究主要关注提高传感器的灵敏度, 而很少考虑到传感器的方向响应特性。 局部放电会发生在变压器内部存在绝缘缺陷的任何位置, 为尽可能地避免漏检局部放电信号, 应保证局部放电的全方向高灵敏检测。 当前, 局放检测光纤传感器普遍存在高灵敏检测范围有限这一问题。 当局放源正对传感器时, 局部放电产生的超声波将垂直传播至传感器声敏结构, 此时传感器灵敏度较高; 当局放源位于传感器侧向时, 只有部分超声波能被声敏结构接收, 传感器灵敏度将下降。

针对上述问题, 基于FBG与FP腔传感原理提出了一种结合FBG-FP的变压器油中局部放电光纤全方向传感方法。 本文介绍了FBG及FP腔的传感原理, 基于变压器油中局部放电的频谱特性与液相环境中膜片的振动模型设计了超声感应膜片, 研制了具有FP腔传感部分与FBG传感部分的局部放电光纤全方向传感器, 搭建了光纤局部放电传感系统, 在变压器油中测试了传感器的频率响应特性、 方向响应特性以及局部放电检测特性。 所研制的光纤全方向传感器高灵敏检测范围较广, 灵敏度较高, 在变压器局部放电检测领域具有较好的应用潜力。

1 FBG及FP传感器工作原理

1.1 FBG传感器工作原理

光纤布拉格光栅(FBG)相当于光纤纤芯内的一个窄带反射镜, 当一束宽带光注入FBG中, 只有以布拉格波长为中心的窄带光在光纤内被反射。 当FBG受到外部环境影响时, 其布拉格波长会发生偏移。 FBG布拉格波长满足如式(1)所示光学方程

λB=2neffΛ

(1)

式(1)中:λB为布拉格波长,neff为纤芯有效折射率,Λ为栅格周期。

采用光谱边缘解调法检测局部放电, 原理如图1所示。 将窄带光源的输出波长设置在FBG反射光谱边带斜率最大处, 局部放电产生的超声波作用于FBG使其反射光谱发生偏移, 导致反射光功率变化, 通过光电探测器测量光功率变化可实现局部放电传感。

图1 光谱边缘解调法原理

1.2 FP传感器工作原理

光纤FP传感器是根据多光束干涉原理设计制作的。 非本征型光纤FP传感器由光纤端面和感应膜片形成干涉腔, 其干涉原理如图2所示。

图2 多光束干涉原理

光源发出的入射光到达光纤端面后, 一部分光反射回光纤, 另一部分光折射入FP腔后在光纤端面和膜片表面发生多次折反射, 最后返回光纤形成多光束干涉。 干涉光光强IR可表示为[16]

(2)

其中

(3)

式(2)和式(3)中:I0为入射光光强,R1、R2分别为光纤端面和膜片的反射率, Δδ为相邻两光束之间的相位差,n为FP腔折射率,λ为入射光波长,L为FP腔腔长。 由式(2)和式(3)可知, 干涉光光强IR主要由FP腔腔长L决定。 局部放电产生的超声波会引起感应膜片振动, 从而改变FP腔腔长, 导致干涉光光强变化, 通过解调光强信号可检测局部放电。

2 实验部分

2.1 传感器研制及传感系统搭建

2.1.1 传感器研制

图3为设计的局部放电光纤全方向传感器结构示意图。

图3 局部放电光纤全方向传感器结构

传感器探头采用25 mm×25 mm×25 mm的长方体结构, 由白色树脂材料经3D打印制得。 探头各棱边均设计为圆角, 使其内置于变压器使用时, 周围电场分布更均匀。 探头中空结构用于插入单模光纤形成FP腔, 四个侧面用于形成FBG传感结构。 对FBG进行膜片式增敏封装, 先用紫外固化胶将FBG沿径向固定于膜片表面, 如图4所示, 再将膜片固定于探头上。

图4 膜片式封装FBG Fig.4 Diaphragm-type package FBG

为使传感器具有较高的局放检测灵敏度与准确度, 应合理设计传感膜片的谐振频率。 典型油纸绝缘局部放电激发的超声信号频率主要集中在20～400 kHz, 不同类型局部放电的超声信号频谱存在明显差异, 单一谐振频率超声传感膜片的高灵敏响应频带难以覆盖各类型局部放电[17]。 变压器内部结构复杂, 超声波在传播过程中会受到绕组、 铁芯等固体结构的阻挡产生衰减, 超声信号频率越高, 衰减幅度越大[18]; 同时, 变压器内部的声学噪声主要集中在低频段[19]。 因此, 将传感器的FBG传感膜片谐振频率设计为20～60 kHz, FP腔传感膜片谐振频率设计为60～120 kHz, 通过两种不同谐振频率传感膜片的超声信号响应实现局部放电的灵敏、 准确检测。

膜片工作在变压器油中, 液相环境中四周固定且单面与液体接触的圆形膜片谐振频率为[20]

(4)

式(4)中:E、ρ、μ、a和h分别为圆形膜片的杨氏模量、 密度、 泊松比、 有效振动半径和厚度,ρm为膜片所处液体的密度, 本工作中特指10#变压器绝缘油,ρm=895 kg·m-3。 选用镀有高反介质膜的康宁玻璃(E=73.6 GPa,ρ=2 380 kg·m-3,μ=0.23)作为FP腔传感膜片, 膜片尺寸为:r1=1.7 mm,h1=0.165 mm, 其理论谐振频率为82 kHz; 选用单晶硅(E=180 GPa,ρ=2 330 kg·m-3,μ=0.278)作为FBG传感膜片, 尺寸为r2=2.5 mm,h2=0.1 mm, 其理论谐振频率为25.6 kHz。 研制的光纤全方向传感器如图5所示。

图5 局部放电光纤全方向传感器

2.1.2 传感系统搭建

图6为搭建的光纤局部放电传感系统。

图6 光纤局部放电传感系统结构图

本系统包括FP腔传感部分与FBG传感部分。 超窄线宽激光器UNFSRL-1550-10-SM-FA-M4作为FBG传感部分的光源, 激光器输出光经1×4耦合器分成4束光分别进入4个FBG, 经FBG返回的输出光通过1×4耦合器耦合后输入至光电探测器; DFB可调谐激光器AP3350A作为FP腔传感部分的光源, 经FP腔返回的干涉光输入至另一光电探测器。 传感系统中1×4光纤耦合器分光比为1∶1∶1∶1, 光电探测器型号为2053-F-M。 图7和图8分别为FP腔的干涉光谱与4个FBG的反射光谱。 检测局部放电时, 调节可调谐激光器AP3350A的输出波长在FP腔干涉光谱斜率最大处(1 545.7 nm), 输出功率为13 dBm。 调节激光器UNFSRL-1550-10-SM-FA-M4输出功率为20 mW, 由于其输出为波长1 550 nm的超窄线宽(1 kHz)激光, 因此使用中心波长为1 550.1 nm、 3 dB带宽为0.3 nm的FBG, 此时激光器输出光波长位于FBG反射光谱边带上, 传感系统可正常工作。 由实验可知FBG传感部分灵敏度低于FP腔传感部分, 因此将FP腔传感部分的光电探测器放大倍数设置为100倍, FBG传感部分的光电探测器放大倍数设置为300倍。

图7 FP腔干涉光谱

图8 FBG反射光谱

2.2 光纤全方向传感器性能测试

2.2.1 传感器频率响应测试

利用式(4)进行了传感膜片的尺寸设计, 通过断铅实验确定变压器油中传感膜片的实际谐振频率。 变压器油中膜片接收到铅笔芯折断产生的冲击波做衰减振动, 对膜片振动响应进行频谱分析可获得其谐振频率。 使用直径0.5 mm的HB铅笔在钢板上进行断铅实验, 断铅位置与膜片相距10 cm, FP腔传感膜片与FBG传感膜片的断铅冲击响应如图9所示。 由图9可知, FP腔传感膜片的实际谐振频率为71.4 kHz, FBG传感膜片的实际谐振频率在23 kHz左右。 膜片谐振频率实际值与理论值之间存在误差, 原因是膜片通过紫外固化胶固定在探头上, 胶水的存在改变了膜片的振动特性, 谐振频率因此发生变化。

图9 膜片断铅冲击响应

2.2.2 传感器方向响应测试

在变压器油中测试传感器的方向响应, 油箱尺寸为1.0 m×0.5 m×0.5 m, 油箱四周与底部均放置吸声棉防止超声波的反射。 以传感器为坐标原点, FP腔传感膜片法线为Z轴建立空间球面坐标系, 在球面坐标系中取R=15 cm,θ=0°、 15°、 30°、 …、 180°做圆周, 在圆周上依次取φ=0°、 30°、 60°、 …、 330°设置声源点, 如图10所示。 超声波由信号发生器驱动压电晶体产生, 信号发生器输出2 Vpp正弦波信号, 频率依次设置为FP腔传感膜片与FBG传感膜片的谐振频率。 分别使用FP腔传感部分与FBG传感部分对各个声源点发出的超声波信号进行检测, 每个声源点各保存10组数据作峰峰值平均, 检测结果如图11所示。

图10 方向响应实验示意图

图11 局部放电光纤全方向传感器方向响应

由图11可知, FP腔传感部分与FBG传感部分对同圆周上不同位置声源的检测结果波动性较小, 传感器具有等幅全向性。 传感器对不同位置声源的超声信号响应有所不同, 当声源正对传感膜片时, 膜片的振幅最大, 传感器灵敏度最高, 当声源相对于传感膜片呈一定角度时, 超声波信号不能完全被传感膜片接收, 传感器灵敏度将下降。 将每个θ下FP腔传感部分与FBG传感部分对各声源点的检测值做峰峰值平均, 针对FP腔传感部分, 将不同θ的检测值与0°的检测值求比值, 针对FBG传感部分, 将不同θ的检测值与90°的检测值求比值, 得到两传感部分在0°～180°的角度衰减曲线, 如图12所示。

图12 局部放电光纤全方向传感器角度衰减曲线

由图12可知, FP腔传感部分与FBG传感部分的高灵敏检测范围有限。 对于FP腔传感部分, 当θ>60°时, 超声响应已衰减至50%以下; 对于FBG传感部分, 当θ小于30°或者大于150°时, 超声响应已衰减至40%以下, 此时传感器的灵敏度下降。 由此可知, 单一传感膜片存在明显的检测盲区, 无法实现超声信号全方向的灵敏检测。 在局部放电光纤传感探头正面封装了FP腔传感膜片, 四个侧面封装了FBG传感膜片, 共有5个传感膜片用于接收超声信号, 拓宽了传感器的高灵敏检测范围。 本设计的光纤全方向传感器结合FP腔传感部分与FBG传感部分的超声响应对局部放电进行检测, FP腔传感部分与FBG传感部分的高灵敏检测范围互补, 避免了明显的检测盲区, 可实现局部放电全方向灵敏检测。

2.2.3 传感器局放检测性能测试

基于搭建的局部放电测试系统开展传感器的局放检测性能测试, 实验系统如图13所示。 试验油箱尺寸为0.5 m×0.3 m×0.3 m, 注入变压器油, 局部放电模型为金属尖端放电。 光纤传感器置于油箱内部, 将PZT固定于油箱外壁进行对比检测。 光纤传感器与PZT放置于局放模型不同侧, 均正对局放源与其相距10 cm。

图13 局部放电测试系统结构图

进行传感器局放检测性能测试之前, 先对局部放电量进行标定。 用校正脉冲发生器对金属尖端放电模型依次发出50和100 pC的标准脉冲波, 检测阻抗输出电压分别为60与120 mV, 由脉冲电流法测量原理计算可得局部放电量q与检测阻抗输出电压V满足:q=0.83 V。 完成标定后, 分别将FP腔传感膜片与FBG传感膜片正对局放源, 对放电模型加压, 当光纤传感器检测到超声信号时停止升压, 并记录此时检测阻抗、 光纤传感器与PZT的检测结果, 如图14所示。 如图14(a)所示, FBG传感部分局部放电检测下限为83.8 pC, 此时光纤传感器的响应幅值明显高于PZT; 如图14(b)所示, FP腔传感部分局部放电检测下限为27.1 pC, 此时PZT未检测到局部放电信号。 由实验结果可知, 本工作设计的光纤全方向传感器检测灵敏度高于PZT, 可实现变压器局部放电灵敏检测。

图14 光纤全方向传感器局部放电检测结果

3 结 论

基于FBG与FP腔传感原理提出了一种结合FBG-FP的变压器油中局部放电光纤全方向传感方法, 研制了局部放电光纤全方向传感器并进行了性能测试, 得到以下结论:

(1)研制的局部放电光纤全方向传感器通过FP腔传感部分与FBG传感部分共同对局部放电进行检测, FP腔传感膜片谐振频率为71.4 kHz, FBG传感膜片谐振频率为23 kHz左右, 设置不同谐振频率的传感膜片可以提高传感器局部放电检测灵敏度, 利用该传感器还可进行局部放电模式识别。

(2)传感膜片局部放电超声信号响应与局放源的位置有关。 局部放电光纤全方向传感器FP腔传感部分与FBG传感部分的高灵敏检测范围彼此互补, 避免了明显的检测盲区, 传感器具有良好的方向响应性能, 可实现局部放电的全方向灵敏检测。 通过传感器两传感部分对局部放电的检测结果还可实现局部放电定位。

(3)设计的局部放电光纤全方向传感器可实现油中局部放电超声信号的有效检测, 其FP腔传感部分局部放电检测下限为27.1 pC, FBG传感部分局部放电检测下限为83.8 pC, 传感器检测灵敏度高于PZT, 可内置于变压器实现局部放电灵敏检测。