李曉敏　高妍　王宇　靳寶全　張紅娟　王東

摘要：針對電力設(shè)備局部放電檢測靈敏度要求較高的問題，提出不同長度的延遲光纖對基于干涉型Sagnac光纖傳感技術(shù)的局部放電超聲檢測系統(tǒng)靈敏度的影響，設(shè)計電力設(shè)備局部放電模擬裝置，搭建干涉型Sagnac光纖法檢測局部放電系統(tǒng)，進行局部放電光纖法檢測靈敏度理論分析與試驗驗證。試驗證明，在10kV電壓等級下，傳感光纖長度在10km以內(nèi)，當(dāng)延遲光纖的長度約為12～18km時，局部放電頻域信號中心頻率強度有最大值;當(dāng)延遲光纖長度為12.353km時，傳感光纖對局部放電時域信號響應(yīng)的靈敏度較高。研究表明，調(diào)節(jié)合適的延遲光纖長度，可以提高干涉型Sagnac光纖法檢測局部放電時域和頻域信號的靈敏度，可為電力設(shè)備局部放電光纖法檢測靈敏度的提升提供新的思路。

關(guān)鍵詞：局部放電;光纖傳感;Sagnac;延遲光纖;靈敏度

中圖分類號：TP211+.6;TP23

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1674–5124（2019）02–0089–05

0 引言

局部放電（PD）是造成絕緣損壞的主要原因之一[1]，因此對局部放電的研究十分必要?，F(xiàn)階段對GIS設(shè)備和電力變壓器的PD研究結(jié)果表明：PD的放電脈沖具有非?？斓纳仙?，所激發(fā)的電磁能量在GIS設(shè)備和電力變壓器箱體內(nèi)來回傳播;同時，微小的火花或電暈放電會使電離氣體通道發(fā)生擴散，產(chǎn)生超聲壓力波[2-3]，還伴隨著電離、熱輻射、聲波振蕩、光子發(fā)射等物理現(xiàn)象[4]?；谶@些物理現(xiàn)象，逐漸衍生出了多種局部放電檢測方法，本文提出用薩格納克（Sagnac）光纖干涉法檢測PD產(chǎn)生的超聲波。Sagnac光纖干涉法因其使用的光纖具有抗電磁干擾、絕緣性能好、布置方式靈活、耐腐蝕等特點[5-6]，并能深入電力設(shè)備內(nèi)部檢測而不影響其工作狀態(tài)，在PD檢測領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。采用Sagnac光纖干涉法檢測PD產(chǎn)生的超聲波信號，杜絕了外部電磁干擾的影響，并且響應(yīng)速度快、操作簡單[7-9]。

針對Sagnac光纖干涉法檢測靈敏度的提升，北京大學(xué)提出并論證了一種采用雙Sagnac梳狀濾波器的多波長摻鉺光纖激光器[10];北京工業(yè)大學(xué)提出采用基于3×3耦合器的環(huán)形Sagnac干涉儀，對管道振動信號進行定位[11];Jang等[12]采用光纖偏振控制器控制雙折射干涉光束在Sagnac環(huán)中的正交相位偏置，成功檢測出傳統(tǒng)超聲壓電換能器產(chǎn)生的超聲波。但相關(guān)研究大多集中在選擇合適的光源和探測器等光學(xué)器件、改變光路、提升算法等方面，而針對延遲光纖對Sagnac光纖法檢測局部放電靈敏度影響的研究較少。

本文從干涉型Sagnac光纖法檢測PD的原理入手，通過理論分析和試驗驗證延遲光纖的長度變化對局部放電檢測系統(tǒng)的靈敏度影響。

1 基于Sagnac的光纖法檢測局部放電

PD在絕緣介質(zhì)中產(chǎn)生后，會隨著電壓的升高而逐漸加劇，最后使絕緣劣化甚至擊穿。該過程中會伴隨著各種復(fù)雜的聲、光、電等現(xiàn)象，也會產(chǎn)生超聲波[13]。PD產(chǎn)生的超聲波信號會使光纖產(chǎn)生機械振動，Sagnac光纖干涉儀將振動轉(zhuǎn)化為相位變化，從而實現(xiàn)Sagnac光纖法對PD信號的識別與檢測。

傳統(tǒng)的環(huán)形Sagnac干涉系統(tǒng)如圖1（a）所示，由于對稱的環(huán)形傳感光纖會以對稱的方式受到相同物理振動場強的作用，存在光的互易效應(yīng)，信號相互抵消，沒有干涉信號輸出。為解決該問題，本文設(shè)計了直線型Sagnac系統(tǒng)，實現(xiàn)對PD產(chǎn)生的超聲波信號的檢測，實驗系統(tǒng)如圖1（b）所示。

直線型Sagnac光纖傳感局部放電檢測系統(tǒng)采用3×3耦合器，且將Sagnac環(huán)打開，末端安裝法拉第旋轉(zhuǎn)鏡。該系統(tǒng)引入延遲光纖LD，使順逆時針單次經(jīng)過延遲光纖LD的兩路等光程的光在3×3耦合器中發(fā)生干涉，并將攜帶有PD位置信息的光信號的固定相位差引入系統(tǒng)，提高PD檢測的靈敏度。

2 延遲光纖對局部放電檢測靈敏度的影響

2.1 傳播與干涉

發(fā)生干涉的條件是順逆兩束光具有零光程差。光在環(huán)形Sagnac系統(tǒng)中，如圖1（a）所示，設(shè)光源A的光信號為

3dB耦合器B的3端，順時針方向的光信號為

B的4端，逆時針方向的光信號為

光源發(fā)出的光沿著順時針方向從B的3端到B的2端，光信號的強度為

光源發(fā)出的光沿著逆時針方向從B的4端到B的2端，光信號的強度為

由式（4）和式（5）對比可知，環(huán)形Sagnac光纖干涉系統(tǒng)順逆兩束光的相位差為π。

直線型Sagnac系統(tǒng)采用3×3耦合器[8]，在理想情況下，該耦合器的分光比為1∶1∶1，每一支路光輸出光強為光源光強的1/3，光纖耦合器的耦合相移φc=120°，則順逆兩束光的相位差為固定值2π/3。該系統(tǒng)由于延遲光纖LD的存在，使順逆兩束光經(jīng)過PD位置的相位信息不同，在3×3耦合器中發(fā)生干涉[14]，其光功率為

式中：P0——輸入光功率，mW;

φ（t）——振動引起的相移;

?Ψ——由其他信號引起的常數(shù)非互易相移;

ta、tb——順時針光先后兩次經(jīng)過PD源的時間延遲，ms;

tc、td——逆時針光先后兩次經(jīng)過PD源的時間延遲，ms。

2.2 延遲光纖與頻率

假設(shè)PD信號為y（t）=A0sin（ω0t+φ0），由于PD為小信號，且連續(xù)存在，則第i個信號可表示為

由式（7）可以推出，PD信號引起單次經(jīng)過延遲光纖LD的順逆兩束光路的相位變化可分別表示為

由于ωi=2πfi，則延遲光纖LD與PD信號的頻率之間的關(guān)系為

式中，n為光纖折射率，c為光在真空中的傳播速度。由式（12）可見，在一定范圍內(nèi)PD信號的頻率f與延遲光纖LD成反比例關(guān)系，因而為研究Sagnac光纖傳感PD信號檢測的靈敏度與延遲光

纖LD的長度變化關(guān)系提供了理論依據(jù)。

3 局部放電檢測靈敏度實驗方案設(shè)計

3.1 PD模擬裝置搭建

為了模擬局部放電，在實驗室設(shè)計針-針放電模型作為PD發(fā)生裝置，如圖2所示。針的本體直徑為5mm，針尖直徑為1mm，針與針之間的距離4mm。將該PD模型置于25#變壓器絕緣油中，模擬變壓器局部放電發(fā)生條件，產(chǎn)生PD信號。

3.2 直線型Sagnac光纖傳感局部放電檢測系統(tǒng)

直線型Sagnac光纖傳感PD檢測系統(tǒng)由PD發(fā)生模塊、光纖傳感器檢測模塊和信號采集與處理模塊構(gòu)成，如圖3所示。

PD發(fā)生模塊由升壓變壓器產(chǎn)生10kV的直流電壓作用在圖2所示的針-針放電模型的a、b兩端，且a為正，b為負(fù)。光纖傳感器檢測模塊為直線型Sagnac系統(tǒng)，光源為ASE寬帶光源，光功率可調(diào)，光纖選用G652D單模裸光纖，光電探測器的型號為DET01CFCD，帶寬為1.2GB，用于光電轉(zhuǎn)換。信號采集與處理模塊中采集卡由英國Pico公司生產(chǎn)，型號為3206D，分辨率為8位1GS/s，帶寬200MHz，采集卡參數(shù)設(shè)置如表1所示。

4 實驗研究與結(jié)果分析

在干涉型Sagnac光纖傳感PD檢測系統(tǒng)的始

端位置，將光纖繞制成直徑為10cm的傳感探頭，其光纖總長度為50m。按圖3所示搭建試驗系統(tǒng)，實現(xiàn)PD信號的產(chǎn)生與檢測。并運用該系統(tǒng)，分別改變延遲光纖LD的長度進行靈敏度實驗，探究PD時域信號和頻域信號與延遲光纖LD的關(guān)系。

將光電探測器通電，光源調(diào)為合適的功率輸出，開始試驗。經(jīng)由設(shè)置好參數(shù)的采集卡對PD信號進行采集，獲得連續(xù)并帶有包絡(luò)的PD時域信號，如圖4所示。

對系統(tǒng)采集到的110組PD信號的頻率特性進行研究，通過快速傅里葉變換得到PD信號的頻譜，如圖5所示。實驗室模擬的PD信號的頻域波形范圍約為6～40kHz，其中心頻率在7kHz，因此，該實驗方案能夠?qū)D信號進行識別與檢測。

為探究實驗系統(tǒng)中不同的延遲光纖長度LD對PD信號的頻率靈敏度的影響，將LD分別設(shè)定為2.014，4.051，6.193，12.353，14.318，18.319，26.671km，傳感光纖長度為2km進行實驗，對相同長度的延遲光纖LD做多次重復(fù)試驗并進行平均，得到試驗結(jié)果如表2所示。由表中數(shù)據(jù)繪制PD頻域中心頻率、中心頻率強度在不同延遲光纖長度LD下的變化曲線，其統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示。

由圖可知，在傳感光纖長度為2km，且其他試驗條件不變時，PD頻域信號的中心頻率隨著延遲光纖LD長度的變化而變化。當(dāng)延遲光纖LD為2～12.353km時，PD頻域中心頻率隨著延遲光纖LD長度的增大而減小;在延遲光纖LD的長度大于14.318km時，PD頻域信號中心頻率趨于恒定值6.95kHz，與式（12）所述原理相符。當(dāng)延遲光纖LD的長度為12～18km時，PD頻域信號中心頻率強度有最大值。

為進一步探究PD時域信號靈敏度與延遲光纖LD長度變化的關(guān)系，將傳感光纖設(shè)定為0.5km，延遲光纖LD分別設(shè)定為2.014，4.051，6.193，12.353，14.318，18.319，26.671km，重復(fù)上述試驗，得到時域信號幅值。對相同長度的延遲光纖LD多次重復(fù)試驗并進行平均，實驗統(tǒng)計結(jié)果如圖7所示。

由圖可知，針對不同長度的傳感光纖，PD信號的時域信號幅值變化有相似的趨勢。當(dāng)延遲光纖LD長度為12.353km時，傳感探頭對PD信號時域響應(yīng)的靈敏度較高。因此，基于干涉型Sagnac光纖傳感技術(shù)的局部放電光纖法檢測系統(tǒng)可以通過選擇合適的延遲光纖LD長度，實現(xiàn)PD信號的識別與檢測靈敏度的提高。

5 結(jié)束語

本文通過理論分析和試驗驗證，研究了延遲光纖LD對干涉型Sagnac光纖傳感技術(shù)檢測局部放電靈敏度的影響，試驗結(jié)果表明當(dāng)延遲光纖LD長度為2～12.353km時，PD頻域信號的中心頻率隨著延遲光纖LD長度的增大而減小，當(dāng)延遲光纖LD的長度大于14.318km時，PD頻域信號的中心頻率趨于恒定值;當(dāng)延遲光纖LD的長度約為12～18km時，PD頻域信號中心頻率強度有最大值;當(dāng)延遲光纖LD長度為12.353km時，傳感探頭對PD信號時域響應(yīng)的靈敏度較高。該系統(tǒng)可應(yīng)用于電力變壓器等電力設(shè)備的PD檢測。現(xiàn)有的試驗方案與結(jié)果尚未實現(xiàn)PD信號的準(zhǔn)確定位，下一步可以在光路上進行探索，把通過改變光源的脈沖寬度或?qū)agnac干涉原理與光時域反射（OTDR）原理相結(jié)合進行PD信號檢測與定位作為研究的重點。

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