- 頭條科研簡報：EFPI光纖聲波傳感器在局部放電檢測應用中的問題2022-07-07 作者：陳起超、張偉超 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語局部放電（簡稱局放）是危害高壓電力設備安全運行的重要因素，其發生時伴隨有電信號、光信號、超聲信號及化學反應產生。在這些現象中超聲信號具有高時效性、易于檢測及抗電磁干擾等特點，成為近年來的研究熱點。對局放超聲信號的檢測方法逐步由傳統的外置壓電陶瓷檢測法轉變為內置的光纖聲波傳感器檢測法。在眾多的光纖聲波傳感器中，非本征光纖法布里-珀羅（Extrinsic Fiber Fabry-Perot Interferometer, EFPI）傳感器由于具有結構簡單、體積小及靈敏度高等優點而獲得國內外研究學者的高度關注。
1 動態溫度及靜壓力變化對傳感器檢測性能的影響及解決方法
根據EFPI傳感器的原理可知，其檢測靈敏度受傳感器腔長影響。當傳感器在變壓器油中使用時，膜片受液體靜壓力作用發生形變，進而改變傳感器腔長，同時傳感器本體材料在自身線性熱膨脹作用下也會改變傳感器腔長，腔長改變后需要重新調整靜態工作點以保障傳感器檢測靈敏度。在實際應用中，傳感器多數都處在動態的溫度及壓力區域內，嚴重影響了傳感器的穩定性。
1）工作點動態追蹤技術
利用工作點動態追蹤系統可有效解決工作點漂移問題，該系統示意圖如圖1所示。
圖1
放大自發輻射（Amplified Spontaneous Emission, ASE）寬帶光源發射出的光進入隔離器，在經隔離器入射到可調諧FP濾波器中成為窄帶光后進入隔離器，窄帶光中心波長由PZT驅動電源進行控制調節；窄帶光經一分二耦合器1、2進入到光譜儀和傳感器中，光電放大器通過耦合器2接收到由傳感器返回的光后轉換為電信號，傳入計算機中。
該系統的工作原理為通過可調諧窄帶光對傳感器進行掃描，獲得傳感器實時干涉光譜對應不同窄帶波長的輸出電壓，對輸出電壓分析計算后確定傳感器最優工作點，穩定傳感器對局放超聲信號的檢測性能。
2）準連續正交調頻技術
準連續正交調頻技術同樣針對EFPI傳感器的正交強度解調系統，確保用于超聲信號檢測的EFPI傳感器檢測靈敏度不受靜壓力及溫度變化的影響。該技術的基本原理如圖2所示。通過MG-Y型激光器獲得四個連續且具有固定偏差（π/2）的光頻，并依托現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）對光電探測器（Photoelectric Detector, PD）回饋信號進行處理，重新調整激光器輸出光信號，保證EFPI傳感器檢測的穩定性。
圖2 準連續正交調頻技術系統及原理圖
2 傳感器響應角度與靈敏度的關系
在電力設備中局放點發生的位置呈不確定性，并且局放所發出的超聲信號類似于一個點聲源，超聲信號以球面波的形式傳播。傳感器在實際應用時安裝位置是固定不動的，這使得傳感器膜片法向與聲波波矢方向產生夾角。
根據聲學基礎原理可知，同一強度聲波以不同角度入射到傳感器膜片上時傳感器膜片受迫形變不同，傳感器膜片的形變量直接影響其檢測靈敏度。為了能夠在實際應用中給傳感器選取最佳安裝位置，就需要獲得傳感器響應角度與檢測靈敏度的關系。
利用脈沖點火器作為局放聲信號搭建的實驗平臺如圖3所示。脈沖點火器與傳感器固定在可旋轉光學滑軌上，由于脈沖點火器放電量不完全相同，因此每個放電位置進行10次有效放電，對輸出信號求平均值以確保測試響應的準確性。測試角度為0~360°，以15°為步長進行；脈沖點火器與傳感器之間的距離d分別取25cm、50cm、75cm和100cm，實驗結果如圖4所示。通過實驗結果可知，在±60°的范圍內傳感器具有較好的響應靈敏度。
圖3 實驗裝置圖
圖4 不同角度與位置檢測到的超聲波信號
3 變壓器油對傳感器特性參數的影響
EFPI傳感器在變壓器油中使用時，傳感器膜片兩面分別與變壓器油和空氣接觸，這使得膜片固有諧振頻率發生變化。產生上述問題的原因在于變壓器油具有一定黏度，其與傳感器膜片接觸時增加了膜片振動的附加質量，最終使得傳感器膜片固有諧振頻率下降。
搭建實驗平臺對與油接觸和未與油接觸的同一支傳感器進行實驗驗證，實驗平臺如圖5所示。實驗用傳感器直接置于變壓器油中進行實驗，其結構如圖6所示。隨后取出傳感器，去除表面變壓器油，對其進行封裝處理，使膜片兩面都只與空氣接觸，將封裝后的傳感器置于變壓器油中再次進行實驗，封裝后傳感器結構如圖7所示。
圖5 EFPI傳感器超聲測量系統實驗平臺
圖6 EFPI傳感器結構圖
圖7 EFPI傳感器封裝后結構
該實驗平臺將PZT作為聲波激勵信號，輸入信號從20~200kHz，步長為10kHz，封裝結構和非封裝結構EFPI傳感器在變壓器油中幅頻特性對比實驗結果如圖8所示。通過實驗結構可以看出，傳感器膜片完全置于空氣中的固有諧振頻率為133kHz，而在變壓器油中的固有諧振頻率降低到58kHz，在固有諧振頻率下封裝后傳感器輸出幅值降低是由于封裝結構造成了一定的聲衰減。
圖8
圖9 不同溫度變壓器油中EFPI的幅頻特性
依托于該實驗平臺對直接置于變壓器油中的傳感器進行變溫實驗，測得其在20℃、50℃、80℃下的幅頻特性，實驗結果如圖9所示。通過實驗結果可以看出傳感器固有諧振頻率隨溫度增加而升高，這是由于變壓器油的黏度隨溫度升高而降低，膜片外表面的附加質量降低而導致的。
本文編自2022年第5期《電工技術學報》，論文標題為“非本征光纖法-珀傳感器局部放電檢測研究進展”，作者為陳起超、張偉超 等。本文第一作者為陳起超，1988年生，博士研究生，研究方向為高壓電力設備絕緣檢測。通訊作者為張偉超，1984年生，博士，副教授，研究方向為光纖傳感及高壓絕緣檢測。本課題得到了國家自然科學基金青年基金、黑龍江省普通高校基本科研業務費專項資金和國網浙江省電力有限公司科技項目的資助。
