基于相位跟踪反馈控制的光纤GIS局放超声检测.pdf

第22卷第1期2024年2月Vol.22 No.1Feb.2024中 国 工 程 机 械 学 报CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY基于相位跟踪反馈控制的光纤GIS局放超声检测李天辉1，2，臧谦1，2，乔辉3，朱继红4，庞先海1，2（1.国网河北省电力有限公司 电力科学研究院，河北 石家庄 050021；2.国网河北能源技术服务有限公司，河北 石家庄 050021；3.国网河北省电力有限公司，河北 石家庄050021；4.南京合智电力科技有限公司，江苏 南京 210000）摘要:为实现对气体绝缘开关设备（GIS）的局部放电超声光学稳定检测，根据Michelson干涉原理构建GIS局部放电超声传感系统，设计一种可增强相位跟踪反馈抗干扰性能的新方法。在GIS设备上开展了干扰测试，构建得到能满足现场GIS局部放电超声检测要求的传感系统。研究结果表明：该方法可对低于1.8 kHz低频噪声造成的相位衰落起到明显的抑制效果。根据相位衰落抑制效果测试结果，设置相位反馈控制，传感系统达到40 mV的稳定幅值，保证光纤传感系统在100 Hz电动力干扰的条件下依然保持良好的稳定性。GIS局放检测试验结果显示，10 s内Michelson光纤干涉系统对局部放电超声信号达到精确检测的效果，压电传感器（PZT）未检测到局部放电的信号。该研究具有较好的实际应用价值，易于推广。关键词:气体绝缘开关；内部缺陷；相位反馈；智能控制；超声检测中图分类号:TP 23 文献标志码:A 文章编号:1672-5581（2024）01-0123-05Intelligent acousto-optic detection of GIS defects based on phase tracking feedback controlLI Tianhui1，2，ZANG Qian1，2，QIAO Hui3，ZHU Jihong4，PANG Xianhai1，2（1.Electric Power Research Institute，State Grid Hebei Electric Power Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050021，Hebei，China；2.State Grid Hebei Energy Technology Service Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050021，Hebei，China；3.State Grid Hebei Power Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050021，Hebei，China；4.Nanjing Hezhi Electric Power Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210000，Jiangsu，China）Abstract：In order to detect the local emission ultrasonic optical stability of gas insulated switch（GIS），a GIS partial discharge ultrasonic sensing system was constructed based on Michelson interference principle，and a new method was designed to enhance the anti-interference performance of phase tracking feedback.The interference test is carried out on GIS equipment，and the sensor system which can meet the requirements of GIS partial discharge ultrasonic detection is constructed.The results show that the proposed phase feedback control method can significantly suppress the phase fading caused by low frequency noise below 1.8 kHz.Test results of phase fading suppression effect.After setting phase feedback control，the sensing system reaches a stable amplitude of 40 mV，ensuring good stability of the optical fiber sensing system under the condition of 100 Hz electrodynamic interference.The results of GIS local discharge test show that the Michelson optical fiber interferometer system can accurately detect the ultrasonic signal of partial discharge within 10 seconds，while the piezoelectric sensor（PZT）sensor can not detect the signal of partial discharge.This research has good practical application value and is easy to be popularized.Key words：gas insulated switch；internal defects；phase feedback；intelligent control；ultrasonic detection 基金项目：国网河北省电力有限公司科技资助项目（kj2022-062）作者简介：李天辉（1984），男，高级工程师，博士。Email：第22卷中 国 工 程 机 械 学 报为 保 证 气 体 绝 缘 开 关 设 备（gas insulated switchgear，GIS）的安全稳定运行，采用局部放电检测方法快速检测绝缘缺陷1-3。虽然可利用脉冲电流法和特高频方法达到高灵敏度的测试要求，但两者缺乏良好的抗电磁干扰性能。另外，光测法与分解产物法仍处在实验室开发的阶段，声测法具备较强的抗电磁干扰性能，可满足在复杂电磁条件下的局部放电测试需求4-5。当前各类先进光学传感技术的快速发展，为实现光纤超声传感器的应用推广提供了有利条件，也促进新的局部放电超声检测方法的开发应用。根据光干涉原理设计的局部放电超声检测方法具备检测精度高、结构简单的优势，近年来获得众多学者的研究关注6-8。李晓敏等9开发一种通过光纤环建立的传感器设备，同时根据Sagnac干涉原理设计检测局部放电情况的方法，专门设计针尖放电模型，以实现对上述检测方法的性能评估，并对比不同长度传感器引起的检测灵敏度变化。以上研究结果改善了局部放电超声信号检测的效果，促进了灵敏度的提升。目前，大部分研究的内容均为检测性能及灵敏度的影响因素。但实际运行工况下的设备检测稳定性的研究较少，尤其缺少GIS局部放电检测方面的系统研究。干涉光纤超声传感是利用相位调制方法实现的传感技术，实际响应性能受初始相位点直接影响。当温度或应力改变时，相位偏移也会随之发生变化，导致超声传感稳定性下降10-12。虽然上述振动频率比局放超声信号更低，但在调制光纤传感单元方面表现出比局放超声波更强的性能。受低频干扰信号的影响，干涉型光纤超声传感系统表现出相位随机变化的特征，无法确保传感系统的稳定运行13-15。为实现对GIS进行局部放电超声光学稳定检测的过程，本文根据Michelson干涉原理构建GIS局部放电超声传感系统，重点研究低频噪声引起的系统稳定性变化，设计一种可增强相位跟踪反馈抗干扰性能的新方法。在GIS设备上开展干扰测试，构建得到满足现场GIS局部放电超声检测要求的传感系统。1 光纤超声传感系统抗干扰方法 1.1相位跟踪反馈原理由于干涉信号发生相位衰落的情况，本文设计一种更高效的相位跟踪反馈方法。先检测受环境噪声影响发生的相位漂移，再利用相位漂移形成的电信号为相位调制器提供驱动作用，使其在干涉仪内出现反向相移，达到抵消环境噪声相位漂移的作用。包含相位反馈控制结构的Michelson 干涉超声传感系统组成结构如图 1 所示，其中，BPD为平衡光电探测器（balanced photo detector，BPD）。由图1可知，在Michelson干涉系统中，受22耦合器影响，两路输出信号的相位差为180，完成光电转换处理得到的两路输出信号如下所示：U1(t)=Umcos(s(t)+n(t)+0-A(t)（1）U2(t)=-Umcos(s(t)+n(t)+0-A(t)（2）式中：U1与 U2为对两路干涉信号进行光电转换得到的交流分量，mV；Um为交流分量的变化幅度，mV；s、n分别为光和电的磁通量，Wb；0为初始磁通量，Wb；A（t）为相位调制器相移参数，rad/s。对式（1）与式（2）差分放大后再展开可得Uc(t)=2Um(cos(-A(t)-s(t)sin(-A(t)（3）式中：Uc为经过差分放大处理得到的电压，mV；为相位差，rad/s。由式（3）可知，当改变时，干涉仪与正交工作状态之间发生偏离，此时相位反馈回路利用V3测试环境的扰动信号，由此生成对应的电压信号并实现对相位调制器相移量A（t）的驱动功能，控制光纤干涉超声传感系统始终工作于正交位置。1.2相位跟踪反馈系统设计根据文献 13 可知，在GIS运行条件下的干扰频率低于1 kHz，因此，本文将反馈控制系统的截止频率设定为1.8 kHz。其中，平衡光电探测器先以图1相位跟踪反馈控制光路拓扑Fig.1Phase tracking feedback control optical path topology124第1期李天辉，等：基于相位跟踪反馈控制的光纤GIS局放超声检测差分放大的方式处理干涉信号；再利用低通滤波器完成差分信号的滤波，从信号内提取得到受环境扰动作用而产生的低频分量；通过积分器生成干扰电压信号，以补偿驱动相位调制器。最后对相位反馈系统实施拉普拉斯转换，构建得到S域模型，如图2所示。图中，内存在超声信号相位调制量；K1为干涉仪两臂之间形成的相位差及输出电压幅度转换系数；G为平衡光电探测器差分放大器增益；K2为对相位调制器施加单位电压后参考臂相位发生改变的弧度；E为积分器传递函数。利用信号发生器产生正弦信号，确保相位调制器获得2以上的调制相位量，系统响应信号测试结果如图3所示。根据余弦函数有界性得到信号峰值Um。通过计算得到K1=1.3 V/rad。以上测试结果表明，本文设计的相位反馈控制方法对低于1.8 kHz的低频噪声造成的相位衰落有明显抑制效果，而对1.8 kHz以上的信号，增益达到GK1=7.29。2 相位衰落抑制效果测试 为验证相位跟踪反馈过程引起的传感系统相位衰落抑制作用，利用126 kV GIS腔体测试电动力与手动隔离开关产生的噪声所引起超声传感性能的变化情况。测试电动力影响的结构如图4所示。测试期间通过信号发生器驱动压电传感器（piezoelectric sensor，PZT）形成频率50 kHz与电压20 V的超声信号，通过电机差生 100 Hz的振动信号。将两者设置在GIS腔体外部靠近下部的中间区域。将光纤干涉传感单元和加速度传感器都安装于GIS腔体上部接近绝缘子部位，以测试超声信号和噪声振动信号。利用加速度传感器对电动力噪声测试波形如图5所示，设定加速度为0.12g，频率为100 Hz。测试号得到的结果如图6（a）所示，进行无反馈跟 踪 的 过 程 中，当 检 测 时 间 未 超 过 0.1 s 时，Michelson光纤干涉传感系统发生响应幅值的持续波动，引起较大程度的相位衰减。由图6（b）可知，设置相位反馈控制条件后，传感系统达到了40 mV的稳定幅值，保证光纤传感系统受到 100 Hz电动力干扰的条件下依然保持良好稳定性。图2相位反馈控制系统S域模型Fig.2S domain model of phase feedback control system图3正弦信号调制下输出信号Fig.3Sinusoidal signal modulation output signal图4电动力影响试验平台Fig.4Schematic diagram of electrodynamic influence test platform图5电动力噪声测量波形Fig.5Electrodynamic noise measurement waveform125第22卷中 国 工 程 机 械 学 报3 GIS局放检测试验 为验证本文设计的传感系统测试GIS局部放电超声信号的性能，利用126 kV GIS完成局部放电测试。该试验装置结构如图7所示。本研究构建了自由球型金属颗粒的放电模型，同时在靠近绝缘子的GIS腔体中放入外径1 mm的铝制小球。在GIS腔体中充入压力为0.4 MPa的SF6，以工频测试变压器加压，并与PZT传感器比较，将光纤超声传感器（optical fiber sensor，OFS）和 PZT 依次设置于试验腔体的两侧。测试期间按照步长为2 kV的间隔加压，经过1 min稳定后，记录不同电压下的测试信号，直至获得局部放电的情况。电压上升至63.5 kV的峰值状态时，得到OFS和PZT时域信号如图8所示。由图8可知，10 s内，Michelson光纤干涉系统对局部放电超声信号达到精确检测的效果，PZT传感器未检测出局部放电的信号。4 结论（1）本 文 设 计 相 位 反 馈 控 制 方 法 对 低 于1.8 kHz低频噪声造成的相位衰落起到明显的抑制图6噪声干扰下光纤传感系统响应Fig.6Response of optical fiber sensing system under noise interference图7局放超声检测试验平台布置Fig.7Layout of ultrasonic testing platform for defects图8OFS和PZT传感器检测信号Fig.8Detection signals of OFS and PZT sensors126第1期李天辉，等：基于相位跟踪反馈控制的光纤GIS局放超声检测效果。（2）相位衰落抑制效果测试结果表明，设置相位反馈控制后，传感系统达到了 40 mV 的稳定幅值，保证光纤传感系统在 100 Hz电动力干扰的条件下仍保持良的好稳定性。（3）GIS 局放检测试验结果显示，10 s 内，Michelson光纤干涉系统对局部放电超声信号达到精确检测的效果，PZT传感器则未检测出局部放电的信号。参考文献：1KOCH H，MINISANDRAM V，FICHEUX A，et al.Gas insulated substations M.Chichester，UK：John Wiley，2014：113.2唐志国，唐铭泽，李金忠，等.GIS设备局部放电类型表观相似性及模式识别准确性的探讨 J.高电压技术，2018，44（8）：2479-2485.3李军浩，韩旭涛，刘泽辉，等.电气设备局部放电检测技术述评 J.高电压技术，2015，41（8）：2583-2601.4郭俊，吴广宁，张血琴，等.局部放电检测技术的现状和发展 J.电工技术学报，2005，20（2）：29-35.5MA G M，ZHOU H Y，SHI C，et al.Distributed partial discharge 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