光纤分立式多点局部放电检测与定位技术.pdf

文章编号：1002-2082(2023)05-1125-08光纤分立式多点局部放电检测与定位技术曾凌烽1，林朝哲1，黄建理2，周德永1，张泽龙1（1.南方电网深圳供电局有限公司，广东深圳518000；2.南方电网科学研究院有限责任公司，广东广州510000）摘摘 要：要：为了更准确地监测电力系统的运行状况，提出了一种应用于电力变压器局部放电（partialdischarge，PD）检测的分立式多点检测方案。该方案基于光纤外差式干涉原理，传感系统由 4 个传感头构成，以实现多点检测和局部放电声源的定位。通过优化设计传感头的结构提高了传感器的灵敏度，同时传感器紧凑型的封装方式使其能够安装在电力变压器内部，提高检测结果的准确度。实验结果表明，该传感方案的单通道分辨率可达 4mrad，同时对构造的三相电力变压器模型进行了实验演示和分析，在对 150kHz 局部放电超声多通道测量时，可实现声源定位的分辨率为1cm。由于该方案结构小巧、分辨率高及成本低廉，其在电力系统安全检测中有着巨大的应用潜力。关键词：关键词：光纤传感器；局部放电检测；干涉；超声；电力系统；定位技术中图分类号：TM855文献标志码：ADOI：10.5768/JAO202344.0508001Discrete multi-point partial discharge detection and locationtechnology of optical fiberZENGLingfeng1，LINChaozhe1，HUANGJianli2，ZHOUDeyong1，ZHANGZelong1（1.ShenzhenPowerSupplyBureauCo.,Ltd.,ChinaSouthernPowerGrid,Shenzhen518000,China；2.ElectricPowerResearchInstituteofChinaSouthernPowerGrid,Guangzhou510000,China）Abstract：Inordertomonitortheworkingconditionofthepowersystemmoreaccurately,adiscretemulti-pointdetectionschemeappliedtopartialdischarge(PD)detectionofpowertransformerswasproposed.Basedontheheterodyneinterferenceprincipleofopticalfiber,thesensingsystemwascomposedoffoursensingheadstorealizemulti-pointdetectionandpartialdischargesourcelocalization.Thesensitivityofthesensorwasimprovedbyoptimizingthestructureofthesensorhead.Atthesametime,thecompactpackageofthesensorenabledittobeinstalledinthepowertransformer,whichimprovedtheaccuracyofthedetectionresults.Theexperimentalresultsshowthatthesingle-channelresolutionoftheproposedsensingschemecanreach4mrad.Theconstructedthree-phasepowertransformermodelisexperimentallydemonstratedandanalyzed,andthe resolution of sound source localization can be 1 cm when the 150 kHz PD ultrasonic multi-channelmeasurementiscarriedout.Becauseofitscompactstructure,highresolutionandlowcost,theproposedschemehasgreatapplicationpotentialinsecuritydetectionofpowersystem.Key words：optical fiber sensor；partial discharge detection；interference；ultrasound；power system；localizationtechnology引言局部放电检测是一种广泛应用于电力变压器的诊断技术，该技术通过检测局部放电产生的超声波来识别和定位变压器系统中的早期故障1-4。由于光纤传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、质量轻等优点5-8，因此被广泛应用于电力变压收稿日期：2022-11-29；修回日期：2023-03-07基金项目：南方电网公司重点科技项目(090000KK52220018)作者简介：曾凌烽（1989），男，硕士，工程师，主要从事电力安全与通信技术研究。E-mail：第44卷第5期应用光学Vol.44No.52023年9月JournalofAppliedOpticsSep.2023器的局部放电超声检测中。对于局部放电源的定位一般需要多个传感器，这些传感器可以提供声波到达不同传感器的时间差信息，然后借助三角测量等技术来定位局部放电源的位置9-10。在电力变压器的局部放电声检测中，通常使用放置在变压器外的压电式传感器，但是压电式传感器易受电磁干扰，且放置在变压器外部可能导致测量的结果不准确。基于光学干涉原理的新型传感器由于其小巧的结构，可以安装在变压器内部，使传感器更接近声释放源，因而具有更高的灵敏度和准确性，并且可以克服恶劣环境中电噪声等相关问题，因此受到了广泛关注11-14。西班牙马德里卡洛斯三世大学的POSADA-ROMANJ等人提出了一种对局部放电进行超声检测的内部干涉式光纤传感器15，中国科学院电工研究所的郭少朋等人针对油浸变压器中局部放电的测试需求，提出了基于 Fabry-Perot 的超声波测试系统16，但是上述方案只能用于单通道检测，这极大地限制了传感器的实用性。华北电力大学的王杨超等人提出一种基于法布里-珀罗的局部放电光纤超声传感器17，并结合神经网络进行了局部放电的模式识别，但是该方案也未进行多通道的传感研究。对于局部放电定位研究，更多是基于电容器18及相关数学算法19实现的，但是这些方法易受电磁干扰，且计算量复杂，成本高昂。因此我们开发了一种基于光纤的局部放电超声检测系统，以解决多通道配置问题，同时保持检测局部放电发出的低幅度声学信号所需的高性能，以便实现局部放电源的定位。在本文中，我们提出了一种用于检测电力变压器多点局部放电的光纤多通道外差式干涉传感器，该传感系统能够同时处理 4 个传感通道，且能够实现局部放电声源的定位，对所有传感通道进行了局部放电测试，实验结果表明该传感系统传感头放置在电力变压器内部的方案，可以实现较高的分辨率。同时对三相电力变压器进行了实验分析，证明了该传感方案的可行性。1 传感原理声释放是弹性传播介质（例如油或水）中的压力变化，可以耦合到弹性传感材料中（例如光纤）。这种本征传感的原理是基于声诱导应变产生的光程变化，可以通过光纤干涉仪中的光学相位测量获得20：=2nl(12v)E(n2(p11 p12)21)p（1）nvp11p12p式中：是光纤的有效折射率；l 是光纤干涉仪的长度；是光波长；是泊松比；E 是杨氏模量；和是光弹常数；是声压的变化量。光纤的轴向应变和光弹效应均会对光学相位的变化产生影响。i对于局部放电检测的光纤干涉传感技术，通常分为零差法和外差法。零差法是基于两个频率相同的光束的干涉，这种方法是将传感器检测到的声波转换为干涉仪输出端的光电流幅度：i=Kcos(0+)（2）0式中：K 是一个常数，包含光电探测器的平均光功率、响应度和干涉信号的对比度；是由干涉仪干涉臂之间的不平衡引入的初始相位；是式（1）中描述的相位变化，其中包含需要检测的信息。外差法是基于两个不同频率的光束干涉，声波信息包含在干涉仪输出端光电流信号的相位中。在这两种技术中，声波都调制载波信号，因此必须对载波进行充分的解调，以获得需要检测的信息。外差法输出端的光电流可以表示为i=Kcos(2fc+0+)（3）0fc式中：K、和与式（2）中描述的参数相同；是由光相位调制的载波信号的频率。在外差法中，载波信号通常是高频或甚高频频段中的射频信号，而零差法使用低频信号，这使其更容易实现。然而，零差法需要一个相位调制器（通常是压电致动器），以便将干涉仪的偏置点设置在准线性范围内，因此多通道系统需要多个调制器（每个通道一个），这使得零差法在实际工程应用中不易实现。外差法虽然复杂，但在多通道应用中具有巨大优势，因为每个通道中不需要额外的组件。此外，由于测量是在高频载波的相位中调制的，因此它的高分辨率测量不易受闪烁噪声（1/f 噪声）的影响。2 传感器的设计本实验中的传感器的设计是基于多层配置的光纤线圈，该光纤线圈将用于局部放电声释放的传感，如图 1 所示。由式(1)可知，通过将更长的光纤置于声波范围内可以获得更高的灵敏度。为了获得紧凑的尺寸，传感器设计为多层缠绕的光纤圈。如果传感器的尺寸远低于声波波长，则暴露在声波下的所有光纤都会影响传感器的灵敏1126应用光学第44卷第5期度，另外光纤的最小弯曲半径决定了线圈的最小直径。因此，通过光纤长度提高灵敏度和避免灵敏度损失的紧凑设计是一个权衡问题。在本实验中，为了避免光纤弯曲造成的光传输损耗，线圈是在直径为 30mm的圆柱形上缠绕了 17m 光纤制成的，缠绕层数为 5 层，缠绕完成之后移除圆柱体。声源光纤圈输入/出30 mm图 1 光纤传感器检测超声信号示意图Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic signal detection byoptical fiber sensor3 多通道光纤外差干涉传感解调方案图 2 所示为 4 个通道传感系统的解调方案示f1f0+f1f0意图。在该方案中，为了实现四通道传感系统，将来自中心波长为 1550nm 左右光源的光分为参考臂和传感臂，如图 2 中虚线框中所示。频移由声光调制器(acousto-opticmodulator，AOM）产生，声光调制器的调制频率（80MHz）由信号发生器提供。光源发出的光经过该装置后，被调制成频率为（一阶）的光束通过耦合器到达传感器，从光源发出的另一束频率为（零阶）的光束则到达参考臂。然后光纤耦合器将来自每个传感臂的光信号与参考臂的光信号相结合，以获得 4 个通道的干涉测量输出。这些干涉信号由 4 个可调增益的平衡光电探测器（Thorlabs,PDB450C）检测，该探测器的工作波长为 800nm1700nm，带宽可达 150MHz。在其输出端获得相位调制为 80MHz 载波，载波移至 4.8MHz的中频，这是通过将载波与同一信号发生器生成的 75.2MHz 信号混合来完成的，然后中频被数字化和数字解调，最后在由多通道数据采集与处理系统完成从载波信号中提取所需的相位信息。传感器多通道数据采集及处理耦合器f0+f1f1=80 MHzf2=75.2 MHzfc1=4.8 MHzfc1=4.8 MHzfc1fc2fc3fc4f0f0AOM光源信号发生器参考臂图 2 多通道传感干涉测量方案Fig.2 Interferometry scheme for multi-channel sensing4 多通道干涉仪性能分析4.1 传感系统的分辨率图 3 所示为该多通道传感系统一个通道检测到的载波的功率谱密度（powerspectraldensity，PSD）。取如图 3 所示的载波信号频谱，对检测带宽中存在的噪声进行积分，检测带宽在载波频率 1MHz 附近，得到信噪比（signaltonoiseratio，SNR）为 32dB。在该信噪比下，相应的相位分辨率为 4mrad。由于本测试中使用了自由空间声光调制器，光学插入损耗较大，这会影响整个系统的信噪比。在以后的研究中将使用尾纤声光调制器设备，以优化插入损耗。功率谱密度/dB4.01604.24.44.64.85.05.05.45.6140120100806040频率/MHz图 3 干涉仪每个通道获得的功率谱密度Fig.3 Power spectral density obtained for each channel ofinterferometer4.2 声释放检测声释放检测实验在一个尺寸为 1006060cm3应用光学2023，44（5）曾凌烽，等：光纤分立式多点局部放电检测与定位技术1127充满水的箱子里进行，水可以传递超声波，使用压电陶瓷（PZT）作为声发射(acousticemissions,AE)源模拟局部放电产生的声波。罐壁的内表面覆盖有吸声材料，以避免声波反射干扰实验。此外，作为参考的校准水听器（Bruel&Kjaer8103）放置在传感器的附近，该水听器专为高频实验室和工业用途而设计，其灵敏度为 30V/Pa，频率相应范围为0.1Hz180kHz。实验装置如图 4(a)所示。在本实验中，水箱内的 PZT 产生 150kHz 的声波，对传感器和参考水听器同时检测；同样条件下，传感器距离声源越近，灵敏度越高，考虑到实际情况的应用，我们设置两者都位于声源前方 20cm 处，然后对传感系统上的每个通道进行测试。图 4(b)显示了使用相同传感探头获得的所有通道的声信号检测结果，并与参考水听器检测到的结果进行了比较。与使用光纤传感器检测到的声信号相比，参考水听器检测到的声发信号具有相同的趋势和不同的峰值，具体表现为光纤传感器检测到的信号中有 2 个峰值，为延迟的双峰响应，这是由于光纤圈的对称性引起的，所以它会检测 2 次相同的声波。这种双重响应效应可以通过使用绝缘光纤线圈来避免，这将在接下来的实验分析中介绍。箱壁声源光纤传感器参考水听器20 cm20 cm时间/s(b)检测结果(a)实验装置相位/mrad01005010015020025050050100参考水听器/mV10050050100通道 1通道 1通道 1通道 1参考水听器图 4 实验结果Fig.4 Experimental results5 实验分析本实验的目的之一是通过在变压器内部合理布置传感器，实现局部放电声波的在线检测。因此我们提出了在变压器内部布置传感器的方案，并对其进行了测试。图 5 为 150kHz 声信号下在xy 和 yz 平面上传感器的方向响应性。可以看出，在 xy 平面上检测角度为30，如图 5(a)所示；在 yz 平面上有一个覆盖90的宽探测角，如图 5(b)所示。0306090024681012121086420 xy0306090024681012121086420zy(a)xy平面(b)yz平面声压级声压级图 5 光纤超声传感器的方向性Fig.5 Directivity of optical fiber ultrasonic sensor传感器的位置放置是利用了它们在 y-z 平面上的宽检测角特性。一个传感器可以监测变压器绕组的完整一侧，因此需要 6 个传感器来监测变压器三相的绕组。另外，传感器的放置位置应该使得绕组在 x-y 平面的检测角度内。因此，传感器的放1128应用光学第44卷第5期置满足条件 r/dtan30，其中 r 是绕组半径，d 是绕组中心到传感器的距离，如图 6 所示。光纤传感器变压器绕组No.1No.230No.3No.4No.5No.6图 6 用于变压器局部放电监测的光纤传感器内部位置放置示意图Fig.6 Schematic diagram of internal position placement ofoptical fiber sensor for transformer PD monitoring为了证明所提出传感器的有效性，进行了如下实验验证。首先对多通道系统进行表征，使用同一个声学测试台对传感器浸入水中时进行了实验。如前所述，这种配置需要 6 个传感器来监测变压器的 3 个绕组，然而，水箱的两侧都具有对称性，故简化了实验设置，3 个传感器足以证明这一概念。其中，PZT 用于模拟局部放电产生的声波。图 7为 3 个传感器检测到的结果，它们的特性类似于在工程应用中观察到的声释放，即通过连接变压器的 2 个高压电极在油中产生的真实局部放电21-22。图 7 还显示了用作声发射源的 PZT 的电信号，该信号是一个包含 3 个周期 150kHz 的正弦信号，与第 4.2 节所示信号的双峰包络不同，在这种情况下，每个传感器检测到的声释放是单峰响应（正面检测），因为传感器的背面被放置在光纤线圈中部的吸声器隔离，因此可以观察到从声源到 3 个传感器的不同到达时间差。时间/s幅度/(a.u.)00.1050100S1S2S31502002503003500.0500.050.10 PZT图 7 3 个光纤传感器对模拟局部放电信号的的检测结果Fig.7 Detection results of simulated partial dischargesignals by three fiber optic sensors进行的试验主要是测量声波到达传感器的时间差，这是声源定位的基础。在这些测试中，对声波进行了两次扫描：一次沿着 x 轴，另一次沿着z 轴，如图 8 所示。x 轴的扫描是沿着一条线进行的，该线位于 3 个绕组区域的中间，这 3 个区域被直径为 20cm 的绕组占据。在 2 次连续测量之间，声发射源沿这条线的位移为 5cm。光纤传感器No.1No.2No.330 m变压器绕组声源位置(5 cm的位移)yx光纤传感器No.1No.2No.330 m变压器绕组声源位置(5 cm的位移)yz(b)在z轴(a)在x轴图 8 用于实现 AE 源扫描的实验装置Fig.8 Experimental setup used to implement AE sourcescanning图 9 所示为在沿 x 轴扫描的测试过程中，对每个传感器检测到的声信号进行归一化处理后的结果。可以看出，该传感系统至少有 2 个相邻的传感器可以检测到相同的声信号，在这种特殊情况下，可以获得振幅高于最大值一半（归一化振幅的0.5 倍）的信号。尽管这种情况取决于变压器绕组之间的距离，但也可以调整传感器到绕组的距离，以优化至少 2 个传感器的检测。这种配置既允许使用三角测量在二维平面内定位声源位置，也允许当 2 个相邻传感器无法检测到相同信号时定位声源位置时，另一个传感器的检测提供了发生故障的绕组的信息。图 10(a)显示了沿 x 轴扫描获得的声信号到达时间(timeofarrival,TOA)差的测量值；图 10(b)为应用光学2023，44（5）曾凌烽，等：光纤分立式多点局部放电检测与定位技术1129使用传感器 No.2 和 No.3 测量 z 轴扫描的声波到达时间差，图中 S1、S2 和 S3 分别是 3 个传感器的标号。在此测试中，2 次连续测量之间的声源位移也是 5cm。2 次测试得到的声信号到达传感器时间差的差为 6.67s，因此计算得到测量中观察到的最大偏差为 1cm。这表明系统获得的关于声波到达时间差的测量分辨率为 1cm，约为实验所用箱子最大尺寸的 1%。声源位置/cm归一化幅度200.3153040506070800.20.40.50.60.70.80.91.0S1S2S3图 9 沿 x 轴测试过程中传感器检测到声信号的归一化结果Fig.9 Normalized results of acoustic signal detected bysensor during test along x axis声源位置/cm0150TOA/s距离/cm20S1S2S34060802520025030035040045050030354045505560657075声源位置/cm(a)在x轴上(b)在z轴上0190TOA/s距离/cm15S2S3102520303540200210220240230250260270303234363840图 10 不同位置声发射源的 TOA 测量Fig.10 TOA measurement of AE sources at differentpositions6 结论本文提出了一种利用光纤传感器进行多通道局部放电超声检测的外差干涉传感方案。传感系统由 4 个传感头构成以实现多通道检测和局部放电声源的定位。在 150kHz 声波下对该传感系统的分辨率以及四通道可行性进行了实验分析，结果表明，该传感系统的单个通道的分辨率可达4mrad。此外，还提出了一种将传感器放置在变压器内的配置方案，可以监测变压器的 3 个绕组。使用多通道干涉测量系统测量局部放电声信号到达传感器的时间差，实验测试表明，基于声波到达时间差的定位可以达到 1cm 的分辨率。可以通过增加光功率来提高分辨率，从而提高信噪比。该传感方案具有紧凑的结构、高的分辨率及低廉的成本，在电力系统安全检测中有着巨大应用潜力。参考文献：李巍巍,邓元实,杨兰,等.电力电缆全光纤电流传感器检偏原件偏差影响研究J.电测与仪表，2022，59（7）：183-192.LIWeiwei,DENGYuanshi,YANGLan,etal.StudyondeviationeffectofdeviationdetectionelementinpowercablefullopticalfibercurrentsensorJ.ElectricalMeas-urement&Instrumentation，2022，59（7）：183-192.1张晓新,任庆庆,林峰,等.基于声电联合的开关柜局部放电在线监测系统研究J.电测与仪表，2019，56（23）：107-111.ZHANGXiaoxin,RENQingqing,LINFeng,etal.Re-searchononlinemonitoringsystemofswitchgearpartialdischargebasedonacousticandelectriccombinationJ.ElectricalMeasurement&Instrumentation，2019，56（23）：107-111.2沈鑫,束洪春,曹敏,等.变压器局部放电超高频在线监测天线研究J.电测与仪表，2016，53（增刊1）：235-241.SHENXin,SHUHongchun,CAOMin,etal.Researchonfourth-orderHilbertfractalantennaforUHFonlinemonit-oringofpartialdischargeinpowertransformersJ.ChinaIndustrialEconomics，2016，53（S1）：235-241.3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.GUOJun,WUGuangning,ZHANGXueqin,etal.Theactuality and perspective of partial discharge 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