固體介質(zhì)聲耦合光纖法-珀傳感器局部放電檢測(cè)方法

程立豐 ， 張偉超 ，趙洪 ， 范江東，李明，王少華

(1.工程電介質(zhì)及其應(yīng)用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱理工大學(xué)) ，黑龍江 哈爾濱 150080；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007；3. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014)

近些年我國(guó)高壓超高壓電力網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅猛，隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的提高，電力設(shè)備的絕緣故障檢測(cè)要求也越來(lái)越高。局部放電是電力設(shè)備絕緣破壞初期的重要表現(xiàn)之一，及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)局部放電發(fā)生可有效預(yù)防突發(fā)性故障的發(fā)生。局部放電發(fā)生時(shí)常伴有多種物理量的產(chǎn)生，根據(jù)檢測(cè)物理量的不同研究了不同的局部放電檢測(cè)方法，如脈沖電流法、色譜法、超高頻法、光學(xué)檢測(cè)法和超聲波法等[1-5]。其中超聲波法因具有抗電磁干擾和強(qiáng)指向性的特點(diǎn)，被學(xué)者關(guān)注用于油浸變壓器等電力設(shè)備的局部放電檢測(cè)和定位[6-7]。

光纖超聲波傳感器因具有高靈敏度、抗電磁干擾和本身為電介質(zhì)材料等特點(diǎn)被認(rèn)為是局部放電檢測(cè)的理想選擇[8-9]，尤其是非本征光纖法布里-珀羅(簡(jiǎn)稱“法-珀”)傳感器用于局部放電超聲波的檢測(cè)被廣泛研究[10-14]。早期的法-珀傳感器主要采用硅膜作為敏感元件，在變壓器油中成功檢測(cè)到局部放電信號(hào)[15-16]。隨后的研究中，法-珀傳感器的局部放電檢測(cè)靈敏度和制備方法都有了進(jìn)一步提高，并且不斷有新的法-珀腔結(jié)構(gòu)被報(bào)道[17-20]。目前所報(bào)道的局部放電法-珀超聲傳感器均是用于液體絕緣介質(zhì)內(nèi)部[21]，由彈性聲波在液體中傳播直接驅(qū)動(dòng)傳感器膜片振動(dòng)調(diào)制光波，這種應(yīng)用有諸多局限性，如在電力變壓器檢測(cè)應(yīng)用中需要將法-珀傳感器預(yù)制于變壓器絕緣內(nèi)，只能在變壓器制造時(shí)置入，限制了事后放置的應(yīng)用機(jī)會(huì)，對(duì)于GIS等電力設(shè)備的局部放電，高頻超聲波在內(nèi)部氣體介質(zhì)衰減嚴(yán)重，難以傳播。超聲波主要以外殼固體介質(zhì)為傳播媒介傳遞聲波信號(hào)，通過(guò)外殼測(cè)試是聲測(cè)的唯一途徑；另外液體介質(zhì)中置入液體和膜片相互作用時(shí)，液體介質(zhì)會(huì)對(duì)膜片形成附加質(zhì)量，降低其響應(yīng)帶寬和測(cè)試靈敏度，并且表現(xiàn)出較強(qiáng)的溫度依賴性，對(duì)測(cè)量結(jié)果的標(biāo)定帶來(lái)困難[22-23]。本文依據(jù)聲波在復(fù)合界面的傳播特性并結(jié)合法-珀傳感器端面膜片受迫振動(dòng)原理，提出一種可用于固體介質(zhì)表面局部放電超聲信號(hào)探測(cè)的傳感結(jié)構(gòu)。這種安裝方式看似與經(jīng)典的壓電陶瓷超聲傳感器應(yīng)用相似，犧牲了光纖傳感器全介質(zhì)特性和可置入電力設(shè)備高場(chǎng)強(qiáng)處的優(yōu)點(diǎn)；但可以看到，即便是外置，在電力設(shè)備周邊強(qiáng)電磁環(huán)境下，光纖法-珀傳感器的電磁免疫特性依然重要。同時(shí)從發(fā)展看，光纖法-珀傳感器的靈敏度高于壓電陶瓷傳感器10倍以上并不是難題，因此外置式光纖聲測(cè)傳感技術(shù)依然大有前途。

1 局部放電超聲波在液、固復(fù)合介質(zhì)中的耦合傳播特性

液固復(fù)合絕緣是電力變壓器常用的絕緣形式，變壓器內(nèi)部發(fā)生局部放電誘發(fā)的超聲波信號(hào)首先以縱波的形式在絕緣液體傳播。根據(jù)聲學(xué)理論，局部放電超聲波的聲壓大小隨傳播距離呈指數(shù)衰減關(guān)系，即

Jx=J0e-2Bx.

(1)

式中：Jx為超聲波在液體介質(zhì)中傳播距離x后的聲強(qiáng)度；J0為初始聲波強(qiáng)度；B為超聲波在介質(zhì)中的衰減系數(shù)，且

(2)

式中：f為超聲波頻率；k為介質(zhì)材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)；c為聲波在介質(zhì)中的聲速；η為介質(zhì)的黏滯系數(shù)；γ為介質(zhì)比熱；C為介質(zhì)的定壓比熱?？梢?jiàn)，超聲波在液體介質(zhì)中的衰減與熱傳導(dǎo)系數(shù)和黏滯系數(shù)均有關(guān)，且衰減強(qiáng)度與聲波頻率平方成正比，較高頻率超聲波強(qiáng)度在介質(zhì)中衰減較快。

另外，當(dāng)局部放電超聲波在液固復(fù)合介質(zhì)中傳播時(shí)分界面處會(huì)產(chǎn)生反射和折射，同時(shí)因不同材料的聲阻抗不同，聲波在不同固體介質(zhì)界面處也會(huì)發(fā)生部分能量的反射，且滿足聲波反射定律：入射波與反射波的聲速比等于入射角與反射角的正弦值比。局部放電超聲波經(jīng)不同介質(zhì)傳播除部分能量在分界面反射外，還有部分能量將遵循折射定律入射到另一種介質(zhì)中繼續(xù)傳播，即

(3)

式中：a為入射角;βp和βs分別為縱波折射角和橫波折射角；cp和cs分別為縱波聲速和橫波聲速。利用折射定律可計(jì)算聲波經(jīng)折射后的傳播方向。

變壓器絕緣為典型的液固復(fù)合結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生局部放電，所誘發(fā)的超聲波必然會(huì)經(jīng)過(guò)多次復(fù)雜的液固耦合傳播。聲波經(jīng)過(guò)一次液固界面的聲壓變化為

(4)

式中：p0為聲波經(jīng)變壓器油傳入油箱內(nèi)表面時(shí)的聲壓；pt為聲波經(jīng)箱壁傳遞后外壁最終壓強(qiáng);m為變壓器油和鐵箱壁之間的聲阻抗之比;b為箱壁厚度;λ為聲波在箱壁中的波長(zhǎng)。

2 外置非本征法-珀局部放電超聲波傳感器設(shè)計(jì)

2.1 非本征法-珀傳感器結(jié)構(gòu)

依據(jù)經(jīng)典的電力設(shè)備外金屬殼安裝壓電陶瓷超聲傳感器方式，設(shè)計(jì)法-珀傳感器敏感膜片為外側(cè)聲波耦合結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。在原法-珀傳感器光纖尾纖、石英套管和石英膜片基礎(chǔ)上，增加固定結(jié)構(gòu)和帶有凹口的鋼片基座結(jié)構(gòu)，并在敏感石英膜片和鋼片凹口處留有膜片振動(dòng)自由空間氣隙。鋼片基座通過(guò)外置永磁體或粘接固定于金屬外殼，形成聲波傳播通道，另外所制備的傳感器樣品如圖1(b)所示。

圖1 外置式法-珀傳感器結(jié)構(gòu)及樣品照片F(xiàn)ig.1 External F-P sensor structure and sample photo

2.2 超聲波在液-固介質(zhì)體系中的傳播仿真分析

利用聲場(chǎng)有限元仿真計(jì)算方法，對(duì)比置于絕緣油內(nèi)部和外置箱體表面法-珀傳感器的響應(yīng)幅值，建立仿真模型如圖2所示。設(shè)計(jì)油箱模型尺寸為400 mm×500 mm×500 mm，油箱內(nèi)為變壓器油液體介質(zhì)，在油箱內(nèi)部和外側(cè)同一高度處分別放置傳統(tǒng)的和新型結(jié)構(gòu)參數(shù)的法-珀傳感器。油箱內(nèi)部在2個(gè)法-珀傳感器幾何中心所在的直線上，采用功率點(diǎn)聲源模擬局部放電超聲波源，模擬聲源頻率在50～300 kHz之間。模型中所用材料的基本參數(shù)值見(jiàn)表1。

圖2 仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Simulation model

表1 模型所用材料的基本參數(shù)Tab.1 Parameters of model materials

通過(guò)暫態(tài)仿真計(jì)算可知，單位強(qiáng)度的功率點(diǎn)聲源首先以縱波的形式在變壓器油中向四周傳播，且隨距離增大聲強(qiáng)度逐漸減弱。當(dāng)聲波振幅傳播至箱壁的液固介質(zhì)分界處時(shí)，明顯可見(jiàn)超聲波同時(shí)發(fā)生反射和透射，并且在固體介質(zhì)附近的液體介質(zhì)處出現(xiàn)高聲場(chǎng)區(qū)，結(jié)果如圖3所示；另外，通過(guò)圖3外置傳感器及其附著的箱壁區(qū)域固體應(yīng)力分布結(jié)果可見(jiàn)，聲波是以應(yīng)力形式從液體介質(zhì)耦合進(jìn)入固體介質(zhì)并以應(yīng)力形式傳播至法-珀傳感器敏感膜片，引起膜片響應(yīng)。

圖3 油箱內(nèi)聲波傳播及固體介質(zhì)應(yīng)力分布Fig.3 Sound wave propagation in the tank and stress distribution of solid dielectric

法-珀傳感器膜片響應(yīng)聲波位移大小決定檢測(cè)靈敏度。圖4分別為模型中油箱內(nèi)傳統(tǒng)法-珀傳感器和新型外置法-珀傳感器的膜片位移結(jié)果，膜片幾何中心處最大位移分別為280 pm和260 pm，可見(jiàn)仿真結(jié)果表明2個(gè)傳感器的響應(yīng)靈敏度相近。

圖4 法-珀傳感器膜片響應(yīng)位移結(jié)果Fig.4 Response displacement of F-P sensor diaphragm

為分析通過(guò)氣隙結(jié)構(gòu)傳播的聲波對(duì)傳感器響應(yīng)的影響，將傳感器鋼片與膜片接觸區(qū)域約束設(shè)為剛性，即該區(qū)域在聲場(chǎng)作用下不產(chǎn)生形變，此時(shí)傳感器膜片僅耦合通過(guò)氣隙傳播的聲波。振動(dòng)耦合氣隙深度尺寸分別設(shè)計(jì)為0.1 mm、0.5 mm、1.0 mm和2.0 mm，仿真計(jì)算了超聲波頻率在70～150 kHz頻率范圍內(nèi)，新型法-珀傳感器位移響應(yīng)幅值隨振動(dòng)耦合氣隙深度的變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同氣隙深度下傳感器膜片振動(dòng)位移Fig.5 Vibration displacement of sensor diaphragm under different air gap depths

圖5仿真研究結(jié)果表明：氣隙耦合形成的膜片振動(dòng)幅值約為10-7pm，與前述260 pm振幅相比具有1010倍差異(雖然氣隙越小響應(yīng)幅值越大，但傳感器響應(yīng)幅值變化不大，可認(rèn)為通過(guò)氣隙耦合對(duì)法-珀傳感器的聲波響應(yīng)幅值影響可忽略不計(jì))，故新型外置法-珀傳感器設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)自由空間氣隙尺寸無(wú)需嚴(yán)格計(jì)算；同時(shí)，新型結(jié)構(gòu)法-珀傳感器的聲波能量主要來(lái)自固體介質(zhì)應(yīng)力的傳播，聲波應(yīng)力傳播到膜片基座和膜片的固定部分，并形成微小的位移，激勵(lì)膜片的自由區(qū)域形成較大的振動(dòng)位移。

2.3 法-珀傳感器特性參數(shù)分析及制作

新型法-珀傳感器仍以石英膜片作為換能元件，膜片尺寸影響傳感器的靈敏度，根據(jù)彈性力學(xué)原理，四周固定約束的圓形膜片固有頻率可表示為：

(6)

(7)

式中：fg為膜片固有頻率;D為材料的抗彎剛度;d和h分別為膜片半徑和厚度;ρ為密度,常溫下取2.2×10-3kg/m3;E為材料的彈性模量,取73.73 GPa；μ為石英材料的泊松比，取0.17；g為重力加速度。所設(shè)計(jì)法-珀傳感器膜片半徑為0.9 mm，厚度為40 μm，通過(guò)式(6)、(7)計(jì)算獲得傳感器一階固有頻率約為107 kHz。

新型外置法-珀傳感器主要由鋼片、石英膜片、支撐結(jié)構(gòu)和光纖線芯構(gòu)成，且在石英膜片與支撐套管接觸的內(nèi)表面鍍以50%反射率的反射膜，膜片另一面放置于鋼片振動(dòng)耦合氣隙上，并采用環(huán)氧膠固定于傳感器樣品上。圖6為通過(guò)寬頻光源和光譜儀測(cè)得傳感器樣品的譜線圖，在1 550 nm光波值附近的傳感器調(diào)制深度約為20 dB。

圖6 法-珀傳感器光譜特性Fig.6 Spectral characteristics of F-P sensor

為測(cè)試傳感器樣品的頻響特性建立如圖7所示的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。在油箱中采用壓電陶瓷傳感器作為聲波激勵(lì)源，將新型外置法-珀傳感器安置于油箱外壁并與解調(diào)系統(tǒng)連接。壓電陶瓷傳感器驅(qū)動(dòng)電壓不變，利用數(shù)字信號(hào)發(fā)生器調(diào)節(jié)聲波發(fā)射頻率，測(cè)得法-珀傳感器不同頻率下的響應(yīng)幅值并繪制頻響特性曲線，如圖8所示。

DFB—分布式反饋，distributed feedback 的縮寫(xiě)。圖7 法-珀傳感器頻響特性測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of measurement system of F-P sensor frequency response

由圖8可知：外置法-珀傳感器的一階固有頻率約為107 kHz，該測(cè)試值與理論設(shè)計(jì)的傳感器一階固有頻率相一致。

圖8 外置法-珀傳感器頻響特性Fig.8 Frequency response characteristic curve of external F-P sensor

3 局部放電檢測(cè)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在充滿絕緣油的油箱內(nèi)采用板-板電極局部放電模型構(gòu)建局部放電測(cè)試平臺(tái)，將傳統(tǒng)內(nèi)置法-珀傳感器和新型外置法-珀傳感器同時(shí)布置在絕緣油內(nèi)部和箱體外進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖9所示。板-板電極浸入在絕緣油內(nèi)并與高壓發(fā)生器相連接，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度和液體介質(zhì)溫度均維持在23 ℃,采用DFB激光器作為法-珀傳感器解調(diào)系統(tǒng)工作光源，輸出激光經(jīng)耦合器饋入法-珀傳感器探頭。內(nèi)置法-珀傳感器和新型外置法-珀傳感器保持在同一水平面上，且距離板-板電極放電源均為50 cm左右。當(dāng)板-板電極發(fā)生局部放電產(chǎn)生聲信號(hào)時(shí)，2個(gè)法-珀傳感器膜片端面受迫振動(dòng)調(diào)制激光強(qiáng)度，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為電信號(hào)輸出于示波器上。

圖9 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of experiment platform structure

3.2 結(jié)果及分析

板-板電極系統(tǒng)在高壓作用下發(fā)生局部放電，為評(píng)定局部放電發(fā)生水平，采用脈沖電流法測(cè)量放電量大小，局部放電誘發(fā)的超聲波信號(hào)分別被實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的2個(gè)法-珀傳感器捕獲。當(dāng)局部放電量分別為150 pC、120 pC和90 pC時(shí)，法-珀傳感器測(cè)得的超聲信號(hào)時(shí)域波形如圖10所示。

由圖10可知：內(nèi)置和外置法-珀傳感器對(duì)同一局部放電信號(hào)源的檢測(cè)靈敏度基本一致，內(nèi)置法-珀傳感器首先檢測(cè)到局部放電信號(hào)是由于內(nèi)置法-珀傳感器相對(duì)于外置法-珀傳感器距離局部放電源近約1 cm。圖10(a)時(shí)域波形所對(duì)應(yīng)頻譜如圖11所示，內(nèi)置法-珀傳感器頻譜集中在57 kHz附近，是由于液體介質(zhì)與傳感器膜片作用形成附加質(zhì)量使傳感器響應(yīng)頻率降低所致；外置法-珀傳感器輸出頻譜集中在107 kHz附近，與實(shí)際測(cè)量法-珀傳感器一階固有頻率點(diǎn)吻合，外置傳感器在40～60 kHz有低幅值頻率響應(yīng)分量，其來(lái)源需進(jìn)一步探明，可能是沿金屬壁傳播聲波頻帶更豐富或差頻存在。另外在更窄的頻帶內(nèi)如60 kHz處，內(nèi)置傳感器響應(yīng)幅值要大于外置的3倍還多，其原因可能與液體附加質(zhì)量引起響應(yīng)頻率降低同時(shí)提高了靈敏度有關(guān)，因?yàn)楦鶕?jù)一般規(guī)律，法-珀傳感器的靈敏度和響應(yīng)頻率呈反比。對(duì)于外置傳感器的應(yīng)用，盡管還需進(jìn)一步提高靈敏度，但由于涉及影響因素較少，故更具備實(shí)際應(yīng)用的條件。

圖10 不同局部放電量下內(nèi)置和外置法-珀傳感器局部放電檢測(cè)波形Fig.10 PD detection waveforms of built-in and external F-P sensor under different partial discharges

圖11 法-珀傳感器頻域圖譜Fig.11 Frequency domain curves of F-P sensor

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出并設(shè)計(jì)了外置式光纖非本征法-珀傳感器結(jié)構(gòu)，仿真分析表明：聲波通過(guò)電力設(shè)備外殼和傳感器基座耦合至傳感器膜片，激勵(lì)膜片自由區(qū)域產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，由于不存在膜片與液體介質(zhì)相互作用，傳感器的頻率響應(yīng)與設(shè)計(jì)結(jié)果一致。在實(shí)驗(yàn)室裝置上分別發(fā)生150 pC、120 pC和90 pC的局部放電量，比較內(nèi)置式和外置式光纖法波傳感器測(cè)量信號(hào)，并進(jìn)行時(shí)域分析，結(jié)果為外置式傳感器測(cè)量靈敏度略低于內(nèi)置式傳感器；而頻域分析表明：對(duì)于2個(gè)結(jié)構(gòu)相同的傳感器，內(nèi)置式的響應(yīng)頻率顯著低于外置式，這是由于液體介質(zhì)與膜片相互作用的附加質(zhì)量引起，而外置式傳感器在較低頻段低幅值頻率響應(yīng)可能是聲波在金屬殼中傳播形成的。外置法-珀傳感器便于安裝，有望在工程應(yīng)用中推廣使用。