熒光光纖局部放電檢測的優(yōu)化匹配方法研究

繆 金， 陳 平， 顧 寅， 冷兆云， 李 東， 吳俊鋒， 任 明

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司無錫供電分公司， 江蘇 無錫 214062； 2. 西安交通大學(xué)電力設(shè)備電器絕緣國家重點實驗室， 陜西 西安 710049)

1 引言

局部放電檢測(監(jiān)測)是電力設(shè)備絕緣狀態(tài)監(jiān)測的常用技術(shù)手段[1]。局部放電光學(xué)檢測法因其具有較好的抗干擾性和較高的檢測置信度，近年來在電機和高壓開關(guān)設(shè)備的局放檢測中受到關(guān)注和應(yīng)用[2,3]。由于熒光光纖具有良好的絕緣性能，可作為內(nèi)置于設(shè)備的光學(xué)耦合方式的首選[4]；此外，熒光光纖的激發(fā)光譜與放電輻射光譜具有較大程度的重疊[5]，并且由于熒光頻移特性，使得其輻射光譜與典型單光子器件的響應(yīng)光譜相吻合，保證了熒光光纖局部放電檢測的光電轉(zhuǎn)換效率。熒光光纖最早被用作高能粒子探測的閃爍體[6]，而后法國J. Farenc等人[7]和日本K. Muto等人[8]將其應(yīng)用于氣體中局部放電檢測方面，奧地利M. Muhr等人[9]在變壓器油中局放檢測方面也進行了一定探索。國內(nèi)魏念榮等人[10]對熒光光纖在電機定子放電監(jiān)測中的應(yīng)用效果進行了一定探索；上述國內(nèi)外研究對熒光光纖法對各類絕緣介質(zhì)中局部放電檢測的有效性和應(yīng)用方法進行了研究，并驗證了光纖局放檢測技術(shù)的應(yīng)用潛力，在此基礎(chǔ)上，唐炬等人[11]進一步對基于光纖檢測的局部放電識別進行了研究；韓旭濤等人[12]將熒光光纖和特高頻天線相結(jié)合，實現(xiàn)了GIS的光電聯(lián)合檢測；臧奕茗等人[13]對基于熒光光纖探測的GIL局部放電定位算法開展了深入研究。上述研究進一步推進了熒光光纖法在光電聯(lián)合檢測和定位中的實際應(yīng)用。然而，熒光光纖法在實際應(yīng)用中，還存在一些仍未明確的影響因素，檢測系統(tǒng)性能優(yōu)化方法還有待進一步研究。例如，放電輻射光譜、光纖頻移特性及光電器件響應(yīng)光譜之間的配合效率有待提升，光纖的耦合長度和光纖光源相對位置對檢測的影響需要明確，光學(xué)和電學(xué)局部放電檢測結(jié)果統(tǒng)計特性差異也需要清楚的認(rèn)識。

針對上述問題，本文對影響熒光光纖局部放電檢測的光學(xué)性能和測量統(tǒng)計特性進行了理論和試驗分析。研究中以空氣電暈作為試驗對象，首先對兩種塑料熒光裸光纖和兩類單光子器件對熒光光纖光譜匹配的估算方法進行了研究；然后通過實際的放電模擬實驗，對于環(huán)繞光纖布置方式下光纖耦合長度對光脈沖頻次和脈沖時延的影響進行了分析，同時也對放電光輻射與光纖接收區(qū)域入射角對光脈沖頻次和時延的影響進行了分析，并獲得了上述影響因素下光脈沖統(tǒng)計特性與電流脈沖統(tǒng)計特性的差異。該研究為實際放電檢測中的光纖光譜汽配、器件選型、光纖結(jié)構(gòu)優(yōu)化和部署位置設(shè)置提供了參考。

2 熒光光纖局放檢測系統(tǒng)光學(xué)性能分析

2.1 熒光光纖局放測量系統(tǒng)原理

熒光光纖局放檢測系統(tǒng)的構(gòu)成主要包括前端熒光光纖、光纖連接器、熔融石英光纖、光纖準(zhǔn)直器、光電轉(zhuǎn)換單元(真空光電倍增管或硅光電倍增管)、信號處理單元及AD采樣單元構(gòu)成，如圖1(a)所示。其中熒光光纖發(fā)射光由光纖連接器輸入石英光纖進行光信號傳輸，由光纖連接器均化光束并導(dǎo)入光電轉(zhuǎn)換單元探測窗口。由于熔融石英光纖的光損耗極小，在較短傳輸距離下可忽略石英光纖影響。光電轉(zhuǎn)換器件一般為單光子響應(yīng)器件，為測量系統(tǒng)核心部件，通常為真空光電倍增管或硅光電倍增管構(gòu)成，并配以U/I轉(zhuǎn)換電路(積分電阻電路)和放大濾波電路。

圖1 熒光光纖局放檢測系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of fluorescent fiber-based PD detection system

塑料熒光光纖工作原理是利用裸光纖表面接收從任意角度的入射光信號，并通過纖芯內(nèi)摻雜的熒光物質(zhì)產(chǎn)生激發(fā)光譜，實現(xiàn)藍光向熒光范圍的頻移。熒光光纖具有與普通光纖相同的結(jié)構(gòu)，但纖芯在拉制中均勻摻雜了一定量具有吸收-激發(fā)特性的稀有元素或染色劑材料，外界光不僅可通過光纖端面進入光纖傳導(dǎo)，并且能夠從光纖側(cè)表面接收光信號，但接收光中存在熒光材料的吸收光譜成分時，則會產(chǎn)生明顯的Stokes頻移[14]，從而將該部分入射光轉(zhuǎn)置為熒光激發(fā)光譜，更容易被熒光波段靈敏的光電器件所檢測，上述原理如圖1(b)所示。

由測量系統(tǒng)的原理及構(gòu)成可知，影響該系統(tǒng)光學(xué)性能的主要因素包括：①放電輻射光譜與熒光光纖激發(fā)光譜(λex)的匹配;②熒光光纖發(fā)射光譜(λem)與光電轉(zhuǎn)換器件響應(yīng)光譜的匹配;③光電轉(zhuǎn)換器件的量子效率分布(PDE)。此外，對于實際放電檢測而言，熒光光纖的散射效應(yīng)、耦合長度及相對位置也是影響光、電檢測一致性的重要因素。

2.2 熒光光纖測量系統(tǒng)的光譜匹配

由Weiss等人的理論研究可知[6]，熒光光纖對光子的捕獲效率與熒光摻雜材料的濃度在一定程度上無明顯關(guān)系，在摻雜材料濃度不影響光纖芯材的光學(xué)參數(shù)前提下，捕獲效率由熒光光纖外層材料和芯材的折射率決定。

TE=1-(nc1/nc0)2

(1)

式中，nc1和nc0分別為皮層和纖芯的折射率。

因此，熒光光纖能夠有效耦合放電光輻射的決定因素是局部放電光輻射光譜與光纖激發(fā)光譜的匹配度。本文以空氣電暈輻射光譜為例，采用式(2)計算光纖光譜匹配度。

(2)

式中，λ1和λ2為輻射光譜范圍邊界；IPDe,λ和IFa,λ分別為規(guī)約化后波長λ處的放電輻射光譜強度及光纖激發(fā)光譜強度。

為了對比分析光纖光學(xué)特性對放電檢測的影響，本文采用兩種類型光纖進行計算和實驗分析，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 塑料熒光光纖的基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of plastic fluorescent optical fiber

本文首先對采用尖-板電極在50 Hz交流電壓下的電暈放電(視在放電量為550 pC)發(fā)射光譜進行測定，實驗采用光纖光譜儀(200～950 nm)對100個工頻周波(積分時長為2 s)的放電光輻射進行了積分光譜測量。然后計算了兩種光纖吸收光譜與放電發(fā)射光譜的匹配度結(jié)果，如圖2所示。經(jīng)計算，I型熒光光纖對電暈放電光輻射藍光波段(250～500 nm)的匹配度更高(mf=0.515)。

圖2 電暈放電光譜與光纖激發(fā)光譜匹配Fig.2 Spectral matching between corona spectrum and fiber excitation spectrum

2.3 光電轉(zhuǎn)換器性能的影響

由于局部放電的光輻射為微弱的脈沖輻射，以電暈放電為例，其光通量水平較低，其單次放電光輻射持續(xù)時間為ns級，在經(jīng)過熒光光纖的頻移和衰減后的光強水平較低，因此需要光量子效率高、靈敏度高且響應(yīng)速度快的單光子級光電探測器來完成測量。目前，用于單光子探測的常用光電器件有：真空光電倍增管(Photomultiplier, PMT)[15]、雪崩二極管(Avalanche Photo Diode, APD)[16]以及硅光電倍增器(Silicon Photomultiplier, SPM)[17]。其中，PMT是基于外場效應(yīng)原理，需要較高的電壓驅(qū)動完成多陰極光電子的倍增，這決定了PMT不但需要高壓電源驅(qū)動，還需要較大的尺寸滿足光電增益要求；APD是通過硅基摻雜大面積p-n結(jié)形成能夠接受光子的耗散區(qū)，當(dāng)場強達到5×105V/cm 時，其中的電子空穴在獲得足夠的動能后引發(fā)次級雪崩擊穿，即蓋革雪崩(Geiger avalanche)[18]過程。經(jīng)過多年的發(fā)展，APD在響應(yīng)波長范圍、光量子效率、響應(yīng)速度及芯片尺寸等方面得到顯著提升，但單只APD為光敏開關(guān)器件，無法實現(xiàn)大動態(tài)光子計數(shù)；SPM是基于APD的面陣或線陣，所有集成于SPM的APD單元通過狀態(tài)“1”和“0”的開關(guān)量信號總和構(gòu)成準(zhǔn)模擬信號輸出，具有瞬時光通量大小的響應(yīng)能力，其具有光量子效率高(～50%)、初級增益高(～1×106)、驅(qū)動電壓低(～10 V)、尺寸小(～mm2)等特點。此外，PMT的外場效應(yīng)原理限制，其受環(huán)境電磁影響顯著，而硅基APD和SPM幾乎對磁場免疫，因此在強電磁干擾環(huán)境中的信噪比更高。

表2列舉了幾類單光子光電器件的原理及性能特點。

表2 幾類單光子光電器件的原理及性能Tab.2 Principle and performance of several types of single photon optoelectronic devices

為了實現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)換效率，光纖的熒光光譜范圍與光電器件的光譜響應(yīng)范圍也需要較高程度的配合，按照式(3)可對光纖熒光光譜與器件光譜響應(yīng)的匹配度(mp)進行計算。

(3)

式中，λa和λb為熒光光譜范圍邊界；IFe,λ和PDEλ分別為規(guī)約化后波長λ處的熒光光譜強度及光電轉(zhuǎn)換量子效率。

圖3為兩種典型光電器件光譜分布及與兩種光纖熒光光譜的匹配度(mp)。在不考慮局部放電光輻射在光纖內(nèi)瑞利散射、衰減和非吸收光譜波帶成分的影響時，熒光光纖局部放電檢測的總體光譜響應(yīng)能力ftot可由式(4)進行大致估算。

圖3 光纖熒光光譜與器件響應(yīng)光譜匹配(PMT: Hamamatsu-R928; SPM; SensL-MicroFJ-30035)Fig.3 Spectral matching between emission spectrum of fiber and device response spectrum

ftot=TEmfmp

(4)

表3中列舉了本文選取的兩種熒光光纖和兩種光電器件構(gòu)成測量系統(tǒng)的光譜匹配程度估算結(jié)果。

表3 測量系統(tǒng)光譜匹配程度估算(電暈放電，PE=0.202)Tab.3 Estimation of spectral matching degree of measurement system (Corona discharge, PE=0.202)

上述估算方法未考慮光電器件的初級增益及噪聲水平，因此需要根據(jù)實際的應(yīng)用環(huán)境對電磁干擾水平及熱噪聲水平進行分析，從而制定最優(yōu)方案。

3 熒光光纖局放檢測統(tǒng)計特性影響因素分析

3.1 相基統(tǒng)計圖譜(PRPD)

圖4為脈沖電流和熒光光纖同步監(jiān)測得到的電暈放電PRPD圖譜。由圖4可知，電暈放電正半周放電幅值相對較高，而負(fù)半周幅值相對較低但較為密集，這種極性效應(yīng)不僅反映在轉(zhuǎn)移電荷量上，還反映在光脈沖上，因此光脈沖PRPD圖譜及電流脈沖PRPD圖譜的分布和輪廓具有相似的特征。

圖4 同步監(jiān)測得到的局放光脈沖及電流脈沖的PRPD圖譜(電暈放電，R928+光纖I，持續(xù)時長15 s)Fig.4 PRPDs of PD optical pulses and current pulses obtained by synchronous monitoring (corona discharge, R928+fiber I, duration of 15 s)

圖5所示為平均脈沖幅值及平均放電脈沖數(shù)在相位上的分布特性。由圖5(a)可知，正脈沖平均幅值明顯低于負(fù)半周平均幅值，其中光脈沖在正半周的平均脈沖數(shù)總體趨勢高于電流脈沖，而負(fù)半周兩者量值相近。由圖5(b)所示，正、負(fù)半周脈沖數(shù)相當(dāng)，與脈沖平均幅值的統(tǒng)計結(jié)果差異較大，正極性的光脈沖數(shù)量明顯高于電流脈沖數(shù)量。綜上所述，光纖檢測得到的相基統(tǒng)計結(jié)果與脈沖電流法存在一定的差異，這些差異既表現(xiàn)在平均的幅值分布上，也表現(xiàn)在脈沖統(tǒng)計數(shù)量上。

圖5 局放光脈沖及電流脈沖的相位統(tǒng)計分布(電暈放電，R928+光纖I，持續(xù)時長15 s)Fig.5 Phase-resolved statistics of PD optical pulses and current pulses (corona discharge, R928+fiber I, duration of 15 s)

3.2 光、電脈沖統(tǒng)計特性對比

光纖檢測原理可簡化為“球面點光源-線耦合”方式，由于熒光滯后效應(yīng)和線耦合途徑的影響，光脈沖與電流脈沖的強度分布和時延分布不一定完全同步。為進一步對光、電檢測結(jié)果之間的差異進行研究，優(yōu)化光學(xué)檢測系統(tǒng)，本節(jié)對光、電脈沖的統(tǒng)計特性進行了對比。由圖6(a)可知，光脈沖與電流脈沖的強度分布具有明顯差異，約化強度為0.4～0.7范圍內(nèi)的光脈沖數(shù)明顯高于電流脈沖數(shù)；由圖6(b)可知，光脈沖與電流脈沖的脈沖時延Weibull分布在1～10 μs范圍內(nèi)存在明顯差異，光脈沖在此時延范圍內(nèi)的分布概率較高。造成上述脈沖數(shù)強度分布和時延分布差異的原因，可能與同一次放電引發(fā)的光脈沖被光纖多點接收或與瑞利散射現(xiàn)象有關(guān)。

圖6 光脈沖和電流脈沖的統(tǒng)計特性對比Fig.6 Statistical comparison of optical and current pulses

3.3 光、電脈沖統(tǒng)計差異性來源分析

為了說明光脈沖和電脈沖統(tǒng)計差異性的來源，本節(jié)選取了一組典型光脈沖和電脈沖同步檢測序列來進行說明，如圖7所示。由圖7可知，在單個電流脈沖的時間范圍內(nèi)，熒光光纖所測光脈沖不止一個，在一次主脈沖后跟隨著一些小幅值脈沖，其中第二、第三光脈沖伴隨著微弱的電流變化，這可能是在主放電后時間范圍內(nèi)發(fā)生了同一放電通道的后續(xù)電子崩；而第三個光脈沖附近并未發(fā)現(xiàn)明顯的電流脈沖，這意味光脈沖并非來源于后續(xù)放電，可能是由于光信號在光纖內(nèi)二次反射造成的。

圖7 局部放電電流脈沖和光脈沖序列(空氣電暈放電，光纖I+SPM)Fig.7 Current pulse and light pulses of PDs (Corona discharges, fiber I+SPM)

綜上分析，造成3.2節(jié)中光脈沖統(tǒng)計時延小于電脈沖統(tǒng)計時延的現(xiàn)象可能是由于光纖耦合光信號的二次反射所造成。另外，由文獻[10]中對空氣中放電統(tǒng)計時延的試驗結(jié)果可知，絕大多數(shù)空氣中局部放電的統(tǒng)計時延分布在1 μs以上，因此光纖局放測量系統(tǒng)所得到的光脈沖頻次原則上應(yīng)盡量接近電流脈沖頻次，以保證系統(tǒng)測量的光脈沖統(tǒng)計結(jié)果能否反映實際放電的活躍程度。

4 光纖耦合幾何特性對光脈沖測量的影響

為了進一步分析熒光光纖耦合的幾何性影響因素，本節(jié)通過實驗研究了光脈沖統(tǒng)計特征與光纖相對位置之間的關(guān)系，并以脈沖強度、脈沖頻次和統(tǒng)計時延作為統(tǒng)計參量進行對比分析。

4.1 耦合長度對脈沖強度和統(tǒng)計特性的影響

光纖的檢測性能與有效光接收面積(或長度)有一定關(guān)系，本節(jié)對光纖耦合長度的影響進行了實驗研究。實驗中，為了避免放電源角度對檢測的影響，設(shè)置熒光光纖環(huán)繞放電間隙，通過改變光纖暴露有效長度(P/4、P/2、3P/4和1P)進行分析(如圖8(a)所示)，將電流脈沖同步監(jiān)測結(jié)果作為基準(zhǔn)進行比較。由圖8(b)可知，光纖耦合長度對光脈沖強度、脈沖頻次和脈沖時延均會有一定影響，隨著光纖長度由P/4增加至1P，光脈沖強度和脈沖頻次分別增加了約65%和12.5%，而脈沖時延則下降6%。特別地，在耦合長度為P/2時，光脈沖頻次和時延與所測電流脈沖結(jié)果較為接近。

圖8 光纖耦合長度對測量結(jié)果的影響(空氣電暈放電，光纖I+SPM)Fig.8 Influence of fiber coupling length on detection (Corona discharges, fiber I+SPM)

4.2 相對位置對脈沖強度和統(tǒng)計特性的影響

放電源與光纖的相對位置也會影響測量結(jié)果，本文以放電輻射光的入射角度作為變量，研究了光脈沖統(tǒng)計參量與放電光源相對位置的關(guān)系。實驗中，采用熒光光纖水平放置于放電間隙，如圖9(a)所示。采用3M遮光膠帶對熒光光纖進行多層包裹，并保留4 cm長度進光段，實驗中通過改變進光段的水平位置來改變放電光輻射的中心入射角(θ=30°、50°、70°、90°)。每次實驗方法與4.1節(jié)相同，由圖9(b)結(jié)果可知，隨著入射角的增加，光脈沖強度和頻次也隨之增加，增幅分別為4.2%、9%，而光脈沖時延降低5%。當(dāng)入射角為50°時，光脈沖頻次和時延與電流脈沖統(tǒng)計結(jié)果最為接近。

圖9 光纖相對位置對測量結(jié)果的影響(空氣電暈放電，光纖I+SPM)Fig.9 Influence of fiber relative position on detection(Corona discharges, fiber I+SPM)

由本節(jié)研究可知，采用熒光光纖脈沖信號的統(tǒng)計特征受光纖耦合長度和相對位置影響，在多數(shù)情況下與電流脈沖檢測結(jié)果并不完全一致，這不僅與光子入射光纖的概率有關(guān)，還與吸收-激發(fā)效應(yīng)及光傳輸特性有關(guān)[19]。在實際應(yīng)用中，應(yīng)盡量選擇與電流脈沖統(tǒng)計結(jié)果相接近的光纖長度和布置位置，從而獲得更有參考性的光學(xué)檢測結(jié)果。

除了光纖耦合長度和光纖相對位置對放電檢測結(jié)果會產(chǎn)生影響外，放電光輻射的氣相傳播特性(包括氣體介質(zhì)、氣壓以及傳播路徑長度等)也會影響光纖測量的靈敏度，因此在對實際設(shè)備進行光纖傳感器的部署，還需考慮光學(xué)傳播路徑等問題。由于光子的氣相傳播特性與檢測對象相關(guān)，不在本文的研究范疇內(nèi)。

5 結(jié)論

本文針對熒光光纖局部放電檢測，以空氣電暈為實驗對象，采用兩種塑料熒光裸光纖和兩類單光子器件，對熒光光纖光譜匹配的估算方法進行了研究；并通過放電模擬實驗，對光纖耦合長度和光纖相對位置對光纖測量結(jié)果的影響進行了分析，并探討了光脈沖與電流脈沖統(tǒng)計特性的差異。具體結(jié)論如下：

(1)放電輻射光譜與光纖激發(fā)光譜的匹配，以及光纖熒光光譜與光電器件響應(yīng)光譜的匹配，均會影響最終的檢測效率，本文所研究的幾類組合方式中，光纖I(ex.299～477 nm; em.471～511 nm)與PMT(R928)的組合對空氣電暈放電的光譜匹配程度為最優(yōu)。

(2)光纖局部放電PRPD圖譜與電流脈沖PRPD圖譜輪廓相近，但兩者的脈沖統(tǒng)計特性卻存在明顯差異，這與“球面點光源-線耦合”方式及熒光滯后效應(yīng)有關(guān)，實際中應(yīng)盡量保證光電檢測結(jié)果的一致性。

(3)對于環(huán)繞光纖布置方式，在耦合長度為1/2周長時，光脈沖頻次和脈沖時延與所測電流脈沖統(tǒng)計結(jié)果偏差最?。划?dāng)入射角為50°左右時，光脈沖頻次和時延與電流脈沖統(tǒng)計結(jié)果偏差最小。