充油電纜終端局部放電超聲波檢測方法及頻率特征

杜 亮，郭 威，翁慧穎，金雅婷，吳 昊，張偉超

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司物資分公司，杭州 310000；2.哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

0 引言

電纜終端故障占電纜系統(tǒng)絕緣故障比例高，檢測電纜終端內(nèi)局部放電對于發(fā)現(xiàn)潛伏性的故障隱患具有重要意義。局部放電是高壓電力設(shè)備絕緣破壞的重要原因之一。局部放電能量的釋放會伴有聲、光、熱和材料性質(zhì)的改變，通過檢測局部放電誘發(fā)的各種物理信號可以對絕緣內(nèi)的局部放電發(fā)展程度進(jìn)行評價［1］。超聲波檢測法可抗電磁干擾和定位局部放電聲波源，長期以來一直受到電力工業(yè)和學(xué)者的關(guān)注，并且有諸多的現(xiàn)場實踐經(jīng)驗［2-4］。PZT（壓電陶瓷）傳感器自20世紀(jì)50年代被首次用于局部放電檢測，目前仍在變壓器局部放電檢測中廣泛應(yīng)用［5-6］。近幾十年，為了解決PZT傳感器在運行電力設(shè)備現(xiàn)場的電磁干擾問題，非本征光纖F-P（法布里-珀羅）聲波傳感器被研究用于局部放電聲信號的探測。光纖傳感器具有電磁免疫、靈敏度高、易與電力設(shè)備絕緣結(jié)合等優(yōu)點［7］，受關(guān)注度極高，有很多相關(guān)的研究報道。文獻(xiàn)［8］利用125 μm和20 μm石英膜制得局部放電F-P超聲傳感器；文獻(xiàn)［9］利用微機電加工技術(shù)制作25 μm的硅膜傳感器，可實現(xiàn)2.8 Pa的聲壓分辨力。近年來，國內(nèi)的哈爾濱理工大學(xué)［10］、華北電力大學(xué)也在光纖F-P 局部放電傳感方面做了許多工作［11-12］，在檢測靈敏度、傳感器穩(wěn)定性以及現(xiàn)場電力設(shè)備局部放電檢測等方面均有研究報道。但是，由于普遍認(rèn)為F-P 傳感器在液體介質(zhì)中耦合聲波效率較高，相關(guān)的研究基本都是將其用于電力變壓器設(shè)備局部放電檢測，而用于電纜終端局部放電檢測的報道甚少。

根據(jù)目前研究，已知局部放電超聲信號在20～500 kHz范圍均有分布，但不同類型缺陷局部放電聲信號在不同頻段的能量豐富程度尚無明確結(jié)論。在工業(yè)領(lǐng)域，液-固復(fù)合絕緣局部放電檢測一般選擇諧振頻率為150 kHz 的PZT 傳感器［13］，而對于光纖F-P局部放電傳感器的諧振頻率設(shè)計沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。PZT 傳感器和光纖F-P 傳感器多為窄帶諧振式傳感器，如果能量豐富的頻段包含傳感器的固有頻率值，傳感器恰好可以耦合到局部放電能量集中頻段的聲波，則局部放電檢測靈敏度較高。但是，如果在傳感器諧振頻率范圍的局部放電聲輻射能量小，則檢測靈敏度較低［14］。明確不同類型局部放電聲頻率的分布范圍，對于設(shè)計高靈敏度局部放電F-P 傳感器具有指導(dǎo)意義。特別是對目前研究較少的充油電纜終端局部放電檢測，設(shè)計F-P 傳感器固有頻率與局部放電特征頻率匹配的諧振式檢測方式可大大提升檢測靈敏度，提高局部放電檢出成功率。

本文首先通過聲學(xué)理論和聲場有限元數(shù)值計算方法，分析充油電纜終端內(nèi)局部放電聲場可能的集中分布區(qū)域，為F-P 傳感器用于終端內(nèi)局部放電檢測提供依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，通過實驗研究典型局部放電的頻率特征，為諧振式F-P 傳感器提供設(shè)計依據(jù)。

1 光纖F-P傳感器結(jié)構(gòu)及設(shè)計原理

1.1 光纖F-P傳感器結(jié)構(gòu)

光纖F-P 傳感器根據(jù)多光束干涉原理設(shè)計，一般由傳感膜片、玻璃套管和引導(dǎo)光纖構(gòu)成，其基本結(jié)構(gòu)和傳感器實物如圖1所示。

圖1 光纖F-P傳感器結(jié)構(gòu)及實物

1.2 光纖F-P傳感器固有頻率設(shè)計

光纖F-P 傳感器以前端膜片作為局部放電聲信號敏感元件，因此膜片的力學(xué)特征參數(shù)決定了F-P 傳感器的固有頻率和靈敏度。依據(jù)力學(xué)基本理論，F(xiàn)-P 傳感器的固有頻率取決于膜片尺寸參數(shù)和材料物理參數(shù)，傳感器的一階固有諧振頻率f可表示為：

式中：D為膜片的擾度；h為F-P 傳感膜厚度；ρ為材料密度；a為膜片半徑；E為石英材料模量；μ為石英材料泊松比；g為重力加速度。

根據(jù)上述原理，不同F(xiàn)-P膜片厚度的傳感器一階固有頻率與膜片半徑的關(guān)系曲線如圖2所示。可以看出：在相同半徑時，膜片厚度越小，傳感器一階固有諧振頻率越低；相同膜片厚度時，F(xiàn)-P 傳感器固有諧振頻率隨半徑的增大而呈指數(shù)規(guī)律降低。

圖2 F-P傳感器固有頻率與膜片半徑的關(guān)系

2 充油電纜終端內(nèi)局部放電聲波傳播及仿真

2.1 聲傳播理論

局部放電可在固體中發(fā)生，也可在液體中發(fā)生，其在介質(zhì)中類似呈一種瞬時“爆破”形態(tài)。局部放電發(fā)生后對周圍的介質(zhì)產(chǎn)生沖擊和熱效應(yīng)，周圍介質(zhì)因局部放電激勵會產(chǎn)生一定程度周期性應(yīng)力，這種周期性會繼續(xù)產(chǎn)生疏密波，即產(chǎn)生沿介質(zhì)傳播的超聲波。在充油電纜終端內(nèi)，超聲波沿著液體絕緣、固體絕緣、硅橡膠和銅介質(zhì)等進(jìn)行傳播。

根據(jù)聲學(xué)理論，各向同性介質(zhì)中超聲波傳播可表示為［15］：

式中：x、y、z為空間位置點坐標(biāo)；x0、y0、z0為聲源點坐標(biāo)；P為聲壓；t為聲傳播時間；v為聲速；δ（·）為聲源位置函數(shù)；f（t）為聲傳播方程［15］；P0為聲波幅值；β為聲在介質(zhì)中的傳播衰減系數(shù)；ω為聲波角頻率。

充油電纜終端中局部放電聲波會在固體和液體介質(zhì)間傳播，在復(fù)合介質(zhì)界面處兩側(cè)聲壓相等，聲波傳播方程可表示為：

式中：ρ1和ρ2為兩種介質(zhì)的密度；P1和P2為聲在兩種介質(zhì)中的聲壓。

2.2 充油電纜終端內(nèi)聲場分布仿真分析

在多物理場有限元仿真軟件中構(gòu)建110 kV 充油電纜終端三維仿真模型，模型結(jié)構(gòu)如圖3 所示。終端模型中材料設(shè)置依次為銅、半導(dǎo)電、XLPE（交聯(lián)聚乙烯）、硅橡膠、絕緣油和環(huán)氧樹脂。模型中主要材料聲傳播相關(guān)物性參數(shù)設(shè)置如表1 所示。環(huán)氧樹脂在模型最外側(cè)，在聲傳播過程中相當(dāng)于硬邊界條件，其參數(shù)對內(nèi)部局部放電聲波場分布影響不大，可直接采用軟件中的設(shè)定值。

圖3 充油電纜終端模型截面

表1 常溫下模型中各材料參數(shù)

為分析局部放電聲波在充油電纜終端內(nèi)聲場分布并探尋可能的局部放電聲波檢測方案，在上述模型中的局部放電易發(fā)生處設(shè)置局部放電聲源點：一點位于XLPE 與應(yīng)力錐交界的電場不均勻處，另一點設(shè)置在終端尾部的遠(yuǎn)端處。仿真分析后獲得兩個聲源點向外輻射的聲場分布，如圖4所示。

圖4 不同位置局部放電聲波在充油電纜終端內(nèi)的聲場分布

從仿真結(jié)果可見，終端模型結(jié)構(gòu)中兩個不同位置的局部放電聲源點輻射的超聲波均沿固體表面形成較大的聲壓場，聲波傳播呈現(xiàn)出沿高楊氏模量介質(zhì)爬行傳播的特點。同時，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力錐硅橡膠材料表面的聲場分布與XLPE材料有所差別，硅橡膠材料僅在聲源附近出現(xiàn)強聲場區(qū)域，在較遠(yuǎn)處則未出現(xiàn)，該結(jié)果說明彈性體材料表面聲傳播衰減較大，聲場分布范圍較小。

根據(jù)上述充油電纜終端內(nèi)的局部放電聲信號分布特點，可將光纖F-P 傳感器安置于充油電纜終端內(nèi)模量較高的固體介質(zhì)周圍，基于固體介質(zhì)對聲波場的強傳播特性，傳感器可捕捉到較豐富的局部放電聲波能量，提高局部放電檢測的靈敏度和成功率。

3 復(fù)合絕緣介質(zhì)局部放電頻率研究

3.1 局部放電實驗系統(tǒng)構(gòu)建

充油電纜終端液-固復(fù)合絕緣放電與變壓器絕緣放電類似，可借鑒變壓器局部放電模型對其進(jìn)行研究。采用高壓電源、PZT 傳感器、F-P 傳感器及光纖傳感器解調(diào)系統(tǒng)構(gòu)建局部放電超聲波探測實驗系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖5所示。高壓電源高低電位分別與放電電極連接，F(xiàn)-P 傳感器和PZT 傳感器同時檢測放電電極的局部放電聲波信號，通過示波器采集時域波形。

圖5 局部放電超聲信號檢測系統(tǒng)

為研究不同類型放電信號的聲波頻率分布范圍，采用板-板、球-板、針-板和懸浮4種典型放電電極模型，模擬液-固絕緣電力設(shè)備中常出現(xiàn)的局部放電故障類型。所設(shè)計的4種電極模型結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 4種電極模型結(jié)構(gòu)

F-P 傳感器受到與其固有諧振頻率相同的激勵信號作用時，傳感器膜片將以諧振模式振動為主；當(dāng)激勵信號低于F-P傳感器固有諧振頻率時，傳感器將以低于諧振響應(yīng)幅值的振幅振動。通過F-P傳感器檢測局部放電時輸出的信號頻率特征，可以確定局部放電聲波頻率的分布。本文設(shè)計3種尺寸結(jié)構(gòu)的F-P 傳感器，結(jié)構(gòu)參數(shù)和特征頻率如表2所示，其中一階固有頻率根據(jù)傳感器膜片尺寸通過式（1）計算得到。

表2 F-P傳感器結(jié)構(gòu)及參數(shù)

3.2 實驗結(jié)果及局部放電聲頻率分析

上述實驗系統(tǒng)中，利用PZT傳感器和光纖FP傳感器分別探測4種典型電極的放電信號。由于局部放電檢測中PZT 傳感器為諧振式傳感器，傳感器本身對其固有諧振頻率附近的信號響應(yīng)靈敏。PZT 傳感器對4 種典型電極局部放電檢測結(jié)果如圖7 所示?？梢钥闯?，球-板電極和板-板電極的局部放電聲波峰值頻率主要分布在50～70 kHz 和150～160 kHz兩個頻段，而針-板電極和懸浮電極的局部放電聲波峰值頻率主要集中在150～160 kHz。根據(jù)PZT 的幅頻特性曲線，PZT 傳感器在上述兩個頻段恰好有較強的幅值響應(yīng)，PZT 的響應(yīng)頻譜僅能表明，4 種典型局部放電模型在150～160 kHz頻段的局部放電聲信號較豐富。

圖7 PZT傳感測得典型放電模型頻譜

150～160 kHz 是IEEE（電氣電子工程師學(xué)會）關(guān)于液-固絕緣局部放電檢測的推薦頻段，上述實驗的PZT 傳感器固有諧振頻率也是該頻段，而且諸多研究已經(jīng)證實150～160 kHz 頻段局部放電超聲信息豐富，因此在光纖F-P 傳感器局部放電檢測實驗中沒有再設(shè)計該頻段的F-P 傳感器進(jìn)行測試。

利用一階固有頻率分別為60 kHz、120 kHz、和190 kHz 的3 支光纖F-P 傳感器對4 種典型電極局部放電超聲信號進(jìn)行檢測。因檢測結(jié)果中板-板電極和球-板電極局部放電聲發(fā)射頻譜相近，針-板電極和懸浮電極局部放電聲頻率分布相近，圖8—10僅分別列出了3支傳感器檢測4種典型局部放電模型放電的部分時域波形和頻譜圖。

圖8 一階固有頻率60 kHz傳感器局部放電測試結(jié)果

圖9 一階固有頻率120 kHz傳感器局部放電測試結(jié)果

圖10 一階固有頻率190 kHz傳感器局部放電測試結(jié)果

一階固有頻率為60 kHz 的傳感器檢測4 種電極放電，其時域波形峰峰幅值有波動，但其頻譜的最大峰值在60 kHz 附近出現(xiàn)；一階固有頻率為120 kHz 的傳感器檢測4種電極放電，其時域波形峰峰幅值隨放電強度波動，但其頻譜的最大峰值在120 kHz附近出現(xiàn)?？梢?，對于諧振頻率較低的60 kHz 和120 kHz F-P 傳感器，其頻率響應(yīng)曲線中頻率峰值分別出現(xiàn)在各自的一階固有頻率值附近。根據(jù)彈性力學(xué)中受迫振動理論，4種典型電極局部放電聲波在50 kHz 和120 kHz 附近均有豐富的信息。

但是，一階固有頻率為190 kHz 的F-P 傳感器對4種典型電極放電的檢測頻譜中，其在一階固有頻率（190 kHz）處并未出現(xiàn)較高的響應(yīng)幅值，而是在40～180 kHz 頻段范圍出現(xiàn)相對高的響應(yīng)幅值。其頻譜在低于一階固有頻率的頻段出現(xiàn)較強的響應(yīng)，即該傳感器未在諧振狀態(tài)下工作，說明板-板電極和球-板電極局部放電超聲信號在190 kHz 頻率的聲波能量可能相對較弱。同時，在40～180 kHz 頻段出現(xiàn)高于其他頻段約10 dB 的響應(yīng)輸出，說明局部放電聲波在該頻率范圍信息相對豐富。

上述研究初步表明，4種常見典型放電結(jié)構(gòu)的局部放電聲波頻率主要分布在40～180 kHz 范圍，PZT 傳感器和F-P 傳感器的一階固有頻率在上述頻段范圍時均可有效探測局部放電聲波信號。FP傳感器一階固有頻率過高時，其靈敏度會大幅降低，因此目前實驗手段尚無法對200 kHz以上頻段進(jìn)行分析，局部放電聲波在高于200 kHz頻率范圍是否仍然具有較豐富的能量還需進(jìn)一步驗證。

4 結(jié)語

為實現(xiàn)高靈敏度探測充油電纜終端內(nèi)局部放電聲信號，本文分析了充油電纜終端內(nèi)局部放電聲信號分布規(guī)律，利用不同諧振頻率的光纖F-P傳感器探究液-固絕緣局部放電聲波頻譜特征。主要研究結(jié)論如下：

1）聲場有限元計算分析表明，充油電纜終端內(nèi)局部放電聲波可沿固體介質(zhì)傳播，且在固體介質(zhì)周圍形成的強聲場區(qū)域與材料模量參數(shù)正相關(guān)。

2）采用不同固有頻率光纖F-P 傳感器和PZT傳感器檢測典型局部放電模型放電聲信號，頻率分析結(jié)果表明，典型液-固絕緣局部放電超聲波頻率在40～180 kHz范圍能量豐富，可將窄帶光纖傳感器固有頻率設(shè)計在該頻段范圍。