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    絕緣子沿面局部放電的光電探測(cè)效率分析研究

    2022-10-19 03:50:08朱旭亮何金張黎明邢向上陳榮
    絕緣材料 2022年7期
    關(guān)鍵詞:光輻射絕緣子信噪比

    朱旭亮,何金,2,張黎明,邢向上,陳榮

    (1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院,天津 300384;2.天津市電力物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300384;3.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司,天津 300232)

    0 引言

    絕緣子是電力設(shè)備中起機(jī)械支撐和電氣隔離作用的關(guān)鍵部位,同時(shí)也是絕緣系統(tǒng)中易受威脅的薄弱環(huán)節(jié)。由制造工藝、運(yùn)輸安裝、應(yīng)力釋放及運(yùn)行過程中造成的絕緣損傷等,都可能引起絕緣子表面異常放電,導(dǎo)致絕緣失效。近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣體-絕緣子界面放電特性開展了多項(xiàng)研究,對(duì)絕緣界面放電特性[1]、多物理現(xiàn)象[2]和影響因素[3]有了較為深入的認(rèn)識(shí),對(duì)放電的實(shí)驗(yàn)表征方法和工程檢測(cè)方法也進(jìn)行了一定的探索,形成了以特高頻法為代表的電磁波檢測(cè)法[4-6],以超聲法為代表的聲波檢測(cè)法[7-9],以脈沖電流法和高頻電流法為代表的電流耦合檢測(cè)法[10-11],還有近年來發(fā)展出的光測(cè)法[12-14]。光測(cè)法在放電基礎(chǔ)特性表征實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮著重要的作用,學(xué)者們主要采用增強(qiáng)型耦合光學(xué)器件(ⅠCCD)[15]和光電倍增管(PMT)[16]獲得放電形貌和光輻射特性;同時(shí),光測(cè)法因具有較好的抗干擾性和較高的檢測(cè)置信度,在電力設(shè)備局部放電檢測(cè)中凸顯出優(yōu)勢(shì),例如熒光光纖法[17-18]、多光譜檢測(cè)法[19-21]和紫外脈沖法[22]等。其中,熒光光纖法或熒光光導(dǎo)法的原理是利用熒光光纖對(duì)放電光輻射的頻移特性,并采用光電轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行光脈沖探測(cè)。大多數(shù)塑料熒光裸光纖本身具有良好的絕緣性能和極長(zhǎng)的熒光物質(zhì)半衰期,因此熒光光纖是作為內(nèi)置式光學(xué)耦合方式的首選。20世紀(jì),熒光光纖最早被用于高能粒子探測(cè),并通過有效摻雜成為效率較高的閃爍體[23],基于相同原理,法國(guó)J FARENC等[17]和日本K MUTO[24]將熒光光纖應(yīng)用于局部放電光脈沖的耦合和測(cè)量,奧地利R SCHWARZ等[25]也探索了該方法在變壓器油中局部放電檢測(cè)的有效性。近年來,國(guó)內(nèi)學(xué)者們針對(duì)熒光光纖的應(yīng)用對(duì)象、放電識(shí)別、傳感器融合和放電定位方面均開展了一定研究,論證了該方法對(duì)于氣體或氣固界面放電檢測(cè)的應(yīng)用潛力。另一方面,熒光光纖法已應(yīng)用于開關(guān)設(shè)備的弧光監(jiān)測(cè)與保護(hù)中,并將短路故障的光現(xiàn)象作為啟動(dòng)保護(hù)的重要判據(jù)[26]。雖然熒光光纖對(duì)氣固界面放電或氣體放電檢測(cè)的有效性得到了充分的論證,但其檢測(cè)系統(tǒng)的對(duì)象適用性、參數(shù)配合和參數(shù)優(yōu)化方面的系統(tǒng)性研究相對(duì)較少,絕緣子表面放電發(fā)射光譜的熒光激發(fā)效率、光纖光學(xué)參數(shù)配合以及光電器件的參數(shù)優(yōu)化等影響測(cè)量效果的關(guān)鍵因素還需要進(jìn)一步研究和明確。

    本文從絕緣子表面放電光輻射特性的一般規(guī)律出發(fā),對(duì)影響熒光光纖測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵問題進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究。由于熒光激發(fā)效率與放電發(fā)射光譜分布直接相關(guān),本研究首先針對(duì)絕緣子表面放電建立光電聯(lián)合試驗(yàn)系統(tǒng),獲得相應(yīng)的光脈沖和積分光譜分布;基于上述試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)熒光光纖的激發(fā)效率進(jìn)行計(jì)算,給出光纖選型的依據(jù)。此外,本文還對(duì)光電倍增管光譜響應(yīng)和信噪比影響因素進(jìn)行試驗(yàn)和分析,以期為熒光光纖局部放電檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)、參數(shù)優(yōu)化及傳感器融合提供參考和依據(jù)。

    1 試驗(yàn)方法

    研究使用的光電聯(lián)合試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖1(a)所示。該系統(tǒng)電學(xué)部分包括工頻交流高壓源(100 kV/50 kVA)、限流保護(hù)電阻(1 MΩ)、耦合電容(2 000 pF)、高壓探頭(P6015A)、高頻電流傳感器(ⅠPC-500L)及多功能高壓試驗(yàn)腔體(150 kV);光學(xué)及光電部分包括光纖準(zhǔn)直器(25°,1.491sr)、多模石英光纖(400 μm)、光纖光譜儀(USB 2000)、光電倍增管(PMT,Zolix S1-CR131)及熒光光纖測(cè)量系統(tǒng)。試驗(yàn)腔體預(yù)置有石英光學(xué)玻璃觀察窗,用于PMT的光子探測(cè)和光學(xué)形貌的拍攝。其中,高壓試驗(yàn)腔體內(nèi)部放置棒-板結(jié)構(gòu)的絕緣子放電模型,用于模擬典型強(qiáng)垂直分量沿面放電[1],如圖1(b)所示,高壓棒電極直徑為8 mm,接地板電極直徑為6 cm,棒電極和板電極的邊緣等效半徑均為1 mm,絕緣子采用環(huán)氧樹脂(E51)制作,其厚度為2 mm,直徑為8 cm。

    圖1 光電試驗(yàn)系統(tǒng)及絕緣子沿面放電模型Fig.1 Photoelectric test system and insulator surface discharge model

    由光纖檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成原理可知,決定其檢測(cè)效果的主要因素包括絕緣子放電光輻射對(duì)光纖的熒光激發(fā)效率、熒光光纖發(fā)射光譜與光電器件響應(yīng)特性的配置、光電器件的光電轉(zhuǎn)換效率及其信噪比。因此本研究首先對(duì)絕緣子表面放電的積分光譜進(jìn)行測(cè)量,通過積分光譜分布來計(jì)算熒光光纖激發(fā)效率,為光纖選型和光纖熒光物質(zhì)摻雜提供依據(jù)。

    試驗(yàn)采用逐級(jí)升壓法,通過單光子探測(cè)確定絕緣子局部放電光學(xué)起始電壓(PDⅠV),并分別測(cè)量初始放電(U=1.2 PDⅠV)、放電加?。║=2.0 PDⅠV)和臨近擊穿(U=3.0 PDⅠV)狀態(tài)下的光脈沖局部放電相位分解(PRPD,phase resolved partial discharge)圖譜和積分光譜分布;試驗(yàn)中,各電壓施加階段下的PRPD圖譜累計(jì)時(shí)間與光譜累計(jì)時(shí)間保持相同,大約為300個(gè)工頻周期(約5 s)。試驗(yàn)調(diào)整施加電壓(U=1.3 PDⅠV),并逐級(jí)調(diào)整光電倍增管(PMT)驅(qū)動(dòng)偏壓(Vbias=400~1 200 V),分析驅(qū)動(dòng)電壓水平和連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)測(cè)量系統(tǒng)信噪特性的影響。

    2 絕緣子沿面放電光脈沖統(tǒng)計(jì)特性及積分光譜

    放電本身具有較強(qiáng)的隨機(jī)性,因此本文中放電脈沖測(cè)量和光譜測(cè)量均采用統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行分析。通過光電測(cè)量系統(tǒng),同步獲得不同放電強(qiáng)度下的放電光脈沖PRPD圖譜、積分光譜及放電形貌,并再此基礎(chǔ)上分析放電光譜的一般性規(guī)律,為光電測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)配合建立基礎(chǔ)。

    2.1 放電統(tǒng)計(jì)特性及積分光譜研究

    圖2為1.2 PDⅠV、2.0 PDⅠV和3.0 PDⅠV下絕緣子沿面放電的光脈沖PRPD圖譜、積分光譜分布及放電形貌,其中光脈沖統(tǒng)計(jì)周期數(shù)為250,光譜積分時(shí)長(zhǎng)為5 s,CCD曝光時(shí)長(zhǎng)為50 ms。由圖2(a)中PRPD圖可知,強(qiáng)垂直電場(chǎng)分量的絕緣子沿面放電極性效應(yīng)較弱,當(dāng)電壓超過PDⅠV后,正半周和負(fù)半周幾乎同時(shí)出現(xiàn)光脈沖,并分布于過零點(diǎn)至峰值附近的相位區(qū)間內(nèi),這與實(shí)際中開關(guān)柜支撐絕緣子或套管末端放電檢測(cè)到的放電特征相一致;由圖2(a)中放電形貌圖可知,放電通道延伸區(qū)域半徑較小,放電的光輻射強(qiáng)度相對(duì)較弱;由圖2(a)中積分光譜分布圖可知,光譜主要成分為空氣中氮?dú)獾姆烹姲l(fā)射光譜,300~450 nm譜段內(nèi)主要為N2(C-B)第二正帶系分子譜帶,600~900 nm譜段內(nèi)主要為N2(BA)第一正帶系分子譜帶,而在391 nm附近的N2(BX)第一負(fù)帶系譜線強(qiáng)度相對(duì)較低,其他主要為激發(fā)態(tài)N或N+光譜 成 分[27],777 nm(5S0-5P)和844nm(3S0-3P)譜線主要為空氣中氮?dú)夂脱鯕夤舱褡V帶OⅠ所引起[28]。除此之外,在656 nm附近出現(xiàn)的高強(qiáng)度譜線主要為氫原子激發(fā)譜線(Hα),而該譜線在空氣間隙或氮?dú)忾g隙放電發(fā)射譜線中強(qiáng)度相對(duì)較弱,因此該譜線的出現(xiàn)與絕緣子有機(jī)材料參與沿面放電有關(guān),根據(jù)P BRUGGEMAN等[29]的研究,656 nm附近Hα譜線寬度與N+在此處的譜線寬度相重合,Hα譜線的實(shí)際峰值波長(zhǎng)為656.3 nm。

    由圖2(b)中PRPD圖可知,隨著施加電壓的升高,正、負(fù)半周放電光輻射強(qiáng)度、脈沖頻次和相位分布范圍均有所提高;由圖2(b)中放電形貌圖可知,此時(shí)的放電通道長(zhǎng)度進(jìn)一步延伸,絕緣子上的電暈形貌區(qū)域半徑也進(jìn)一步增大,并偶爾伴隨一些較明亮的放電樹枝;由圖2(b)中積分光譜分布圖可知,放電發(fā)射光譜的主要分布特征保持不變,但490~600 nm譜段內(nèi)光譜強(qiáng)度有所增加,503 nm附近譜線強(qiáng)度上升明顯,OⅠ777 nm和844 nm共振譜帶強(qiáng)度也相應(yīng)增加。上述變化也預(yù)示著放電通道溫度提高,電子溫度和電子密度也相應(yīng)增加。

    由圖2(c)中PRPD圖可知,隨著施加電壓進(jìn)一步升高直至臨界擊穿前,正、負(fù)半周放電光輻射強(qiáng)度、脈沖頻次和相位分布范圍顯著增大;由圖2(c)中放電形貌圖可知,放電光輻射強(qiáng)度顯著提高,絕緣子表面放電區(qū)域半徑進(jìn)一步增大,并且放電通道由細(xì)密的特征變?yōu)槊髁凛^粗的特征;由圖2(c)積分光譜分布圖可知,放電發(fā)射光譜在N2(C-B)300~450 nm譜段和490~600 nm譜段內(nèi)光譜強(qiáng)度均有所增加,503 nm附近譜線強(qiáng)度進(jìn)一步提高,OⅠ777 nm和844 nm共振譜線強(qiáng)度維持不變,但線寬增加,這可能與流注放電向先導(dǎo)放電轉(zhuǎn)變?cè)斐傻耐ǖ罍囟壬哂嘘P(guān),屬于熱的多普勒致寬效應(yīng)[30]。

    圖2 絕緣子不同沿面放電強(qiáng)度下的PRPD圖譜、積分光譜分布及放電形貌Fig.2 PRPD spectra,integral spectrca,and discharge morphologies of insulator surface discharge at different levels of voltage

    為了對(duì)比分析光電探測(cè)系統(tǒng)對(duì)絕緣子放電光輻射的檢測(cè)效率和參數(shù)匹配效果,統(tǒng)一繪制試驗(yàn)中不同放電強(qiáng)度下的多組積分光譜,并得到其上下限包絡(luò)和平均值,如圖3所示。下文中對(duì)光電測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)配合的計(jì)算均采用絕緣子沿面放電發(fā)射光譜的強(qiáng)度均值。

    圖3 絕緣子沿面放電發(fā)射光譜強(qiáng)度均值分布Fig.3 Average distribution of emission spectra of insulator surface discharge

    2.2 熒光光纖激發(fā)效率探究

    熒光裸光纖激發(fā)效率取決于光纖光子捕獲效率和激發(fā)光譜響應(yīng)能力。其中,光子捕獲效率由熒光光纖包層材質(zhì)和芯材的光學(xué)性質(zhì)所決定,與熒光材料摻雜的濃度無明顯關(guān)系;同時(shí),被捕獲光子中能夠引起熒光激發(fā)效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)比例由放電發(fā)射光譜和光纖激發(fā)光譜共同決定。因此,熒光裸光纖對(duì)放電光輻射的激發(fā)效率(ηex,λ)可由式(1)進(jìn)行估算。

    式(1)中:TE為光纖對(duì)光子的捕獲效率;rex,λ為捕獲光子引起的熒光激發(fā)強(qiáng)度。根據(jù)J D WEⅠSS的研究[23],TE主要由光纖材料的光學(xué)性質(zhì)決定,其計(jì)算如式(2)所示。

    式(2)中,nc1和nc0分別為光纖包層材料和纖芯材料的光折射系數(shù)。由于光纖的熒光發(fā)射強(qiáng)度與激發(fā)光的光譜和強(qiáng)度均相關(guān),為了反映光纖的熒光發(fā)射強(qiáng)度受激發(fā)光的光譜和強(qiáng)度的量化關(guān)系影響,本文采用光纖入射光強(qiáng)度與熒光激發(fā)光強(qiáng)度在波長(zhǎng)λ上的幾何均值計(jì)算得到rex,λ,如式(3)所示。

    式(3)中,I′inc,λ和EXλ分別為放電發(fā)射光譜約化強(qiáng)度和熒光激發(fā)光譜約化強(qiáng)度分布。在實(shí)際計(jì)算時(shí),積分上下限為熒光激發(fā)光譜分布范圍邊界。

    為了比較熒光光纖的激發(fā)效率,選取兩種用于放電測(cè)量的典型PS芯材熒光光纖進(jìn)行計(jì)算和比較。表1為兩種熒光光纖的基本參數(shù)、熒光激發(fā)強(qiáng)度(rex,λ,λ=250~900 nm)以及激發(fā)效率(ηex,λ,λ=250~900 nm)。

    圖4為兩種PS熒光光纖對(duì)絕緣子沿面放電發(fā)射光譜的熒光激發(fā)光譜約化強(qiáng)度分布(EXλ)、熒光發(fā)射強(qiáng)度分布(rex,λ)和rex,λ的積分強(qiáng)度。

    圖4 兩種PS熒光光纖的EXλ、rex,λ及rex,λ積分強(qiáng)度Fig.4 EXλ,rex,λ and integral intensity of rex,λ of two PS fluorescent optical fibers

    由圖4可知,在絕緣子沿面放電發(fā)射光譜范圍內(nèi),光纖Ⅰ相比光纖ⅠⅠ能夠在更大的光譜范圍內(nèi)被激發(fā)。采用式(4)對(duì)rex,λ在整個(gè)放電發(fā)射光譜范圍內(nèi)的積分進(jìn)行計(jì)算可知,光纖Ⅰ的整體激發(fā)效率高于光纖ⅠⅠ,兩者的比較如表1所示。

    表1 兩種典型的PS熒光光纖基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of two PS fluorescent optical fibers

    需要指出的是,光纖對(duì)放電光子的耦合并不完全由熒光光纖的激發(fā)效率決定,對(duì)于入射光譜不在熒光激發(fā)光譜范圍內(nèi)的光子仍然能夠按照式(2)的比例被捕獲,并由光纖傳導(dǎo)至光電轉(zhuǎn)換器件。

    3 熒光光纖檢測(cè)系統(tǒng)綜合效率對(duì)比及影響因素分析

    絕緣子沿面放電的光輻射強(qiáng)度較低,放電的持續(xù)時(shí)間較短,經(jīng)熒光光纖耦合得到的光信號(hào)需要通過高靈敏的光電器件來進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。PMT作為一種量子效率高、光電增益大且響應(yīng)速度快的單光子探測(cè)器件,是放電光輻射檢測(cè)的首選[19],因此其光譜響應(yīng)特性與放電發(fā)射光譜和熒光光纖發(fā)射光譜的配合,決定了最終光電轉(zhuǎn)換的效率;同時(shí),PMT是利用外光電效應(yīng)進(jìn)行光電子放大,因此陰極施加電壓的大小不但會(huì)影響其增益,還會(huì)影響其噪聲水平。下面針對(duì)上述問題對(duì)光電探測(cè)裝置的參數(shù)配合和優(yōu)化進(jìn)行討論。

    3.1 光電倍增器的參數(shù)匹配

    通過熒光光纖進(jìn)入光電倍增器的光子主要由兩部分構(gòu)成,一部分為經(jīng)熒光激發(fā)效應(yīng)轉(zhuǎn)置為發(fā)射光譜范圍內(nèi)的光子,另一部分為未經(jīng)熒光激發(fā)而經(jīng)由光纖直接傳輸?shù)墓庾印R虼斯怆姳对銎鞯墓庾V響應(yīng)特性對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率的影響較為顯著。為了描述光電倍增器與耦合光子的光譜匹配程度(或光電轉(zhuǎn)換效率),本研究引入光電轉(zhuǎn)換光譜匹配效率(ηoe)來對(duì)其進(jìn)行估算,并忽略光纖內(nèi)部瑞利散射和光譜吸收效應(yīng),如式(5)所示。

    式(5)中,I′em,λ為熒光發(fā)射光譜約化強(qiáng)度,其值由未引起熒光效應(yīng)的入射光強(qiáng)度和熒光激發(fā)強(qiáng)度兩部分組成,其值可由式(6)計(jì)算;QEλ為光電轉(zhuǎn)換器件約化光量子效率。

    濱松公司的端窗型R3896和微型R12900U是兩個(gè)最具代表性的高效率單光子探測(cè)器,被廣泛應(yīng)用于光子計(jì)數(shù)、弱光探測(cè)以及放電光輻射表征中,其光量子效率曲線如圖5所示。本研究以上述兩種典型光電倍增器為例,對(duì)熒光光纖局部放電檢測(cè)系統(tǒng)的綜合效率進(jìn)行對(duì)比分析,計(jì)算得到的光電轉(zhuǎn)換光譜匹配效率(ηoe,λ)光譜分布如圖6所示。雖然絕緣子沿面放電發(fā)射光譜具有一定的隨機(jī)性,但仍然可認(rèn)為在多個(gè)工頻周期下放電積分光譜成分被均勻地轉(zhuǎn)置為熒光發(fā)射光譜,此時(shí)熒光光纖局部放電檢測(cè)系統(tǒng)光電單元的綜合效率(p)可由式(7)進(jìn)行計(jì)算。

    圖5 不同波長(zhǎng)下光量子效率曲線圖Fig.5 Light quantum efficiency curve at different wavelengths

    式(7)中,ks,λ為熒光光纖對(duì)激發(fā)波長(zhǎng)λ的移相系數(shù),在未經(jīng)測(cè)定的情況下,對(duì)于實(shí)際光學(xué)參數(shù)優(yōu)化可將其設(shè)置為1;λ1、λ2分別為熒光激發(fā)光譜分布范圍的上、下界。由圖6中R3896和R12900U兩種PMT的匹配效率波長(zhǎng)分布計(jì)算結(jié)果可知,R3896在250~900 nm內(nèi)的光譜匹配效率高于R12900U。

    圖6 不同波長(zhǎng)下ηoe,λ分布圖Fig.6 The ηoe,λ at different wavelengths

    3.2 驅(qū)動(dòng)電壓和工作時(shí)長(zhǎng)對(duì)信噪比的影響

    對(duì)于真空外場(chǎng)光電效應(yīng)的光電倍增管,其原理決定了其必然會(huì)受到雜散光干擾、電磁場(chǎng)偏置和熱電子發(fā)射的影響,最終體現(xiàn)在PMT的信噪比上。因此在構(gòu)建光纖局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí),需要考慮實(shí)際運(yùn)行工況的影響。理論上,影響光纖測(cè)量系統(tǒng)的內(nèi)在因素主要是光電轉(zhuǎn)換器件的工作性能。一般而言,光電器件的信噪比(SNR)由式(8)決定。

    式(8)中:S為光信號(hào)強(qiáng)度;p為光電單元的綜合效率;A為光電增益;Ng為雜散光干擾;Ndark為暗電流干擾(器件熱噪聲)。因此PMT一般采用外殼內(nèi)壁黑化處理降低雜散光干擾(Ng),采用鋁箔屏蔽、坡莫合金屏蔽等措施降低電磁干擾。其中,Ndark為光纖測(cè)量系統(tǒng)的主要噪聲來源,一般可采用強(qiáng)化散熱結(jié)構(gòu)等方式降低熱累積,但其降低效果有限。為了驗(yàn)證熒光光纖光電測(cè)量系統(tǒng)對(duì)絕緣子沿面放電監(jiān)測(cè)的信噪特性和連續(xù)工作的穩(wěn)定性,本研究特別對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓水平和工作時(shí)長(zhǎng)的影響進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

    試驗(yàn)采用線形高壓源(0~1 500 V)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),并采用低強(qiáng)度絕緣沿面放電作為試驗(yàn)對(duì)象,以平均放電量作為基準(zhǔn),比較不同驅(qū)動(dòng)電壓水平和連續(xù)工作條件下的測(cè)量系統(tǒng)信噪比變化。試驗(yàn)中,環(huán)境溫度維持為23℃,驅(qū)動(dòng)電壓紋波水平小于0.5%。圖7為不同驅(qū)動(dòng)電壓下測(cè)量系統(tǒng)的信噪比變化。由圖7可知,驅(qū)動(dòng)偏壓由500 V提高至1 000 V時(shí),SNR由7.6 dB逐漸上升至12.45 dB,當(dāng)驅(qū)動(dòng)偏壓超過1 000 V時(shí),此時(shí)SNR不再提高反而具有明顯下降的趨勢(shì),原因在于當(dāng)驅(qū)動(dòng)偏壓在一定范圍變化時(shí),光電增益A逐漸增加,其增加程度大于Ng和Ndark的增加程度,而當(dāng)驅(qū)動(dòng)偏壓超過一定值時(shí),Ndark也會(huì)明顯提高,從而成為噪聲主要來源。因此,在實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中可設(shè)置驅(qū)動(dòng)偏壓大致為1 000 V為最優(yōu)。

    圖7 不同PMT驅(qū)動(dòng)偏壓下測(cè)量系統(tǒng)的信噪比(SNR)變化Fig.7 Variation of SNR of system with bias voltage of PMT

    由于熱噪聲與器件溫升有關(guān),系統(tǒng)連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)也會(huì)影響信噪比。本研究在環(huán)境溫度為25℃、相對(duì)濕度為52%的自然散熱條件下進(jìn)行了連續(xù)的信噪比監(jiān)測(cè)。圖8為連續(xù)測(cè)量時(shí)間內(nèi),不同時(shí)刻采集到的光纖局部放電信號(hào)在一個(gè)工頻周期內(nèi)的結(jié)果。由圖8可知,隨著時(shí)間的遞增,熱噪聲水平逐漸提高,由最初的0.9 a.u.提高至2.8 a.u.,并在此水平下逐漸保持不變。圖9為不同連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)下測(cè)量系統(tǒng)信噪比變化。

    圖8 絕緣子沿面放電的光纖信號(hào)隨系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間的變化Fig.8 Variation of surface discharge optical fiber signals with operation time of system

    由圖9可知,熒光光纖光電測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)量絕緣子沿面放電時(shí)的信噪比隨著連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)的遞增而有所下降,在0~80 min內(nèi)大致下降約0.9 dB后維持不變,這是因?yàn)楫?dāng)器件熱量在連續(xù)工作下不斷累積,最終達(dá)到80 min左右時(shí)與環(huán)境達(dá)到熱平衡,此時(shí)熱噪聲水平不再繼續(xù)變化。當(dāng)不斷提高系統(tǒng)的休眠間隔時(shí)間至40 min左右時(shí),其初始信噪比可恢復(fù)至最佳狀態(tài)(12.45 dB)。因此,在自然散熱條件和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下,該系統(tǒng)的自溫漂效應(yīng)大致為7%,冷卻恢復(fù)時(shí)間大致為40 min。

    圖9 不同連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)下測(cè)量系統(tǒng)信噪比變化Fig.9 Variation of SNR of system with operation time

    需要說明的是,光纖連接器和準(zhǔn)直透鏡的透過特性、PMT的端窗尺寸以及光電增益也會(huì)一定程度上影響熒光光纖局部放電檢測(cè)的最終效果,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)予以考慮,本文不再贅述。

    4 結(jié)論

    針對(duì)開關(guān)設(shè)備內(nèi)部絕緣子沿面放電光輻射特性,對(duì)基于熒光光纖的光電檢測(cè)法的光譜響應(yīng)特性、基本參數(shù)和工作特性進(jìn)行了系統(tǒng)性研究,掌握了影響測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵性能參數(shù),得出如下結(jié)論:

    (1)通過試驗(yàn)獲得不同電壓條件下的絕緣子沿面放電光脈沖PRPD譜圖、積分光譜圖以及光學(xué)形貌,可得絕緣子積分光譜圖主要成分為300~450 nm的N2(C-B)第二正帶系、600~900 nm的N2(BA)第一正帶系、391 nm附近的N2(B-X)第一負(fù)帶系、777 nm OⅠ共振譜帶及656 nm附近的氫原子激發(fā)譜線(Hα),并同時(shí)獲得了隨放電強(qiáng)度變化的光譜統(tǒng)計(jì)范圍。

    (2)結(jié)合絕緣子沿面放電發(fā)射光譜、熒光光纖激發(fā)光譜、光纖的捕獲效率,得到了兩種典型PS熒光光纖的激發(fā)強(qiáng)度(rex,λ)和激發(fā)效率(ηex,λ),其中激發(fā)光譜為299~477 nm的光纖較294~410 nm的光纖更優(yōu),rex,λ和ηex,λ分別為0.618和0.125。

    (3)根據(jù)兩種典型光電探測(cè)器件響應(yīng)特性,對(duì)比分析了熒光光纖局部放電檢測(cè)系統(tǒng)光電單元的綜合效率(p),其中R3896型PMT與熒光光纖系統(tǒng)結(jié)合匹配效率更優(yōu)。

    (4)對(duì)比分析驅(qū)動(dòng)偏壓和連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)信噪比的影響,當(dāng)驅(qū)動(dòng)偏壓為1 000 V時(shí),SNR最高(12.45 dB);在最大初始SNR條件下,自然散熱系統(tǒng)的自溫漂效應(yīng)大致為7%,冷卻恢復(fù)時(shí)間大致為40 min。

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