基于紫外熒光光導(dǎo)的增強(qiáng)型局部放電光電傳感技術(shù)對比研究

何 楠, 劉弘景, 劉宏亮, 劉可文, 任 明

(1. 國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院, 北京 100075; 2. 電工材料電氣絕緣全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安交通大學(xué), 陜西 西安 710049)

1 引言

局部放電(Partial Discharge, PD)檢測是電力設(shè)備絕緣狀態(tài)診斷的常用手段,特高頻法[1]、超聲法[2]、高頻電流法[3]等方法由于其適應(yīng)對象廣、應(yīng)用方法靈活,被大量應(yīng)用于局部放電在線監(jiān)測和帶電檢測中。然而,變電站現(xiàn)場較高的電磁背景噪聲和復(fù)雜的干擾來源使得上述局部放電檢測方法的應(yīng)用受限,誤報(bào)漏報(bào)問題較為突出。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對局部放電光學(xué)測量方法進(jìn)行了深入研究,驗(yàn)證了其在干擾抑制、靈敏度和分辨能力等方面的優(yōu)勢[4,5],特別是對于氣體絕緣設(shè)備局部放電的檢測,具有較好的應(yīng)用前景[6]。

局部放電光測法大體分為兩大類,一類是基于聲-光干涉(如馬赫-曾德爾[7]、法布里-珀羅法[8]等)或電磁-光干涉[9]等方法的檢測方法,另一類是基于熒光光纖[10,11]或單光子探測[12]的檢測方法。前者是以聲波或電磁波作為輸入對象,應(yīng)用較為靈活但并非直接光耦合的技術(shù)范疇,后者是以放電光輻射作為輸入對象,其主要工作原理為光電轉(zhuǎn)換,具有較好的抗干擾能力。研究表明,光輻射產(chǎn)生于放電電離、附著、復(fù)合和消散的各個過程[13],光譜范圍覆蓋紫外至近紅外范圍內(nèi),因此采用寬光譜光電探測能夠有效感知?dú)怏w絕緣設(shè)備內(nèi)部的絕緣薄弱環(huán)節(jié)、關(guān)鍵部位的局部放電以及異常電弧,具有較好的本征性和置信度。

針對局部放電光電探測,國外學(xué)者K.MUTO[14]和R.MANGERET等人[15]最早提出利用熒光光纖進(jìn)行局部放電光學(xué)檢測,但在當(dāng)時該方法受制于光轉(zhuǎn)化效率和光譜范圍,對局部放電弱光探測效率較低。而后,N.R.BURJUPATI等人[16]利用不同材料的熒光光纖對空氣和油中的電暈放電進(jìn)行了試驗(yàn),得到了最優(yōu)的熒光光纖材料并驗(yàn)證了該方法可以較好地表征電暈放電。國內(nèi)方面,劉嘉林等人[17]對氣體中懸浮放電的放電統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了研究,選用可見光和近紅外光下的放電重復(fù)率和單位時間輻射光子數(shù)對放電強(qiáng)度進(jìn)行了評估。任明等人[18]分析了SF6氣體中典型缺陷的放電光譜特性,并結(jié)合放電統(tǒng)計(jì)信息與光譜信息進(jìn)行局部放電模式識別。李軍浩等人[19]將熒光光纖和特高頻天線結(jié)合,設(shè)計(jì)了局部放電光電聯(lián)合傳感器。唐炬等人[20]對熒光光纖局部放電光信號進(jìn)行了多重分形譜模式識別,結(jié)果表明該方法優(yōu)于傳統(tǒng)的以盒維數(shù)與信息維數(shù)作為特征量的識別方法。

上述研究均對熒光光纖傳感器在局部放電狀態(tài)檢測方面進(jìn)行了探索,并驗(yàn)證了其可行性。但同時由于局部放電光輻射強(qiáng)度極低,對傳感器前端光導(dǎo)的視場、損耗、光電轉(zhuǎn)換效率以及光電增益都提出了較高要求,特別是前端光導(dǎo)或透鏡會引入額外的光學(xué)傳輸損耗,現(xiàn)有研究在局部放電光電測量效率分析方面缺乏有效的評估手段,在其靈敏度和效率優(yōu)化方面還有較大的提升空間。

本文針對光電探測光譜響應(yīng)和光電效率方面的問題,重點(diǎn)采用了Dy3+和Ce3+兩種稀土摻雜熒光玻璃作為前端光導(dǎo)來提升紫外波段耦合效率,通過稀土摻雜熒光玻璃與固態(tài)單光子器件配合的方式,實(shí)現(xiàn)了寬光譜、高靈敏度的局部放電光電探測。在此基礎(chǔ)上,本文還通過三種典型局部放電模擬實(shí)驗(yàn),對比分析了通過兩種熒光光導(dǎo)測量獲得的光脈沖與電脈沖在放電統(tǒng)計(jì)特性上的特征與差異,為局部放電類型識別研究提供了一定的技術(shù)參考。

2 局部放電紫外熒光轉(zhuǎn)置原理及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 紫外熒光轉(zhuǎn)置原理

鑒于局部放電的光輻射強(qiáng)度低、光束脈沖窄,現(xiàn)有研究大多采用基于外場光電效應(yīng)的光電倍增管(PhotoMultiplier Tube, PMT)來捕獲局部放電光子。雖然PMT的光譜響應(yīng)范圍大、靈敏度高,但同時其也存在驅(qū)動電壓高(達(dá)到kV級別)、連續(xù)工作壽命短以及抗電磁干擾能力差等問題,所以PMT大多被用于局部放電實(shí)驗(yàn)研究,而難以應(yīng)用于實(shí)際設(shè)備。近年來光電半導(dǎo)體發(fā)展迅速,針對弱光探測所開發(fā)的雪崩光電二極管(Avalanche Photon Diode, APD)和硅光電倍增管(Silicon PhotoMultiplier, SiPM)在性能、尺寸以及成本上表現(xiàn)突出,是可替代PMT的新一代固態(tài)單光子器件,并在局部放電檢測中展現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢[21,22]。然而,大多類型局部放電在紫外波段成分豐富,但SiPM器件在此范圍內(nèi)的光譜響應(yīng)較弱,導(dǎo)致紫外區(qū)域光譜匹配效率低,影響了局部放電光電探測的整體效率。針對這一問題,本文采用稀土摻雜熒光玻璃替換了傳統(tǒng)的熔融石英玻璃前導(dǎo),從而實(shí)現(xiàn)紫外熒光轉(zhuǎn)置,提升光電轉(zhuǎn)換效率。

紫外轉(zhuǎn)置原理是基于熒光玻璃的熒光激發(fā)效應(yīng)將局部放電紫外波段成分紅移,使其轉(zhuǎn)置于光電器件的中心響應(yīng)波長附近,從而提高量子效率。熒光玻璃的工作原理如圖1所示,當(dāng)一定頻率的光照射熒光玻璃上時,部分光能被玻璃組分中的稀土離子吸收,從而使核外的一些電子由基態(tài)能級躍遷到激發(fā)態(tài)能級。處于激發(fā)態(tài)能級的電子由于狀態(tài)不穩(wěn)定會向基態(tài)能級躍遷,并通過光子的形式釋放能量,此時發(fā)射光的波長相比入射光發(fā)生紅移,形成波長在420 nm左右的藍(lán)紫光[23]。

圖1 紫外光導(dǎo)熒光轉(zhuǎn)置原理Fig.1 Principle of ultraviolet photoconductivity fluorescence transposition

熒光玻璃的制作主要有兩種方式,一是稀土材料摻雜,二是表面涂鍍熒光粉涂料。為了保證其他波段光子的透過率和熒光效應(yīng)的均勻度,本文選擇了稀土材料摻雜玻璃作為研究對象?，F(xiàn)有研究表明,紫外光激發(fā)下量子效率較高是Sm3+、Dy3+、Ce3+以及Tb3+離子摻雜的氧氟玻璃,其對應(yīng)的發(fā)光特性各有不同。Sm3+單獨(dú)摻雜的氧氟玻璃在紫外光的激發(fā)下發(fā)出波長在600 nm左右的橙色光;Dy3+單獨(dú)摻雜的氧氟玻璃在紫外光激發(fā)下發(fā)出波長480 nm左右的藍(lán)紫光;Ce3+摻雜的氧氟玻璃在紫外光的激發(fā)下發(fā)出波長385 nm左右的藍(lán)光;Tb3+摻雜的氧氟玻璃在紫外光的激發(fā)下發(fā)出波長560 nm左右的綠光[24]。同時,考慮到現(xiàn)有量子效率和增益較高的光電器件,其光譜響應(yīng)中心大多處于400～570 nm的藍(lán)綠波段,且響應(yīng)峰值位于420 nm左右,因此本文著重選取了Dy3+與Ce3+單獨(dú)摻雜的氧氟玻璃進(jìn)行對比分析,對應(yīng)的摩爾配比與質(zhì)量組成見表1。

表1 熒光玻璃的組分摩爾配比Tab.1 Molar ratio of fluorescent glass components

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

局部放電光測法的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2(a)所示,該裝置由局部放電試驗(yàn)腔體、高壓電源、耦合電容器、測量阻抗、信號處理單元和模擬放電電極組成。放電積分光譜和熒光光譜的測量采用光纖光譜儀(USB4000, 200～1 150 nm)、深紫外光纖(400 μm～160 nm)、光纖聚光準(zhǔn)直器以及光纖法蘭。PMT(CR131)和SiPM(SensL-30035)通過光學(xué)法蘭連接至熒光光導(dǎo),后端連接信號處理單元,高頻電流脈沖傳感器(High Frequency Current Transformer, HFCT)穿套在設(shè)備接地線上,上述三路輸出信號同時接入多通道采集卡以進(jìn)行同步測量。

高壓腔體內(nèi)氣體氛圍為空氣(氣壓0.103 MPa,相對濕度35%,溫度295 K),實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為22 ℃,相對濕度為45%RH,腔體內(nèi)可以設(shè)置尖端電暈、懸浮放電和沿面放電三種典型模擬放電電極,其具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2(b)所示。

實(shí)驗(yàn)中使用的熒光光導(dǎo)局部放電探測裝置原理構(gòu)成如圖2(c)所示,其由前端熒光光導(dǎo)、光電轉(zhuǎn)換單元、電流/電壓轉(zhuǎn)換單元、脈沖檢波單元和信號采樣單元構(gòu)成。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 熒光光譜及光電效率分析

3.1.1 激發(fā)光譜和熒光光譜

熒光玻璃的激發(fā)光譜和熒光光譜能夠反映熒光效應(yīng)特性和強(qiáng)度,也是決定光電探測光子耦合效率的基礎(chǔ)因素。由圖3(a)可知,Ce3+摻雜玻璃和Dy3+摻雜玻璃的激發(fā)光譜范圍較為接近,均覆蓋了250～350 nm范圍內(nèi)主要的放電紫外光譜分布范圍。其中,Dy3+摻雜玻璃的光譜積分在350 nm之下略高,而Ce3+摻雜玻璃的光譜積分在350 nm以上略高。由圖3(b)可知,兩種玻璃的熒光光譜范圍存在明顯差異,Dy3+玻璃為綠光波段(480～620 nm),而Ce3+玻璃為藍(lán)光波段(360～550 nm),因此需要對常用的光電器件做進(jìn)一步的譜段匹配,以獲得最佳的光電效率。

3.1.2 熒光光導(dǎo)后的光電效率分析

由于局部放電的光輻射強(qiáng)度低、單位時間光通量小,經(jīng)過熒光光導(dǎo)頻移后的光強(qiáng)水平最低可達(dá)單光子級別,因此需要結(jié)合熒光光譜對后端光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行分析和器件選配。目前,用于單光子探測的常用光電器件有PMT、APD以及SiPM。其中,PMT由于光電外場效應(yīng)原理,其光譜響應(yīng)和靈敏度均較為理想,但需要較高的驅(qū)動電壓和足夠的柵極尺寸;APD雖然是基于蓋革雪崩原理的固態(tài)光電器件,具有量子效率高和尺寸小的優(yōu)點(diǎn),但其初級增益較低;SiPM是基于APD的集成面陣或集成線陣,兼具PMT和APD的優(yōu)勢,具有量子效率高(最高可達(dá)50%)、初級增益高(數(shù)量級為1×106)、驅(qū)動電壓低、尺寸小等特點(diǎn)。因此,本節(jié)主要以SiPM和PMT器件為例,對比分析不同熒光光導(dǎo)下的光電匹配效率。為了便于分析熒光光導(dǎo)和光電器件的配合效果,可按照式(1)對光導(dǎo)熒光光譜與器件在不同波長λ下的光譜匹配效率ma(λ)進(jìn)行計(jì)算,得到了圖4結(jié)果。

圖4 光電轉(zhuǎn)換效率分析Fig.4 Analysis of photoelectric conversion efficiency

ma(λ)=PDE(λ)·Iem(λ)

(1)

式中,PDE(λ)為光電轉(zhuǎn)換器件的量子效率;Iem(λ)為光導(dǎo)的熒光光譜強(qiáng)度。

結(jié)果表明,在同等熒光光導(dǎo)材質(zhì)下,PMT的光譜匹配效率略高于SiPM。同時,兩類光電器件與Ce3+摻雜玻璃的光譜匹配效率均在波長400 nm左右時達(dá)到最高,而與Dy3+摻雜玻璃的光譜匹配效率在波長550 nm左右時達(dá)到最高,且鑒于主流光電器件的光譜響應(yīng)峰值位于420 nm左右,所以Ce3+摻雜玻璃更貼合實(shí)際應(yīng)用。

3.2 熒光增強(qiáng)光電脈沖分析

熒光玻璃的光度衰減時間,即該玻璃吸收光子的能量后,將其轉(zhuǎn)換為另一種波長的光并將能量釋放的時間。由于局部放電測量對放電脈沖分辨率要求較高,因此需要考慮單個光脈沖激發(fā)熒光殘余能量造成的脈寬拓展程度,對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成干擾,因此希望稀土摻雜熒光玻璃的發(fā)光衰減時間盡可能短。圖5為不同玻璃樣品在337 nm激發(fā)下400～750 nm范圍內(nèi)發(fā)光衰減時間測試結(jié)果及指數(shù)擬合曲線,Dy3+型的光度衰減時間(T50%和T90%)分別為259 ns和341 ns,而Ce3+型的光度衰減時間(T50%和T90%)分別為293 ns和438 ns,前者在光脈沖響應(yīng)速度上略有優(yōu)勢。

圖5 熒光光度衰減時間分析Fig.5 Analysis of fluorescence photometric decay time

為了進(jìn)一步測試兩種光導(dǎo)材料的實(shí)際脈沖分辨能力,實(shí)驗(yàn)采用空氣中負(fù)電暈Trichel型脈沖進(jìn)行測試,測試結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明,兩種摻雜熒光光導(dǎo)形成的熒光脈沖的半峰值時間存在明顯差異。相比于寬頻帶電流脈沖的半峰值,Dy3+摻雜玻璃的熒光脈沖滯后時間(ΔT50%)為25 ns,而Ce3+摻雜玻璃的熒光脈沖滯后時間(ΔT50%)為67 ns,因此前者的放電脈沖分辨率較優(yōu)于后者,而采用Ce3+摻雜玻璃測量脈沖時延較小的放電序列可能會造成脈沖丟失的情況。

圖6 Trichel放電激發(fā)的熒光脈沖波形Fig.6 Fluorescence pulse waveform excited by Trichel discharge

3.3 熒光光電系統(tǒng)響應(yīng)特性分析

3.3.1 放電光脈沖起始電壓測定

為了對比兩種熒光光導(dǎo)系統(tǒng)的響應(yīng)能力,本文選用了針-板電極電暈放電為測試對象,記錄了放電光脈沖起始電壓(Partial Discharge Inception Voltage, PDIV),包括有正負(fù)極性放電起始電壓兩類特征,并采用了Weibull統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行分析。此外,在實(shí)驗(yàn)過程中記錄了HFCT數(shù)據(jù)的正負(fù)極性放電起始電壓以橫向?qū)Ρ葍深悷晒夤鈱?dǎo)表現(xiàn)。

如圖7所示,對于負(fù)半周電暈放電,Ce3+和Dy3+熒光光導(dǎo)測量得到的PDIV分別為14.2 kV和14.6 kV,而HFCT測得的PDIV為12.9 kV,因此對于負(fù)極性電暈放電而言,熒光光電的靈敏度相比HFCT略低,而Ce3+型光導(dǎo)略優(yōu)于Dy3+型光導(dǎo);對于正半周電暈放電,Ce3+和Dy3+熒光光導(dǎo)測量得到的PDIV分別為17.3 kV和17.2 kV,與HFCT得到的結(jié)果較為相近,因此對于正極性電暈放電,兩種熒光光導(dǎo)與HFCT測量下限基本保持一致。由于負(fù)半周的電暈放電屬于放電量較低的放電類型,因此對于絕大多數(shù)類型放電而言,熒光光導(dǎo)的測量下限與HFCT保持一致,且Ce3+型光導(dǎo)略優(yōu)。

圖7 兩種熒光光導(dǎo)系統(tǒng)及HFCT測量電暈放電PDIV Fig.7 PDIV measured with two fluorescent photoconductive systems and HFCT in corona discharge

3.3.2 光脈沖強(qiáng)度與放電視在能量的線性度分析

光脈沖測量幅值與放電強(qiáng)度的單調(diào)關(guān)系決定了光電檢測方法的度量能力,因此本文也對兩種光導(dǎo)所測光脈沖強(qiáng)度與放電視在能量之間的關(guān)系進(jìn)行了對比分析,如圖8所示。隨著放電視在能量由28 μJ上升至72.5 μJ,兩種光導(dǎo)測量得到的光脈沖強(qiáng)度均與其呈顯著正相關(guān),由線性擬合可知,兩者近似呈線性關(guān)系。對比而言,Dy3+光導(dǎo)在大約50 μJ后呈現(xiàn)出一定的飽和特性,這可能是由于Dy3+光導(dǎo)在光脈沖較為密集的階段熒光效應(yīng)逐漸趨于飽和所致,同時熒光激發(fā)光子群的傳輸可能存在時間上的疊加效應(yīng),因此總體而言,Ce3+光導(dǎo)的線性特性和動態(tài)特性優(yōu)于Dy3+光導(dǎo),兩者的擬合參數(shù)對比見表2。

表2 擬合參數(shù)對比(y=A+Bx)Tab.2 Comparison of fitting parameters (y=A+Bx)

圖8 平均光脈沖幅值分布圖Fig.8 Diagram of mean optical pulse amplitude distribution

3.4 相位統(tǒng)計(jì)特性分析

局部放電相位統(tǒng)計(jì)(Phase Resolved Partial Discharge, PRPD)圖譜是一種實(shí)用化的放電統(tǒng)計(jì)和診斷方法,本節(jié)基于上述基本測量特性的研究,對兩種光導(dǎo)測量和脈沖電流測量的PRPD圖譜進(jìn)行了對比分析。同時,為了對比兩種光導(dǎo)對實(shí)際放電檢測的統(tǒng)計(jì)特性,采用了電暈放電、沿面放電和懸浮放電三種典型放電類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特性分析,對應(yīng)的結(jié)果如圖9所示。

圖9 熒光光導(dǎo)及HFCT同步測試PRPD譜圖Fig.9 PRPD spectrum measured with fluorescence light guide and HFCT

結(jié)果表明,兩種熒光光導(dǎo)的PRPD相位分布和輪廓基本保持一致,但對于不同放電類型,兩者的相對幅值存在一定差異。具體而言,對于電暈放電,在正半周上兩種光導(dǎo)測量到的脈沖強(qiáng)度分布基本一致,但在負(fù)半周上Ce3+光導(dǎo)脈沖強(qiáng)度更高;對于沿面放電,正負(fù)半周的Ce3+光導(dǎo)脈沖強(qiáng)度均稍高于Dy3+強(qiáng)度;對于懸浮放電,兩者的強(qiáng)度分布基本保持一致。與HFCT獲得的電脈沖分布特征相比,兩種光導(dǎo)的放電強(qiáng)度分布和相位分布均存在一定差異。在放電強(qiáng)度方面,兩種光導(dǎo)測定的結(jié)果小于HFCT所測得的放電強(qiáng)度,其中懸浮放電最為明顯;在相位分布方面,兩種光導(dǎo)測得的結(jié)果比HFCT所測得的相位分布更為集中,其中沿面放電最為明顯。

4 結(jié)論

本文從提升局部放電光電檢測效率角度出發(fā),采用兩種典型的稀土摻雜熒光玻璃作為前端光導(dǎo),用于提升紫外波段光譜耦合效率,通過熒光光導(dǎo)與單光子器件的配合,實(shí)現(xiàn)了寬光譜、高靈敏度的局部放電光電探測。本文獲得的主要結(jié)論如下:

(1)Ce3+和Dy3+摻雜玻璃的熒光光譜分別集中在藍(lán)光波段(360～550 nm)和綠光波段(480～620 nm),對應(yīng)光譜匹配效率分別在波長為400 nm和550 nm時達(dá)到最高,同等熒光光導(dǎo)材質(zhì)下PMT的光譜匹配效率要略高于SiPM。

(2)在400～750 nm范圍內(nèi),Dy3+型光導(dǎo)的光度衰減時間分別為259 ns和341 ns,Ce3+型光導(dǎo)的光度衰減時間分別為293 ns和438 ns;相比于電流脈沖的半峰值,Dy3+型光導(dǎo)和Ce3+型光導(dǎo)的熒光脈沖滯后時間分別為25 ns和67 ns,即Dy3+型在光脈沖響應(yīng)速度和放電脈沖分辨率上均優(yōu)于Ce3+型。

(3)Ce3+和Dy3+型光導(dǎo)測得的PDIV分別為17.3 V和17.2 V,與HFCT測量下限基本保持一致;在線性特性方面,兩種光導(dǎo)測得的光脈沖強(qiáng)度均與放電視在能量呈正相關(guān)性,但Dy3+光導(dǎo)在50 μJ后呈現(xiàn)出飽和特性;在相位統(tǒng)計(jì)特性方面,Ce3+和Dy3+型光導(dǎo)的PRPD圖譜均能準(zhǔn)確反映放電統(tǒng)計(jì)特性且前者的強(qiáng)度分布更高,即在熒光光電系統(tǒng)響應(yīng)特性方面Ce3+光導(dǎo)略優(yōu)于Dy3+光導(dǎo)。