光學方法在電力電纜局部放電測量中的研究現狀

吳延坤，喻巖瓏，武炬臻，王偉，王贊，白宏偉，黃曉龍

（1.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京102206；2.云南省電機工程學會，云南昆明650011；3.寧夏省供電公司中衛供電局，寧夏中衛755000）

隨著我國城市化進程的加快，電力工業也同步進行升級改造。XLPE電力電纜[1-7]在大中城市得到越來越多的應用，其安全穩定運行關系重大。對電纜的局部放電檢測是獲知電纜運行狀態的重要方法。當前研究表明，對于局部放電[8-15]的檢測是以伴隨局部放電產生的電、光、聲等現象為依據，判斷局部放電的狀態、位置和放電的程度。國內外用于電力電纜局部放電檢測的方法有很多，有脈沖電流法、超聲波檢測法、光測法、化學檢測法等。脈沖電流法和超聲波檢測法應用最為廣泛。在局放檢測中，超聲波檢測法無法避免多方向的電磁干擾以及其靈敏度不夠、探測距離受限等難題[16]。理論研究表明，交聯聚乙烯電纜局部放電脈沖包含的頻譜很寬，最高可達到吉赫茲數量級[17]。早期用脈沖電流法探測低頻信號，但是干擾影響大，而XLPE電纜局部放電信號微弱，波形復雜多變，極易被背景噪聲和外界電磁干擾噪聲淹沒。近年來國內外研究避開低頻干擾的甚高頻（VHF）和超高頻（UHF）脈沖電流傳感器，但是由于局放在高頻率段的信號極微弱，現有的抗干擾和微弱信號提取技術遇到瓶頸，在測量XLPE電纜局部放電中表現不穩定。光學方法測XLPE電纜局部放電是一個新的探索領域。

1 光學方法檢測局部放電

根據局部放電發生時產生的電磁、光、聲波等信息來測量局部放電。光的特性包括光的波長、強度、偏振態、相位、頻率等[18]。本文結合光學特性與局部放電信號，分析討論各種測量方法。

1.1 直接探測可見光法

此方法是檢測局部放電產生的可見光信號，得到局部放電的信息。在GIS等腔體型高壓電器中直接探測可見光的局部放電檢測方法如圖1所示[18-19]。由于XLPE電纜是密閉的固體結構，局部放電的位置又具有不可預知性，所以檢測XLPE電纜中的局放可見光是極其困難的。

圖1 直接探測局部放電產生光的方法示意圖

1.2 電磁效應法

高壓電氣設備的局部放電會使其周圍的電場和磁場變化，運用法拉第電磁原理的全光纖傳感器檢測到光的偏振態變化，從而得到局部放電的信息。文獻[19-20]基于此方法進行了空氣絕緣高壓電器局部放電測試，測試是在沒有其他干擾的狀態下進行的。對于電力電纜而言，系統如圖2所示。在實際運行現場，從XLPE電纜的接地線及空中各個方向串擾過來的電磁信號，會給后續信號的提取與辨別帶來很大困難，這就遇到了與脈沖電流法類似的困難。電磁效應法在測量XLPE電纜局部放電上與非光學的脈沖電流法相比沒有明顯的優勢。

圖2 法拉第效應光學法測電纜局部放電示意圖

1.3 光法測超聲波振動

為了避免電磁串擾，局部放電超聲波檢測成為新的研究方向之一。檢測局放超聲波能有效避開其他地方串擾的電磁信號。

局放產生的超聲波持續時間短，其本質就是超聲波帶來的振動，測量超聲振動能反映局部放電的情況。現有的研究表明，基于光的特性，局部放電超聲波影響光傳感器中發射光束的某一個特定屬性，用光特性的改變來表征局部放電的特征。

1.3.1 光纖光柵法

光纖光柵法是基于光的波長變化來測外界振動的方法。外界應力或者溫度的改變會導致傳感光柵的改變，從而導致光柵反射的中心波長發生改變。波長變化量包含著外界振動的信息。如何測量波長的變化，即光纖光柵的解調技術是關鍵。傳統上一般使用單色儀、光譜儀以及帶有色散元件的CCD探測器來解調光柵信號，但是這些解調系統都存在造價高、體積大、不易攜帶的缺點?，F常用的光柵解調方法有匹配光柵法、波長掃描法、邊緣濾波器線性解調法、干涉解調法等[21]。如圖3所示，其本質是用壓電陶瓷（PZT）來驅動一個F-P（Fabry-Perot）腔來掃描入射的寬帶光，光在2個高反射鏡組成的腔體內發生Fabry-Perot干涉，每一個時刻只有一種波長的光透過這個腔體，當探測器得到與光柵的反射波波長相同的光波的時候，記錄此刻驅動PZT的電壓值，經過計算可以得到光柵反射波長，從而得到外界振動、溫度等信息。

圖3 PZT驅動F-P腔掃描示意圖

由于PZT的響應速度有限，上限幾百赫茲，使得這種方法只適用于測量靜態或低頻變化的物理量。研究表明，XLPE電力電纜局放產生的超聲波的主要頻段是60～300 kHz[22-23]，因此對于電纜局部放電產生的高頻超聲振動信號，在現有PZT響應速度較慢的情況下，光纖光柵法并不適用。

1.3.2 光干涉法

光干涉法是關于光強度變化的方法，例如強度調制型光纖傳感技術、相位調制型光纖傳感器技術。相位調制型傳感原理本質是光的干涉解調，其與強度調制型光纖傳感相同，是以干涉條紋的光強度來表征振動信息的變化。干涉法測局放的結構如圖4所示，從光源發出的光在經過耦合器均等分配后變成兩路，一路被外界的振動等信息調制，一路作為參考信號，兩路信號在耦合器發生干涉后輸出，根據干涉信號強度的變化可以檢測外部電氣信息。

干涉法能快速反應外界信息的變化，頻率響應快，分辨率高。從理論上說，用它來測量XLPE電力電纜局部放電信號是可行的，具體方法下節闡述。

1.3.3 其他方法

現有研究表明，基于光頻率變化的檢測技術，即利用光學多普勒頻移效應的頻率調制型光纖傳感器技術[9]的空間分辨率高，具有跟蹤快速變化的能力。但是當前對它的研究都是對流體速度測量的應用。雖然在理論上它可測量頻移為1.6 MHz的信息，但是，它的結構構造不符合XLPE電纜局部放電的測量需要，同時關于其他物理量測量方面的研究還需進一步探討。

圖4 干涉法測局部放電超聲振動示意圖

2 光纖干涉法測電纜局部放電

同常規的高壓電器設備絕緣監測方法相比,光纖技術有其獨特的優越性。1）光纖細而柔軟，可以做成非常小巧的光纖傳感器,放置在小孔或縫隙中,用來測量某些特殊對象、場合的參數。2）光纖導光性好,損耗低。光纖傳輸頻帶寬,可以無失真傳輸信號。3）光纖傳感器不受電磁場(EMI)的干擾。當光信號在光纖中傳輸時,它不會與電磁場產生作用,因而信息在傳輸過程中抗電磁干擾能力強。4）絕緣性能好。光纖是非金屬材料,不導電,其外層涂敷材料硅膠亦不導電，因而光纖的絕緣性能好。5）防爆,耐腐蝕。由于光纖內部傳輸的是能量很小的光信號,一般不會產生火花、高溫、漏電等不安全因素,光纖傳感器的安全性能好；另外光纖為非金屬材料,耐腐蝕,因此特別適用于易燃、易爆、強烈腐蝕性的環境中。能測量超聲振動等信號的光干涉法有3種：邁克爾遜（Michelson）干涉，馬赫-澤德爾干涉（Mach-Zehnder），法布里-帕羅（Febry-Perot）干涉。

2.1 邁克爾遜（Michelson）干涉法

Michelson干涉超聲-光檢測系統見圖5。整個系統由光源、光纖繞圈傳感器、2個3 dB光纖耦合器或者光環形器、光電信號處理器以及一根單模光纖連接而成。系統的工作原理[25-26]:使用從光源發射出的相干光通過3 dB耦合器分成2個相等的光束,一束在信號臂光纖中傳輸,另一束在參考臂光纖中傳輸,外界信號(超聲波)作用于信號臂的光纖繞圈探頭,第2個3 dB耦合器把兩束光再次耦合,兩束光在此發生干涉，然后沿光纖返回直至光敏元件，從而得到電信號，經過信號的解調，還原探測到的外部局部放電相關信號。

圖5 Michelson干涉超聲-光檢測系統

文獻[25]利用此方法在充滿SF6的腔體上測量局部放電，其模擬的局部放電信號的頻率是100 kHz，光纖傳感器系統得到的信號經過快速傅里葉變換后,得到局部放電信號的光譜測試如圖6所示。從圖6可以看出,實際測出的信號在頻率稍高的部分衰減很嚴重，和理論計算有很大差別?？紤]到交聯聚乙烯材料的聲阻大，檢測系統的靈敏度需足夠高。與傳統的UHF高頻脈沖電流傳感器相比，邁克爾遜干涉法的靈敏度不夠高。此外，與壓電超聲波傳感器類似,存在超聲波傳播的多路徑問題[27]。除了檢測到沿最短距離傳播過來的超聲波,還有沿其他路徑傳播過來的振動信號。傳感光纖繞在腔體上的形式和位置都對信號的獲取有著很大的影響。此外，參考臂與信號臂的光路不同，外部振動、溫度等干擾對信號影響很大，給信息的解調與辨別帶來極大的困難。

圖6 邁克爾遜法測GIS局部放電信號光譜

2.2 光纖馬赫-澤德爾干涉（Mach-Zehnder）法

全光纖Mach-Zehnder干涉光-超聲檢測裝置與圖4所示大致相同。系統的工作原理[27-32]：從光源發射出的相干光通過3 dB耦合器分成2個相等的光束,一束在信號臂光纖中傳輸,另一束在參考臂光纖中傳輸,外界信號作用于信號臂的光纖繞圈探頭 (超聲波等擠壓光纖，導致其形變)，第2個3 dB耦合器把兩束光再耦合，并又分成兩束光經光纖傳送到2個探測器中。根據雙光束相干原理，2個光探測器收到的光強分別為

式中，I0為光源發出的光強;α為耦合系數;Φ為信號臂與參考臂之間的相位差,其中包括外界待測信號引起的相位差。式（1）表明Mach-Zehnder干涉將外界信號引起的相位變化變換成了光信號強度變化。信號經過適當的解調，得到局部放電的超聲波振動信號。Mach-Zehnder干涉的解調方法有多種：強度解調法，頻域解調法和相位解調法等。強度解調法對噪聲相當敏感，不易控制；頻域解調法的算法實現比較復雜；本文認為相位解調技術是比較可行的。為了消除光傳輸和光源的不穩定性，相位解調技術分為零差法、外差法，以及基于3×3的光纖耦合器的零差解調法。

1）零差法。零差法包括被動零差（Passive Homodyne）和主動零差（Active Homodyne）,主要區別在于主動零差包括反饋器件，可根據輸出信號對測量系統本身做出主動控制。根據文獻[13]綜合：

式中，I為干涉后的光強；s為傳感器光強對相位變化的靈敏度，當Δφ=nπ時，靈敏度最低；當Δφ時，靈敏度最高。為了使傳感器工作在最高靈敏度狀態，需要使得如圖4中的參考臂和信號臂的相位差始終保持在正交狀態，防止初始相位工作點由于外界環境的微擾,處于不斷的隨機變化中,而給后續的相位調制帶來極大困難。因此，在信號臂受到外界信號調制的時候，需要參考臂不斷調整相位，保證兩臂處于正交狀態。調制參考臂的相位一般使用壓電陶瓷（PZT）驅動電壓改變來達到目的。對于達到300 kHz的高頻振動而言，與光纖光柵法遇到的問題類似,PZT的驅動頻率不夠。

2）外差法。合成外差檢測法的原理和零差檢測法有相通之處，都是對一個頻譜比較復雜的信號進行濾波，提取出2個低頻信號，然后重新合成為一個新的信號，該信號的相位就包含了被測量的信息;和零差法一樣，需要PZT驅動調制，同樣遇到頻率上限的瓶頸，不適合與檢測高頻率的振動信號。

3）基于3×3耦合器的零差解調法?；?×3耦合器的零差解調法是一種比較新的解調技術，是伴隨相位解調技術的發展而發展起來的，其基本光路如圖7所示[31]。

圖7 3×3的光纖耦合器解調方法的原理圖

圖中，激光源發出的相干光經1×2耦合器分成光強比1：1的兩束光，分別進入信號線圈和參考光纖線圈，再經過3×3對稱耦合器匯合相干，形成調制的干涉條紋，在終端采用光電探測器檢測干涉光強的變化。在光纖參量基本恒定的情況下，信號臂與參考臂之間的相位差變化正比于被測光強的變化。但是其信號的解調與提取復雜，實際應用中靈敏度不夠高。

2.3 法布里-帕羅（Febry-Perot）干涉法測局部放電

一塊硅膜與光纖末端就構成了一個F-P腔。如圖8所示，法布里-帕羅（Febry-Perot）干涉光-振動法的整個檢測系統由傳感器探頭、光源、耦合器、光電信號處理器（光敏元件+高速信號處理器）以及單模光纖連接而成，簡稱為F-P干涉法檢測系統。系統的工作原理為[32-35]:從光源發射出的單色光經過3 dB耦合器（環形器），沿著光纖傳入傳感探頭，入射光在光纖纖芯-氣體交界面上發生第1次Fresnel反射,約4%的光反射回光纖,其余約96%的入射光進入腔體，經過鍍有金屬的膜反射后，再進入光纖。可以通過調節薄膜的反射率或傾斜角，使約4%的光反射回光纖，這樣可以在兩束光發生干涉后得到最大的對比度。在耦合器（環形器）處發生干涉，得到的光強為

式中，I0是光源發射光強；R為反射系數；l為光纖末端到硅膜內表面的腔體長度。從式（3）可以看到，干涉后的光強只和腔長有關，當外界的超聲振動信號通過硅膜調制腔時，輸出的光強發生變化，經過信號解調，可以得到超聲振動信息，從而得到局部放電的狀態。

圖8 法布里-帕羅（Febry-Perot）干涉光-振動檢測系統

F-P干涉法相比于另外2種干涉法最大的優點：1）由于信號光（從薄膜反射的光）和參考光（由光纖端面反射的光）經過完全相同的傳輸路徑，光纖沿線的擾動同時作用到信號和參考光，不會影響到測量結果，測量只受F-P腔長的影響。2）由于干涉儀的關鍵部分是空氣腔，光在其中傳輸時偏振態不會發生變化，信號光與參考光的偏振態一致，能夠達到最大的干涉對比度。3）靈敏度高，方向性好，抗干擾能力強。能抑制超聲振動多路徑傳播帶來的影響。4）F-P干涉檢測系統的探頭微小，如圖9所示?？梢宰鳛橐环N點式傳感器。對XLPE電力電纜在線監測的重點部位，例如對終端、中間接頭、交叉互聯箱等，F-P傳感器探頭可以很方便地安裝在電纜的這些重點部位，進行局部放電的檢測。

圖9 法布里-帕羅（Febry-Perot）干涉光-振動傳感頭

此外，F-P光-振動法的檢測頻帶較寬。XLPE電纜局部放電時產生的超聲波的能量集中在50 kHz至400 kHz頻段，其峰值頻率主要在70~200 kHz之間，而現場超聲波噪聲干擾頻率大多低于60 kHz，所以檢測系統的頻率選定為60～300 kHz比較合適。相比于馬赫-澤德爾干涉法，F-P干涉法的檢測頻率是可調的。

根據文獻[35]研究表明，F-P干涉法的響應頻率決定于F-P腔的硅膜。如式（4）所示

式中，α是與振動模式相關的常數；R是腔室內徑；h為膜的厚度；g為重力常數；w是膜片的質量；D為剛性曲度，是與材料相關的常數。由此可知，系統的響應頻率與膜的厚度成正比關系，與膜的面積成反比關系，可以根據不同頻率特性的局部放電來調整設計F-P檢測系統。

3 結語

XLPE電力電纜局部放電產生電磁、光、聲波等信息，本文結合光學方法討論如何通過測量這些信息，從而得到局部放電狀態。從光本身的波長、強度、偏振態、相位、頻率等特性出發，結合局放特性分析，比較了直接探測可見光法、電磁效應法、光-振動法等幾種測量方法，重點討論了用光纖干涉法測量局部放電超聲振動信號，即光-振動法。

文章分析了邁克爾遜（Michelson）干涉、馬赫-澤德爾（Mach-Zehnder）干涉、法布里-帕羅（Febry-Perot）干涉這3種光干涉法得出結論：法布里-帕羅（Febry-Perot）干涉法測局部放電優點突出，有很顯著的應用價值。而法布里-帕羅（Febry-Perot）干涉法在當今國際上仍處于實驗室階段，國內的相關研究剛起步。對于XLPE電力電纜局部放電測量而言，超聲-干涉光檢測作為一種新的非電量檢測法，鑒于其自身的特點，隨著電力系統對XLPE電力電纜可靠性要求的不斷增長，將會有很大的發展空間。今后可以將其運用于局部放電實際檢測和定位,特別是在多種復雜的電磁干擾環境中,如公路下方、變電站出口等，光-振動法據有良好的抗干擾性能。本文認為此方法的研究前景廣闊，并將對其進行深入研究。

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