油紙絕緣系統局放光纖傳感檢測方法

吳巧巧　周志強　陳文　鄧建鋼　皮本熙　張偉超　張濤

摘要：為解決傳統聲測法所用壓電陶瓷傳感器的電磁干擾問題，設計一種光纖法一珀傳感器檢測局放超聲波信號，并提出采用聲波能量開方值表征局放量大小相關性的方法，根據彈性力學原理分析圓形膜片的振動特性后，研究并制備非本征光纖法一珀超聲波傳感器，利用板一板電極系統為局放源，組建光纖傳感器、壓電陶瓷傳感器和脈沖電流法同時檢測的局放實驗系統，實驗結果表明，所制備光纖傳感器與壓電陶瓷傳感器具有相近靈敏度，聲波傳感器信號幅值、能量開方值分別與局放量大小進行相關性分析得出，光纖波傳感器和壓電陶瓷傳感器檢測信號的能量開方值與局放量大小的相關系數高于聲波幅值與其相關系數0.1左右，

關鍵詞：局部放電檢測；聲測法；光纖傳感；超聲波傳感器

DOI：10.15938/j.jhust.2016，04.018

中圖分類號：TM855

文獻標志碼：A

文章編號：1007—2683（2016）04-0096-05

0引言

局部放電是電力變壓器絕緣老化破壞的重要原因之一，因此通過檢測局部放電的劇烈程度是對電力設備絕緣狀態判斷的一種有效手段，由于局放過程伴隨著電、光、聲和熱現象的發生，是一個復雜的物理化學過程，采用電學、化學和聲學的檢測方法被國內外學者廣泛研究，最為傳統和經典的脈沖電流檢測法可對局放視在電荷量進行準確的定量測量，長期來一直應用在電力設備出廠檢驗等領方面，但其容易受到電磁干擾影響僅適用于離線檢測，油相和氣相色譜等化學檢測方法也已在電力變壓器的在線監測中實際應用的案例，但由于化學變化的發生往往需要較長時間，在局放發生一段時間后方能測得具有時間的滯后性，超聲測量方法可避開電力設備運行現場的電磁干擾，成為油浸變壓器局部放電在線監測的一種有效手段，上世紀50年代已有學者提出利用壓電陶瓷傳感器（PZT）檢測局放聲輻射信號的方法，近些年有眾多學者相繼開展相關研究，但PZT傳感器是通過粘貼于設備外壁方式進行檢測，器壁容易造成聲波衰減，另外，PZT傳感器的工作電路和信號傳輸線路難以避免高功率密度電磁環境的干擾，

光纖傳感器具有靈敏度高、抗腐蝕、體積小巧、利于置入測試環境特點¨引，特別是針對液體絕緣介質中的局放檢測應用中，光纖傳感器具有電絕緣和抗電磁干擾的優點成為局放檢測的理想選擇，近些年有關利用光纖傳感器進行局部放電檢測研究成果被多次報道，但是主要集中在實驗成果的發表，而對傳感器設計過程論述較少，本文根據彈性力學基本原理，分析FP傳感器膜片結構參數對其一階固有頻率和圓心位移靈敏度的影響，最終設計并試制可有效檢測局放聲發射信號的FP傳感器，利用PZT、FP和脈沖電流法搭建聯合檢測平臺，對比分析PZT傳感器和FP傳感器測得聲信號幅值和聲波能量開方值與脈沖電流法測得脈沖信號相關性關系，

1.傳感器設計及制備

根據光纖多光束干涉原理，如圖1所示為法珀傳感器的基本基本結構，石英膜片內側和光纖跳線端面鍍以50%反射率的反射膜，在支撐結構下封裝而成法一珀腔，人射激光經光纖傳輸至跳線端面處，50%功率被反射回光纖中，另50%透射光經折射率為1，O的空氣后被鍍有反射膜的石英膜反射，經兩個膜片反射的反射光形成干涉，法一珀傳感器反射光強可表示為。

利用Matlab軟件根據式（1）仿真可得，FP傳感器的光譜曲線呈類正弦規律分布，如圖2所示，

所設計傳感器中石英膜片是聲光轉換的核心部件，其振動特性決定傳感器聲波檢測的效果，根據彈性力學原理，圓形薄片受迫振動時的一階固有頻率和膜片圓心位移可分別表示為。0.17；g為重力加速度，

根據式（2）和式（3），可得如圖3（a）為膜厚100I，Lm時一階固有頻率和膜圓心處的位移靈敏度隨半徑的變化，圖3（b）為膜片半徑為1，25 mm時一階固有頻率和膜中心位移靈敏度隨膜厚度的變化，可見，半徑不變，膜片中心位移靈敏度隨厚度增加而降低，一階固有頻率隨厚度增加而變大；厚度不變，圓膜中心位移靈敏度隨半徑增加而提高，一階固有頻率隨半徑增加而變小，本文制備的石英玻璃膜片厚度100um，有效半徑1，25 min，理論計算的中心的位移靈敏度為0，0061 nm/Pa，一階固有頻率175 kHz

2.局放檢測實驗及分析

利用直徑為5cm兩塊圓形銅板制作板一板電極，在兩板間放置厚度為1mm的紙板，電極結構如圖4所示，

鐵制油箱中充滿變壓器絕緣油，將板一板電極置于鐵箱中，電極兩個極板分別與可調高壓電源的輸出端和地相連，在油箱內距離板一板電極15 cm處的絕緣油中利用支撐結構架設FP超聲波傳感器，構建局放檢測實驗平臺，為監測局放發生劇烈程度，將脈沖電流檢測系統接人實驗平臺，同時將PZT傳感器粘貼于鐵箱外壁與FP傳感器檢測進行對比研究，所構建局放檢測實驗平臺結構如圖5所示，

板一板電極局放發生時，脈沖電流檢測系統和超聲波傳感器同時檢測不同放電量下的局放信號，如圖6所示，是檢測系統測得局放信號時域波形圖，其中三個通道分別對應脈沖電流法脈沖信號，PZT測得聲波信號和光纖FP傳感器測得的聲波信號，可見，光纖FP傳感器和PZT同時有效測得了局放的聲發射信號。

超聲波信號能量是一種彈性波形式能量，如果傳感器測得電壓信號幅值為V（t），檢測系統的輸入阻抗為R，則聲波能量可表示為：

將檢測系統測得不同局放放電量下的多次檢測結果，分別計算PZT傳感器和光纖FP傳感器的能量開方值，如表l所示是10次局放測試的脈沖電流幅值、FP傳感器和PZT傳感器所測得的聲信號幅值和能量開方值，

圖7（a）、（b）分別是PZT傳感器和FP傳感器與脈沖電流法測得脈沖幅值信號的對應關系圖，計算PZT和FP傳感器與脈沖幅值的Pearson相關系數分別為0.826 65和O.860 74，圖8（a）、（b）分別是PZT傳感器和FP傳感器測得聲波信號能量開方值與脈沖電流法測得信號幅值的對應關系圖，分別計算兩者的Pearson相關系數分別為O.94786和0.930 31，可見，利用PZT和FP傳感器測得聲信號能量開方值與脈沖電流法測得脈沖信號幅值的相關性均優于兩者幅值信號與脈沖電流法測得脈沖信號幅值的相關性。

3.結論

利用鍍有反射膜的石英膜片與光纖插芯設計厚度100啪，有效半徑1，25 mm的非本征法一珀超聲波傳感器，利用PZT傳感器、脈沖電流法和FP傳感器同時檢測板一板電極局放聲信號，實驗結果表明，自制FP傳感器可有效檢測板一板電極系統局放聲發射信號；PZT與FP傳感器檢測超聲波信號與脈沖電流法檢測結果無嚴格的線性關系，但具有一定的相關性，且傳感器測得聲波信號能量開方值與脈沖電流幅值的相關性系數高于聲波信號幅值與脈沖電流幅值的相關性系數0.1左右。