光學電場傳感技術在絕緣子特性檢測中的應用研究

周洪毅，張 朋，李云龍，李志斌，孫海明，周 揚

(1.國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030；2.國網黑龍江省電力有限公司物資公司，哈爾濱 150091)

光學電場傳感技術在絕緣子特性檢測中的應用研究

周洪毅1，張 朋1，李云龍2，李志斌1，孫海明1，周 揚1

(1.國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030；2.國網黑龍江省電力有限公司物資公司，哈爾濱 150091)

為了將光學電場傳感技術應用到絕緣子的劣化研究中，基于pockels效應設計了一套可解決現有劣質絕緣子需停電接觸式檢測、受溫濕度影響大等不足的新型光學傳感檢測系統，具有可在線不接觸檢測、操作簡便、準確性和效率高等優勢，并通過仿真和實測分析驗證了所設計系統的可行性。研究結果表明，光學電場傳感檢測系統可實現高壓環境下絕緣子劣化的帶電非接觸式測試，對解決高壓環境下絕緣子的不接觸式檢測難題具有重要指導意義。

光學電場傳感技術；絕緣子；帶電檢測

近年來，隨著超高壓及特高壓交直流工程的不斷發展，絕緣子[1]運行在更高的電壓等級下，其絕緣性能下降及發生故障的概率顯著增加[2-3]，會造成絕緣子炸裂而導致線路掉線，嚴重威脅電網安全運行。高壓領域的絕緣子特性檢測主要圍繞接觸式和停電檢測兩個方向[4]，由于接觸式檢測安全系數低，易受外界環境影響，而停電檢測耗費大量人力物力，影響系統效率[5]，因此亟需開展帶電絕緣子非接觸式在線檢測方面的研究。光纖電場傳感技術能夠在高壓環境下不受電磁場干擾，在不接觸到絕緣子金具端的條件下在線測量絕緣子串電場分布[6]，從而實現劣化絕緣子的定位，克服了現有劣質絕緣子需帶電接觸式檢測的不足，極大地提高了劣化絕緣子的檢測效率[7]。本文從在線非接觸式絕緣子劣化檢測的角度出發，針對當前檢測中存在的各種缺點，設計了光學電場傳感檢測系統，提高了絕緣子特性檢測的易操作性和準確性。光學電場傳感檢測系統能用于檢測絕緣子運行狀態，而且不會短路良好絕緣子，并通過仿真和實測分析驗證了該系統的有效性。

1 技術原理

1.1 檢測原理

由于絕緣子性能下降時其絕緣電阻降低，其表面電壓及內、外電場重新分布，因此可以通過電場測量的手段來表征絕緣子的劣化情況[8]。根據電磁場理論，變化的電場伴隨著變化的磁場，此時絕緣子周圍將產生一個時變電磁場，絕緣子等效成形狀不規則的不均勻電介質，此時絕緣電阻阻值仍然較高，只流過及其微弱的泄漏電流，并不會對電場分布造成明顯影響，可忽略不計。絕緣子的特性檢測問題可等效為求解在時變電磁場中不規則、不均勻電介質的電場分布問題。

絕緣子的電場分布如圖1所示。在圖1中，良好絕緣子軸向電場分布曲線光滑上升，如曲線B；低值或零值絕緣子，在故障處電位固定，電位的變化率拉低至零，場強驟然降低，該特變奇點破壞了場強連續性，電場分布曲線也不再光滑，而是在相應的位置上下陷，如曲線A。當故障漸變嚴重時，曲線更加下凹，最終絕緣子損壞。通過測量絕緣子串每個絕緣子的場強，得到電壓分布曲線，經分析判斷，便可確定絕緣子的缺陷位置。

圖1 絕緣子電場分布圖Fig.1 Electric field distribution of insulators

1.2 Pockels效應

晶體的折射率隨外加電場強度變化發生改變，場強變化可以通過光強變化表征出來，即電光效應。折射率與場強的關系為

n=n0+αE0+bE02

(1)

式中：a和b為常數；E0為一次場強基準；n0為E0=0時的折射率。一次場強aE0引起的晶體折射率變化，即一次電光效應或Pockels效應。晶體上的電場方向與光的傳播方向垂直時產生的Pockels

效應，稱為橫向Pockels效應，如圖2所示。

入射光通過起偏器后轉化為振動方向平行于X軸的線偏振光，光通過晶體后發生雙折射，相位偏移，經1/4波片轉化為圓偏振光，再經檢偏器轉化為平行于Y軸的線偏振光，相位變化轉化為光強變化，從而反映電場變化，進而實現對絕緣子的非接觸式在線檢測。

2 系統設計

2.1 光電傳感器的研發

2.1.1 光源的設計

光源需要考慮的相關指標包括光功率和壽命。在光功率足夠大時，一方面降低了耦合工藝的要求，另一方面也簡化了光電探測和放大電路設計，由于雜散光和外界光的影響可以在光功率超過1mW以后變得可以忽略不計，因此ASE光源較LED光源更適合遠距離光纖傳輸和空間光的直接耦合測量。當設備應用于戶外時，使用電池供電，在模塊化的光源中ASE光源的自身功耗比LED光源大得多。

綜上所述，LED光源使用壽命較長，其中心波長受溫度及工作電流影響較大，容易引起相位延遲和精度偏差。ASE光源極大地提高了光功率和穩定性，本文實驗即采用ASE光源。

2.1.2 感應材料的設計

電光效應傳感器的感應材料直接決定傳感器的穩定性和靈敏度。折射率越大，電光系數越大，晶體靈敏度越高。大多數晶體不僅具有電光效應，還同時伴隨著熱釋電效應、旋光性、雙折射等干擾效應，從而破壞了傳感器的穩定性。BGO、BSO、KDP晶體無上述干擾效應，可以作為感應材料。其中，BGO晶體光學性質穩定，介電常數小，已實現大規模工業化，不含任何金屬，對空間本身電場的影響可以忽略，是本實驗選取的感應材料。

2.1.3 起偏器的設計

圖2 晶體橫向Pockels效應原理圖Fig.2 Schematic diagram of crystal lateral Pockels effect

理想無偏振光源不需要使用起偏器，實際光源輸出光有一定偏振度。經過一段距離的單模光纖傳輸后，最終輸出準直透鏡時變成有一定偏振度并且偏振方向不確定的光。如果傳輸距離比較遠，無法避免光纖抖動影響時，就必須加入起偏器，而且消光比越高越好。

2.1.4 1/4λ玻片的設計

玻片在需按照正方形來制作，其對角線的方向就是長短光軸，要保證將玻片的邊緣貼緊玻璃基板，從而保證方向正確。

2.2 檢測系統的設計

絕緣子劣化檢測系統結構如圖3所示。在圖3中，電場測量儀1通過光纜2與無源電場探頭相連；固定件3與橫桿8安裝在垂直桿塔7上，絕緣桿能沿絕緣子垂直方向自由移動，絕緣子串9的零電位側固定在絕緣桿上；將無源電場探頭5固定在絕緣桿4上，輸電線6連接高壓端，保證電場探頭能沿絕緣子軸向在高壓端和零電位端之間作往返直線運動。

圖3 光電傳感帶電檢測系統結構示意圖Fig.3 Structure diagram of opticalelectric field sensing live detection

3 仿真分析

通過仿真分析可以獲得理想狀態下的劣化定位和實際劣化的關系，本文基于光電傳感檢測系統結構，建立了含有中間零值絕緣子的220kV瓷絕緣子串三維靜電場模型，系統主要包括聯接金具、導線、均壓環、瓷絕緣子串等。整個系統被兩個空氣體包圍，第一層空氣體為長9m、寬1.5m、高6m的長方體；第二層空氣體為長39m、寬27m、高22m的長方體，用來模擬試驗大廳環境。15片雙傘單串懸式瓷絕緣子串高度為160mm，盤徑為250mm，上下傘片外沿距50mm，傘片內沿距10mm，傘厚10mm。在四分裂導線中部懸掛絕緣子串進行試驗，導線長為8.4m，分裂間距480mm，子導線直徑為27.37mm。導線布置時與大廳的長30m邊平行，離地5m。試驗中均壓環安裝在導線頂部，均壓環中心距上導線為290mm，管直徑為46mm，圓環部分內直徑為490mm，直線部分長為595mm。對最上端絕緣子帽、聯接金具、導線和均壓環加載高壓Um=220/1.732=127.017 kV，對最下端絕緣子鋼腳和試驗大廳6個外立面加載0電位。絕緣子傘裙介電常數取6，電場強度量綱為kV/m。整體電場仿真結果如圖4所示，良好絕緣子和中間零值絕緣子的場強仿真結果如表1所示。

圖4 整體電場分布Fig.4 Integral electric field distribution表1 兩種絕緣子的場強仿真結果Table 1 Field intensity simulationresults of two types of insulators

絕緣子串長度/m良好絕緣子合成電場/(kV.m-1)中間零值絕緣子合成電場/(kV.m-1)078780.290900.468680.656560.848481.040321.234161.432281.630301.829292.031312.236362.44444

仿真結果表明：良好絕緣子整體軸向電場強度均勻變化，兩端電壓較中間高；有缺陷的絕緣子在缺陷部位場強驟降，絕緣子缺陷引起的空間電場的變化率隨測試距離的增加而越小，仿真結果與理論分析一致。

4 應用情況

本文設計的光學電場傳感檢測系統于2017年3月27日在國網黑龍江省電力公司某220kV輸電線路上進行應用，現場測試如圖5所示。在圖5中，傳感器無需直接接觸絕緣子串，不受周邊復雜電磁環境的干擾，通過一次光電效應實現絕緣子場強的光學反映。經現場實際測試發現，測量雙I串時，測試靠近測試人員一側絕緣子串時，比較好操作；當測試遠離測試人員一側絕緣子串時，比較難操作，導致曲線不是特別的光滑，并不影響對絕緣子劣化程度的判定。根據實際測試結果分析，該光學電場傳感系統能夠方便有效地測試絕緣子串的場強分布，從而反映絕緣子的電氣特性。測試結果如圖6所示。從圖6可以看出，良好絕緣子串和零值絕緣子串測試結果差異明顯，A相東向左串絕緣子電場分布曲線光滑上升，而A相西向右串絕緣子電場分布曲線在缺陷處有明顯畸變，與仿真分析結果一致。該實測結果證明了使用光傳感器絕緣子劣化檢測系統進行線路絕緣子劣化檢測可以清晰有效地判別絕緣子的劣化及缺陷位置，有較高的實用價值。

圖5 光電傳感系統現場測試圖Fig.5 Field detection scheme of optical electric sensingsystem

圖6 A相絕緣子串數據曲線Fig.6 Data curves of phase A insulator string

5 結 語

本文通過分析劣化絕緣子電場分布特征，設計了絕緣子劣化測試的光電傳感系統，利用純光學無源器件實現敏感信號拾取，用光學鏈路進行敏感信號及控制信號傳輸，實現了電效應與光效應的合理轉化，拓展了光學電場傳感器的應用領域。仿真結果和實測分析表明，該系統可實現高壓環境下絕緣子劣化的帶電非接觸式測試，有利于電網“劣化絕緣子檢測”管理，增加了經濟與社會效益，避免了因絕緣子劣化引起的電氣故障造成的經濟損失。

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On the application of optical electric field sensing technology in insulator characteristic detection

ZHOU Hongyi1，ZHANG Peng1，LI Yunlong2，LI Zhibin2，SUN Haiming1，ZHOU Yang1

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd., Harbin 150030, China;2. Materials Company of State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd., Harbin 150091, China)

In order to apply the optical electric field sensor technology to the degradation research of insulator, a new type of optical sensing detection system based on Pockels effect is designed to solve the problem that the existing low-quality insulators need contact detection with power failure and are affected by temperature and humidity to a large extent. The new system enables the advantages including online detection without contact, handy operation, high accuracy and high efficiency. By simulation and experimental analysis, The feasibility of the designed system is verified. The results show that the optical field sensing detection system can realize the non-contact detection of the insulator degradation under high pressure environment, which is of great significance to solve the non-contact detection problem of the insulator under high pressure.

optical electric field sensing technology; insulator; live detection

2017-06-09；

2017-10-25。

周洪毅(1985—)，男，工程師，主要從事電力系統及自動化研究工作。

TM855

A

2095-6843(2017)06-0527-04

(編輯侯世春)