基于納米纖維傳感技術的電力設備現場安全檢測

摘 要：為進一步提升電力施工現場安全檢測準確率，提出高靈敏度納米纖維光纖傳感器，用于感知氣體絕緣開關設備（GIS）中局部放電。實驗結果表明，不同靜電放電電壓條件下，12 cm和14 cm長的納米纖維檢測時間均小于8 cm納米纖維，應選擇長度為12 cm的納米纖維傳感器。與水凝膠傳感器相比，納米纖維光纖傳感器對局部放電信號更加敏感，最大靈敏度為120 dB，較水凝膠傳感器增加26.31%。納米纖維光纖傳感器的平均檢測限約為0.26 Pa，而水凝膠傳感器的平均檢測限為1.81 Pa，較納米纖維光纖傳感器增加591.15%。納米纖維光纖傳感器可有效識別電力設備局部放電。

關鍵詞：傳感器；納米纖維；電力設備；現場安全；局部放電檢測

中圖分類號：TQ342 + .82 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0101-04

On-site safety detection of power equipment based onnanofiber sensing technology

CHEN Jie，JIANG Chen，WAN Hao，CAO Haoran，CHENG Jianan，

PAN Jingjuan，SHI Yuan

（Nantong Power Supply Branch，State Grid Jiangsu Power Co.，Ltd.，Nantong 226000，Jiangsu China）

Abstract：In order to further improve the accuracy of safety detection at power construction sites，a high-sensitivitynanofiber optical fiber sensor was proposed to detect partial discharge in gas-insulated switchgear （GIS）. The exper?imental results showed that the detection time of 12 cm and 14 cm long nanofibers was less than that of 8 cm nanofi?bers under different electrostatic discharge voltages，and the nanofiber sensor with a length of 12 cm should be se?lected. Compared with the hydrogel sensor，the nanofiber fiber sensor was more sensitive to partial discharge sig?nals，with a maximum sensitivity of 120 dB，which was 26.31% higher than that of the hydrogel sensor. The averagedetection limit of the nanofiber fiber sensor was about 0.26 Pa，while that of the hydrogel sensor was 1.81 Pa，whichwas 591.15% higher than that of the nanofiber fiber sensor. Nanofiber fiber optic sensors can effectively identify par?tial discharges of power equipment.

Key words：sensors；nanofibers；power equipment；on site safety；partial discharge detection

局部放電是高壓電力設備運行中最常見的問題之一，連續的局部放電會使設備的絕緣性能惡化 [1] ，最終導致絕緣擊穿，影響電力設備現場施工過程中的安全性。局部放電會產生脈沖電流、電磁波、超聲波等 [2] 。可以通過上述現象測量局部放電，目前局部放電測量方法主要包括脈沖電流法、超高頻（UHF）法、聲發射法和光學檢測法 [3] 。光學檢測方法具有抗電磁干擾、靈敏度高、體積小、電絕緣等諸多優點 [4] 。

如研究超聲波融合光纖傳感器，用于檢測電力變壓器局部放電事件誘發的微弱壓力波 [5] 。提出邁克爾遜光學傳感器，用于檢測電力變壓器和氣體絕緣開關設備（GIS）中感應的局部放電信號 [6] 。而大多數傳感器的放電檢測研究主要針對電力變壓器的局部放電，而聲信號在電力設備的衰減遠高于其他設備。因此，需要進一步提高光纖傳感器靈敏度。

1 納米纖維傳感器在電力設備現場安全檢測中的應用

1.1 納米纖維傳感器制備

使用高精度切割器切割長度為8、12、14 cm纖維兩端，并使用纖維拼接器將切割好的納米纖維與單模纖維（SMF）拼接，使用納米纖維作為傳感纖維。納米纖維由內徑為30 nm的空心芯和厚度為55 μm的環形包層組成。用純酒精清洗納米纖維，并用2個夾子固定纖維的兩端，使納米纖維處于應變狀態，且為提高不同長度納米纖維傳感器的抗干擾性能，使用等離子增強型化學氣相淀積技術在納米纖維表面覆蓋厚度為20 μm的聚酰胺層，聚酰胺層在350 °C的氮氣環境中固化60 min [8] 。

為進一步提高納米纖維傳感器的檢測準確率，利用紫外激光微加工制造和濕化學蝕刻，將納米纖維光纖的一部分蝕刻成錐形。將涂有聚酰胺的納米纖維光纖固定在石蠟支架上，并浸入氫氟酸（HF）中，進一步保留納米纖維光纖中的聚酰胺涂層。將沒有聚酰胺層的納米纖維的圖案化區域在HF中蝕刻1 h [9] ，并使用濕化學蝕刻去除納米纖維包層。同時應注意納米纖維光纖的微加工區域應與石蠟支架上的燒杯壁保持一定的空間間隔，以確保方位對稱蝕刻 [10] ，從而避免雙折射效應和偏振。

1.2 傳感器安全檢測影響參數研究

納米纖維光纖傳感器材料在電力施工現場安全檢測中，傳感器不僅會受到相鄰電力設備電壓與電流的干擾，同時會受到線圈尺寸和線圈聲阻抗的影響，因此，通過建立電力設備聲壓和輸出電壓信號模型，進一步研究納米纖維光纖傳感器線圈尺寸和線圈聲阻抗對靈敏度、檢測限等傳感參數的影響。

當聲波從電力設備傳播到納米纖維傳感器的線圈時，會發生反射和折射。傳輸系數由2種介質的阻抗決定，其系數為 [11] ：

將納米纖維光纖傳感器耦合在電力設備鋼塊的上表面。同時，使用頻率響應平坦、帶寬寬的水凝膠傳感器（輸入為正弦波，頻率在20 kHz至100 kHz內增加，步長為10 kHz）作為對照組 [17] 。納米纖維光纖傳感器和水凝膠傳感器用支架固定在相同距離（0.1 m）的相反方向上，用示波器記錄水凝膠傳感器信號。試驗中，分別使用鋼制和尼龍圓筒線圈制作納米纖維光纖傳感器。2個傳感器的其他參數均相同。實驗中使用的線圈高度為20 mm，半徑為15 mm [18] 。

由于納米纖維光纖傳感器和水凝膠傳感器對稱布置，因此安裝納米纖維光纖傳感器和水凝膠傳感器2個位置上的聲信號是相同的，可以根據水凝膠傳感器的頻率響應計算納米纖維光纖傳感器的頻率響應R OS （f），如式（8）所示：根據式（10）可知，線圈高度 h 決定納米纖維光纖傳感器靈敏度的相移靈敏度。而靈敏度一般隨納米纖維半徑 r 的增大而增大，并存在傳感器靈敏度最低的共振頻率，而共振頻率取決于納米纖維半徑。由于零階貝塞爾函數存在零點，而 r 總是大于零，因此在作為 J 0 根的K r 處，頻率響應的靈敏度最低，則零階貝塞爾函數的第一個零點為2.404 8。因此，諧振頻率f 0 可以計算為：

式中：設定光纖中 V a 聲波的速度為3 700 m/s。

2 結果與討論

2.1 檢測環境

在126 kV電力氣體絕緣開關設備（GIS）中進行局部放電（PD）檢測實驗，以研究傳感器的檢測性能。

將一個直徑為0.25 mm、長度為 8 mm的鋁制小顆粒放置在GIS的外殼內，以產生局部放電。GIS導體的外徑為117 mm，外殼的內徑為260 mm。GIS室中的氣體壓力為0.4 MPa。納米纖維光纖傳感器和水凝膠傳感器安裝如下：（1）將安裝傳感器的地方平整；（2）用丙酮和干凈抹布擦拭干凈； （3）使用超聲耦合劑粘接外殼和傳感器，以便超聲波能量穿過。從局部放電源到2個聲學傳感探頭的距離相同。納米纖維光纖傳感器和水凝膠傳感器信號都用2個相同類型的放大器（40 dB，10 kHz～2 MHz帶寬）進行放大，并用示波器記錄放大后的信號。

2.2 不同長度纖維傳感器檢測時間變化

不同納米纖維光纖傳感器的長度會對檢測性能有一定影響。實驗結果如圖1所示。

由圖1可知，不同納米纖維光纖長度的檢測時間均隨電力設備放電電壓數值增加而下降，8 cm納米纖維檢測時間最長，最大檢測時間為85 ms，最小檢測時間為25 ms，而不同靜電放電電壓條件下，12 cm和14 cm長的納米纖維檢測時間均小于8 cm納米纖維。當電力設備放電電壓為12 V時，納米纖維長度12 cm和14 cm的檢測時間分別為15 ms、19 ms，較納米纖維8 cm分別降低40%、24%。且12 cm長的納米纖維測的檢測時間遠小于14 cm長的納米纖維。因此，納米纖維光纖傳感器不宜過長，應選擇長度為12 cm的納米纖維傳感器。

2.3 傳感器靈敏度變化分析

檢測電力設備的局部放電效果，測試結果如圖2所示。

由圖2可知，在80 kHz至200 kHz 的頻率范圍內，納米纖維光纖傳感器的平均靈敏度是水凝膠傳感器的0.28倍。最大靈敏度為120 dB，較水凝膠傳感器增加26.31%，且納米纖維光纖傳感器最小靈敏度為90 dB，遠大于水凝膠傳感器最小靈敏度。

2.4 傳感器檢測限變化分析

最小檢測限是納米纖維光纖傳感器感知局部放電的一個重要指標，是局部放電信號源中，與噪聲區分的最低放電超聲波信號量。實驗結果如圖3所示。

由圖3可知，在80 kHz至200 kHz頻率范圍內，納米纖維光纖傳感器的平均檢測限低于水凝膠傳感器。納米纖維光纖傳感器的平均檢測限約為0.26 Pa，而水凝膠傳感器的平均檢測限為1.81 Pa，較納米纖維光纖傳感器增加591.15%。且可以觀察到，水凝膠傳感器的檢測限變化范圍較大，變化范圍為0.09～5.2 Pa，而納米纖維光纖傳感器的檢測限變化范圍為0.05～0.5 Pa，最小檢測限不僅變化范圍變化小，且檢測限變化幅度較低，進一步表明在不同頻率的放電超聲波信號量中，最小檢測限均小于0.5 Pa，可有效檢測到較弱的放電信號，提高電力設備現場施工安全檢測效率。

3 結語

（1）不同納米纖維光纖長度的檢測時間均隨電力設備放電電壓數值增加而下降；

（2）在80 kHz至200 kHz 的頻率范圍內，納米纖維光纖傳感器的平均靈敏度是水凝膠傳感器的0.28倍。

與水凝膠傳感器相比，納米纖維光纖傳感器對局部放電信號更加敏感；

（3）在不同頻率的放電超聲波信號量中，納米纖維光纖傳感器最小檢測限均小于0.5 Pa，可有效檢測到較弱的放電信號，提高電力設備現場施工安全檢測效率。

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（責任編輯：蘇 幔）