郭少朋;韩立;徐鲁宁;高莹莹
【摘 要】随着电力系统容量的增大,电压等级的提高,电力系统的稳定运行显得更加重要.绝缘问题是导致电力设备故障和事故的主要原因之一,通过局部放电监测可以提前判断电力设备绝缘状况、发现绝缘缺陷.目前已经有多种局部放电检测方法,光纤传感器具有安全、绝缘和抗电磁干扰等优点,适合安装在设备内部进行在线监测.内置式光纤传感器可准确定位故障源,具有发展前景.文中首先对局部放电的常规测量方法、原理参数及优缺点进行了概述,然后介绍了基于超声波、氢气、荧光和紫外光检测的光纤传感器,详述了基于超声波检测的光纤传感器的研究进展,分析了研制光纤传感器的关键参数和应用问题,最后预期了光纤传感器的发展趋势.%The power system stability was emphasized with the increase both of the power capacity and the voltage level.The insulation failure is a main reason resulted in the disaster of the power equipments.The insulation condi-tion of the power equipments could be assessed and some insulation defects could be found previously by partial dis-charge detection.Among many types of methods applied in partial discharge detection, fiber optic s
ensors are suit-able to be installed inside the power equipments attributed to their characters of insulation, safety, free to electro-magnetic interference, and would develop more potentially for the merit of positioning the partial discharge source accurately.In this paper, firstly, the conventional methods, theories and characters about the partial discharge de-tection were summarized.Next, the fiber optic sensors based on ultrasonic sound, hydrogen, fluorescence and ul-traviolet light detection were reviewed.The research progress of the ultrasonic fiber sensors was specified.Then, the key parameters and practical problems of the ultrasonic fiber sensors were analyzed.Finally, the development trend of the fiber optic sensors was anticipated.
【期刊名称】《电工电能新技术》
【年(卷),期】2016(035)003
【总页数】8页(P47-53,80)
【关键词】局部放电;光纤传感器;超声波传感器;法布里-珀罗;综述
【作 者】郭少朋;韩立;徐鲁宁;高莹莹
【作者单位】中国科学院电工研究所,北京100190;中国科学院大学,北京100049;中国科学院电工研究所,北京100190;中国科学院电工研究所,北京100190;中国科学院电工研究所,北京100190
【正文语种】中 文
【中图分类】TP216.1;TM835.4
汤芳艳图
绝缘体中放电只发生在局部区域，而没有贯穿施加电压的导体之间，这种现象称之为局部放电。局部放电的破坏机理是强电场下电介质电离出电子，电子轰击电介质材料，进一步扩增轰击电子的数目[1]。局部放电中的电子轰击、热、紫外光和生成的腐蚀气体对绝缘材料产生综合的破坏作用，根据这些现象可以对电力设备中的局部放电进行检测[2]。光纤传感器具有绝缘、安全、抗电磁干扰和易于实现在线检测等优点，在高电压电力设备中具有较好的应用前景。
局部放电常规检测方法性能对比见表1。常规脉冲电流检测法是通过检测变压器套管末屏接
地线、外壳接地线、中性点、铁心接地线以及绕组中由于局部放电引起的脉冲电流，获得视在放电量，测试频率范围为30kHz～1MHz[3]。 射频法通过电容传感器、Rogowski线圈和射频天线传感器等测试高频局放电流信号，测试频率通常可达1～30MHz[3,4]。
设备内部发生局部放电时，因壳体表面电流对地传播，在壳体表面可产生几个毫伏至几伏的暂态对地电压，通常采用电容传感器测量暂态对地电压，测量频率范围为1～100MHz。暂态对地电压法多用于高压开关柜和电缆的检测。
超高频法测试局放电磁波的频段为300MHz～3GHz，可以避开现场电晕等背景干扰。超高频法采用时差法进行定位时，对时间精度要求很高，定位难度较大，与超声波法结合使用具有较大的优势[5]。
化学检测法是指对局部放电的气体生成物进行检测。油绝缘设备常采用三比值法，即根据C2H2/C2H4、CH4/H2与C2H4/ C2H6的比值来判断故障类型和局部放电是否发生。SF6内局部放电的生成物为SOF2、SO2F2和SO2等[6]。化学检测法较稳定，但实时性较差。
wwer采用紫外光成像和红外热像仪可以快速对电力设备外围及线路进行局部放电监测，排除实验环境及设备表面缺陷干扰，但是难以用于设备内部检测。
IEEE标准建议变压器局部放电的超声波测试频率在20～500kHz之间[7]，从噪声干扰及灵敏度方面考虑，通常采用的压电超声传感器测试频率在50～300kHz，中心频率在150kHz[8]左右。超声波定位成本低，准确度高。可采用压电传感器贴于变压器等设备外壳上进行定位测量，该方法较成熟，但是存在外壳对声波的衰减和传输多路径问题[9]。近年可内置于电力设备中的光纤超声波传感器的研究受到重视。
ov-10
随着光纤传感技术的发展和应用，出现了许多用于电力设备的光纤传感器和专门用于局部放电测量的光纤传感器。光纤传感器具有其他类型传感器无法比拟的优点是因为光纤本身是二氧化硅等传光绝缘材料，抗电磁干扰适合用于高电压电力设备中；光纤细而柔软易于安装于电力设备的内部进行检测，灵敏度高、速度快。
目前用于局部放电测量的光纤传感器，按敏感对象可分为光、温度、气体、声波等。其中超声类光纤传感器具有局放源定位准确的优点，已成为一个研究热点。
阳性预测值
因为局部放电产生紫外光，所以可以利用紫外光纤直接搜集局部放电产生的紫外光[10] 来测量局部放电；但是由于绝缘油的紫外吸收特性[11]，以及光线容易被遮挡等问题，该方法的应用受限。
局部放电产生的300～450nm波长光照射荧光光纤可产生450～600nm波长的荧光，经普通光纤输出可以进行局部放电的测量[12]。国内清华大学魏念荣等[13]研究了荧光光纤传感器，并测试了电机端部裸露铜线的局部放电。重庆大学唐炬等[14]研究了荧光传感器的设计参数，并与超高频法对油浸变压器内的局部放电测量做了性能对比。与直接紫外光探测法相比，荧光光纤侧面可以作为接收面，灵敏度提高，但是敏感波长大于400nm，易受到可见光的影响。
文献[15]采用镀钯(palladium)光纤光栅测量油中的H2含量，光栅反射波长移动量与氢气浓度的灵敏度系数为0.044pm/ppm；假定波长解调精度1pm，则氢气的检测灵敏度为23ppm；同时验证了波长移动量不受局部放电产生的CH4、C2H2等其他气体的影响。乙烯制乙醇
光纤耦合器是用两根扭绞在一起的单模光纤，经氢氧焰加热拉伸，形成一个细腰的熔锥区，两根光纤的包层合并在一起，纤芯距离很近形成光波导弱耦合结构。当声波作用于该
耦合结构时，改变了耦合器的分光比，通过测试分光比的变化来测试局部放电产生的声波[16]。光纤耦合器法工作原理如图1所示。声波作用时耦合器分光输出信号V1、V2发生变化，V1+V2保持不变。因为光纤耦合区域较小，试验中为了提高灵敏度，把耦合区域粘贴在悬臂梁或者变压器壳体上，但粘贴在外壳上会带来低频噪声较大的问题。
双光路干涉法(分为Michelson和Mach-Zehnder两类结构)的测量原理为：激光器发出的光经3dB耦合器分为两束相干光，其中一束光进入参考臂，另一束进入测量臂，声波作用于测量臂时，改变了测量臂的折射率，使参考臂和测量臂的相位差发生变化，导致输出光强发生变化。输出光强W的表达式为：
式中，W0为光源总功率；V为干涉条纹可见度；φ0为初始相位差；Δφ为相位差的变化量。
光纤Michelson传感器的测试原理如图2所示。1996年Abbas Zargari把100m单模光纤绕制成直径30mm的光纤环，在小型油浸变压器上实验了局部放电声信号的测量[17]；并于2001年把光纤绕在直径100mm的圆柱型GIS模型外，进行了局放量测试，测试系统的灵敏度取决于绕制光纤的长度[18]。洛克王国!圣龙骑士
光纤Mach-zehnder传感器的测试原理如图3所示。1997年Zhao Zhi-qiang将10.5m的单模光纤绕制成直径为11～14mm的光纤环(270圈)，再用聚亚安酯固封；研究了其方向特性与声波长的关系，证实了正负半波声压对光纤环同时作用时检测灵敏度降低的问题[19]；研究了采用3×3光纤耦合器的信号解调方法[20]；该系统的灵敏度达到1Pa[21]。J. E. Posada -Roman将17m的光纤绕制成直径30mm的环状传感器，传感器在50～200kHz频响曲线较平坦，150kHz时测试角度范围为±30°，最小测试声压1.3Pa[22]。文献[23]研究变压器套管局部放电的测量方法，试验了传感器在固体表面、油和空气中的频响特性。
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