光纤分立式多点局部放电检测与定位技术

为了更准确地监测电力系统的运行状况，提出了一种应用于电力变压器局部放电（partial discharge，PD）检测的分立式多点检测方案。该方案基于光纤外差式干涉原理，传感系统由4个传感头构成，以实现多点检测和局部放电声源的定位。通过优化设计传感头的结构提高了传感器的灵敏度，同时传感器紧凑型的封装方式使其能够安装在电力变压器内部，提高检测结果的准确度。实验结果表明，该传感方案的单通道分辨率可达4 mrad，同时对构造的三相电力变压器模型进行了实验演示和分析，在对150 kHz局部放电超声多通道测量时，可实现声源定位的分辨率为 1 cm。由于该方案结构小巧、分辨率高及成本低廉，其在电力系统安全检测中有着巨大的应用潜力。

Abstract

In order to monitor the working condition of the power system more accurately, a discrete multi-point detection scheme applied to partial discharge (PD) detection of power transformers was proposed. Based on the heterodyne interference principle of optical fiber, the sensing system was composed of four sensing heads to realize multi-point detection and partial discharge source localization. The sensitivity of the sensor was improved by optimizing the structure of the sensor head. At the same time, the compact package of the sensor enabled it to be installed in the power transformer, which improved the accuracy of the detection results. The experimental results show that the single-channel resolution of the proposed sensing scheme can reach 4 mrad. The constructed three-phase power transformer model is experimentally demonstrated and analyzed, and the resolution of sound source localization can be 1 cm when the 150 kHz PD ultrasonic multi-channel measurement is carried out. Because of its compact structure, high resolution and low cost, the proposed scheme has great application potential in security detection of power system.

1 引言

局部放电检测是一种广泛应用于电力变压器的诊断技术，该技术通过检测局部放电产生的超声波来识别和定位变压器系统中的早期故障^[1-4]。由于光纤传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、质量轻等优点^[5-8]，因此被广泛应用于电力变压器的局部放电超声检测中。

对于局部放电源的定位一般需要多个传感器，这些传感器可以提供声波到达不同传感器的时间差信息，然后借助三角测量等技术来定位局部放电源的位置^[9-10]。在电力变压器的局部放电声检测中，通常使用放置在变压器外的压电式传感器，但是压电式传感器易受电磁干扰，且放置在变压器外部可能导致测量的结果不准确。基于光学干涉原理的新型传感器由于其小巧的结构，可以安装在变压器内部，使传感器更接近声释放源，因而具有更高的灵敏度和准确性，并且可以克服恶劣环境中电噪声等相关问题，因此受到了广泛关注^[11-14]。西班牙马德里卡洛斯三世大学的POSADA-ROMAN J等人提出了一种对局部放电进行超声检测的内部干涉式光纤传感器^[15]，中国科学院电工研究所的郭少朋等人针对油浸变压器中局部放电的测试需求，提出了基于Fabry-Perot的超声波测试系统^[16]，但是上述方案只能用于单通道检测，这极大地限制了传感器的实用性。华北电力大学的王杨超等人提出一种基于法布里-珀罗的局部放电光纤超声传感器^[17]，并结合神经网络进行了局部放电的模式识别，但是该方案也未进行多通道的传感研究。对于局部放电定位研究，更多是基于电容器^[18]及相关数学算法^[19]实现的，但是这些方法易受电磁干扰，且计算量复杂，成本高昂。因此我们开发了一种基于光纤的局部放电超声检测系统，以解决多通道配置问题，同时保持检测局部放电发出的低幅度声学信号所需的高性能，以便实现局部放电源的定位。

在本文中，我们提出了一种用于检测电力变压器多点局部放电的光纤多通道外差式干涉传感器，该传感系统能够同时处理4个传感通道，且能够实现局部放电声源的定位，对所有传感通道进行了局部放电测试，实验结果表明该传感系统传感头放置在电力变压器内部的方案，可以实现较高的分辨率。同时对三相电力变压器进行了实验分析，证明了该传感方案的可行性。

1　传感原理

声释放是弹性传播介质（例如油或水）中的压力变化，可以耦合到弹性传感材料中（例如光纤）。这种本征传感的原理是基于声诱导应变产生的光程变化，可以通过光纤干涉仪中的光学相位 $Δ φ$ 测量获得^[20]：

$Δ φ = \frac{2 π n l (1 - 2 v)}{λ E} (\frac{n^{2} (p_{11} - p_{12})}{2} - 1) Δ p$ （1）

式中： $n$ 是光纤的有效折射率；l是光纤干涉仪的长度； $λ$ 是光波长； $v$ 是泊松比；E是杨氏模量； $p_{11}$ 和 $p_{12}$ 是光弹常数； $Δ p$ 是声压的变化量。光纤的轴向应变和光弹效应均会对光学相位的变化产生影响。

对于局部放电检测的光纤干涉传感技术，通常分为零差法和外差法。零差法是基于两个频率相同的光束的干涉，这种方法是将传感器检测到的声波转换为干涉仪输出端的光电流幅度 $i$ ：

$i = K \cos (φ_{0} + Δ φ)$ （2）

式中：K是一个常数，包含光电探测器的平均光功率、响应度和干涉信号的对比度； $φ_{0}$ 是由干涉仪干涉臂之间的不平衡引入的初始相位； $Δ φ$ 是式（1）中描述的相位变化，其中包含需要检测的信息。

外差法是基于两个不同频率的光束干涉，声波信息包含在干涉仪输出端光电流信号的相位中。在这两种技术中，声波都调制载波信号，因此必须对载波进行充分的解调，以获得需要检测的信息。外差法输出端的光电流可以表示为

$i = K \cos (2 π f_{c} + φ_{0} + Δ φ)$ （3）

式中：K、 $φ_{0}$ 和 $Δ φ$ 与式（2）中描述的参数相同； $f_{c}$ 是由光相位调制的载波信号的频率。在外差法中，载波信号通常是高频或甚高频频段中的射频信号，而零差法使用低频信号，这使其更容易实现。然而，零差法需要一个相位调制器（通常是压电致动器），以便将干涉仪的偏置点设置在准线性范围内，因此多通道系统需要多个调制器（每个通道一个），这使得零差法在实际工程应用中不易实现。外差法虽然复杂，但在多通道应用中具有巨大优势，因为每个通道中不需要额外的组件。此外，由于测量是在高频载波的相位中调制的，因此它的高分辨率测量不易受闪烁噪声（1/f噪声）的影响。

2　传感器的设计

本实验中的传感器的设计是基于多层配置的光纤线圈，该光纤线圈将用于局部放电声释放的传感，如图1所示。由式(1)可知，通过将更长的光纤置于声波范围内可以获得更高的灵敏度。为了获得紧凑的尺寸，传感器设计为多层缠绕的光纤圈。如果传感器的尺寸远低于声波波长，则暴露在声波下的所有光纤都会影响传感器的灵敏度，另外光纤的最小弯曲半径决定了线圈的最小直径。因此，通过光纤长度提高灵敏度和避免灵敏度损失的紧凑设计是一个权衡问题。在本实验中，为了避免光纤弯曲造成的光传输损耗，线圈是在直径为30 mm 的圆柱形上缠绕了17 m光纤制成的，缠绕层数为5层，缠绕完成之后移除圆柱体。

图 1. 光纤传感器检测超声信号示意图

Fig. 1. Schematic diagram of ultrasonic signal detection by optical fiber sensor

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3　多通道光纤外差干涉传感解调方案

图2所示为4个通道传感系统的解调方案示意图。在该方案中，为了实现四通道传感系统，将来自中心波长为1 550 nm左右光源的光分为参考臂和传感臂，如图2中虚线框中所示。频移由声光调制器(acousto-optic modulator，AOM）产生，声光调制器的调制频率 $f_{1}$ （80 MHz）由信号发生器提供。光源发出的光经过该装置后，被调制成频率为 $f_{0} + f_{1}$ （一阶）的光束通过耦合器到达传感器，从光源发出的另一束频率为 $f_{0}$ （零阶）的光束则到达参考臂。然后光纤耦合器将来自每个传感臂的光信号与参考臂的光信号相结合，以获得4个通道的干涉测量输出。这些干涉信号由4个可调增益的平衡光电探测器（Thorlabs, PDB450C）检测，该探测器的工作波长为800 nm～1 700 nm，带宽可达150 MHz。在其输出端获得相位调制为80 MHz载波，载波移至4.8 MHz 的中频，这是通过将载波与同一信号发生器生成的75.2 MHz信号混合来完成的，然后中频被数字化和数字解调，最后在由多通道数据采集与处理系统完成从载波信号中提取所需的相位信息。

图 2. 多通道传感干涉测量方案

Fig. 2. Interferometry scheme for multi-channel sensing

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4　多通道干涉仪性能分析

4.1　传感系统的分辨率

图3所示为该多通道传感系统一个通道检测到的载波的功率谱密度（power spectral density，PSD）。取如图3所示的载波信号频谱，对检测带宽中存在的噪声进行积分，检测带宽在载波频率1 MHz附近，得到信噪比（signal to noise ratio，SNR）为32 dB。在该信噪比下，相应的相位分辨率为4 mrad。由于本测试中使用了自由空间声光调制器，光学插入损耗较大，这会影响整个系统的信噪比。在以后的研究中将使用尾纤声光调制器设备，以优化插入损耗。

图 3. 干涉仪每个通道获得的功率谱密度

Fig. 3. Power spectral density obtained for each channel of interferometer

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4.2　声释放检测

声释放检测实验在一个尺寸为100×60×60 cm³充满水的箱子里进行，水可以传递超声波，使用压电陶瓷（PZT）作为声发射(acoustic emissions, AE) 源模拟局部放电产生的声波。罐壁的内表面覆盖有吸声材料，以避免声波反射干扰实验。此外，作为参考的校准水听器（Bruel&Kjaer 8103）放置在传感器的附近，该水听器专为高频实验室和工业用途而设计，其灵敏度为30 μV/Pa，频率相应范围为0.1 Hz～180 kHz。实验装置如图4(a)所示。在本实验中，水箱内的PZT产生150 kHz的声波，对传感器和参考水听器同时检测；同样条件下，传感器距离声源越近，灵敏度越高，考虑到实际情况的应用，我们设置两者都位于声源前方20 cm处，然后对传感系统上的每个通道进行测试。图4(b)显示了使用相同传感探头获得的所有通道的声信号检测结果，并与参考水听器检测到的结果进行了比较。与使用光纤传感器检测到的声信号相比，参考水听器检测到的声发信号具有相同的趋势和不同的峰值，具体表现为光纤传感器检测到的信号中有2个峰值，为延迟的双峰响应，这是由于光纤圈的对称性引起的，所以它会检测2次相同的声波。这种双重响应效应可以通过使用绝缘光纤线圈来避免，这将在接下来的实验分析中介绍。

图 4. 实验结果

Fig. 4. Experimental results

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5　实验分析

本实验的目的之一是通过在变压器内部合理布置传感器，实现局部放电声波的在线检测。因此我们提出了在变压器内部布置传感器的方案，并对其进行了测试。图5为150 kHz声信号下在x–y和y–z平面上传感器的方向响应性。可以看出，在x–y平面上检测角度为±30°，如图5(a)所示；在y–z平面上有一个覆盖±90°的宽探测角，如图5(b)所示。

图 5. 光纤超声传感器的方向性

Fig. 5. Directivity of optical fiber ultrasonic sensor

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传感器的位置放置是利用了它们在y-z平面上的宽检测角特性。一个传感器可以监测变压器绕组的完整一侧，因此需要6个传感器来监测变压器三相的绕组。另外，传感器的放置位置应该使得绕组在x-y平面的检测角度内。因此，传感器的放置满足条件r/d<tan30°，其中r是绕组半径，d是绕组中心到传感器的距离，如图6所示。

图 6. 用于变压器局部放电监测的光纤传感器内部位置放置示意图

Fig. 6. Schematic diagram of internal position placement of optical fiber sensor for transformer PD monitoring

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为了证明所提出传感器的有效性，进行了如下实验验证。首先对多通道系统进行表征，使用同一个声学测试台对传感器浸入水中时进行了实验。如前所述，这种配置需要6个传感器来监测变压器的3个绕组，然而，水箱的两侧都具有对称性，故简化了实验设置，3个传感器足以证明这一概念。其中，PZT用于模拟局部放电产生的声波。图7为3个传感器检测到的结果，它们的特性类似于在工程应用中观察到的声释放，即通过连接变压器的2个高压电极在油中产生的真实局部放电^[21-22]。图7还显示了用作声发射源的PZT的电信号，该信号是一个包含3个周期150 kHz的正弦信号，与第4.2节所示信号的双峰包络不同，在这种情况下，每个传感器检测到的声释放是单峰响应（正面检测），因为传感器的背面被放置在光纤线圈中部的吸声器隔离，因此可以观察到从声源到3个传感器的不同到达时间差。

图 7. 3个光纤传感器对模拟局部放电信号的的检测结果

Fig. 7. Detection results of simulated partial discharge signals by three fiber optic sensors

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进行的试验主要是测量声波到达传感器的时间差，这是声源定位的基础。在这些测试中，对声波进行了两次扫描：一次沿着x轴，另一次沿着z轴，如图8所示。x轴的扫描是沿着一条线进行的，该线位于3个绕组区域的中间，这3个区域被直径为20 cm的绕组占据。在2次连续测量之间，声发射源沿这条线的位移为5 cm。

图 8. 用于实现AE源扫描的实验装置

Fig. 8. Experimental setup used to implement AE source scanning

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图9所示为在沿x轴扫描的测试过程中，对每个传感器检测到的声信号进行归一化处理后的结果。可以看出，该传感系统至少有2个相邻的传感器可以检测到相同的声信号，在这种特殊情况下，可以获得振幅高于最大值一半（归一化振幅的0.5倍）的信号。尽管这种情况取决于变压器绕组之间的距离，但也可以调整传感器到绕组的距离，以优化至少2个传感器的检测。这种配置既允许使用三角测量在二维平面内定位声源位置，也允许当2个相邻传感器无法检测到相同信号时定位声源位置时，另一个传感器的检测提供了发生故障的绕组的信息。

图10(a)显示了沿x轴扫描获得的声信号到达时间(time of arrival,TOA)差的测量值；图10(b)为使用传感器No.2和No.3测量z轴扫描的声波到达时间差，图中S1、S2和S3分别是3个传感器的标号。在此测试中，2次连续测量之间的声源位移也是5 cm。2次测试得到的声信号到达传感器时间差的差为6.67 μs，因此计算得到测量中观察到的最大偏差为1 cm。这表明系统获得的关于声波到达时间差的测量分辨率为1 cm，约为实验所用箱子最大尺寸的1%。

图 9. 沿x轴测试过程中传感器检测到声信号的归一化结果

Fig. 9. Normalized results of acoustic signal detected by sensor during test along x axis

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图 10. 不同位置声发射源的TOA测量

Fig. 10. TOA measurement of AE sources at different positions

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6　结论

本文提出了一种利用光纤传感器进行多通道局部放电超声检测的外差干涉传感方案。传感系统由4个传感头构成以实现多通道检测和局部放电声源的定位。在150 kHz声波下对该传感系统的分辨率以及四通道可行性进行了实验分析，结果表明，该传感系统的单个通道的分辨率可达4 mrad。此外，还提出了一种将传感器放置在变压器内的配置方案，可以监测变压器的3个绕组。使用多通道干涉测量系统测量局部放电声信号到达传感器的时间差，实验测试表明，基于声波到达时间差的定位可以达到1 cm的分辨率。可以通过增加光功率来提高分辨率，从而提高信噪比。该传感方案具有紧凑的结构、高的分辨率及低廉的成本，在电力系统安全检测中有着巨大应用潜力。

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