引 言

电网电气设施的局部放电属常见现象,特别常发生于变压器、电缆接头和终端头部位等处,局部放电是电网设施绝缘劣化的前兆,如果没有及时发现、处理,放电引起的电气损伤升级,最终会导致绝缘击穿,造成电网事故,甚至可能会带来重大经济损失。通过局部放电的在线监测,可及时发现电网设施内部绝缘存在的潜伏性缺陷,避免突发性绝缘故障。

局部放电检测是以发生局部放电产生的电、光、声等现象为依据,通过描述该现象的物理量来表征局部放电的状态。局部放电过程中会产生电脉冲、电磁辐射,产生波、光、气体生成物等,并能产生能量损耗引起局部过热,相应的检测方法有脉冲电流法、气相色谱法、超声波法、无线电干扰检测法、光测法等多种检测方法。在这些方法中,对不同高压局部放电点的检测,一般都需要由点状传感器或仪器来完成,大面积监测则需要通过大量的点状传感器来完成,实现方式繁琐,难度较大。

目前,使用最广泛的方法是脉冲电流法和超声波检测法。脉冲电流法中常采用的是罗戈夫斯基线圈型电流传感器,测量局部放电射频频段(3～30 MHz)的信号。但由于现场中存在很多电磁干扰,如电力系统载波,通讯无线电广播干扰、高频保护信号、电力系统谐波干扰等以及设备自生工作特性带来的一些干扰,这种方法虽然可以避开现场中大量的低频及中频干扰,但难以避开大量的射频范围内的干扰。超声波检测是针对高压局部放电中70～150 kHz的超声频率成分,但由于这部分超声能量衰减较快,同时由于声电换能元件的效率还不够高,这种探测技术目前常与无线电干扰等检测方法结和起来,先由后者大致探测到放电的存在,再用超声波探测器依次逐个排查,探测效率偏低。同样,这两种方法也是使用点状传感器,进行大范围探测的不便之处可想而知。

为了解决上述问题,本文提出了一种基于Sagnac干涉仪^[1]的全光纤干涉定位系统。利用光纤本身作为传感单元,可以探测到局部放电过程中所产生的声波和超声波振动,经过计算可以得到局部放电所发生的具体位置。与上述的传统监测手段相比,该系统具有以下优点:(1)利用光纤作为传感单元,可以方便对局部放电进行分布式传感^{[2, 3]}和定位。(2)光纤材料的化学和物理性质十分稳定,不容易被外界环境腐蚀,也不容易被电磁干扰。(3)光纤传感器作为一种无源设备,对外界的电气设备没有影响,适合电网监控。以上性质说明全光纤干涉振动定位系统比较适合用于由人为破坏或环境腐蚀所造成的电网局部放电的定位,有助于电网实现智能化。

1 系统原理

图 1中C1、C2为均分的光纤耦合器,FRM(Faraday rotator mirror)为法拉第旋转镜。

图 1

Fig. 1

图 1 全光纤干涉局部放电定位系统结构图 Fig. 1 The schematic diagram of the system

由光源发出的光(相干长度远小于延时线圈的长度)通过耦合器1(C1)进入干涉仪。因为光源的相干长度较短,系统中只有通过相同长度光程的光之间才能发生有效干涉,因为耦合器和光纤本身的损耗,多次经过系统的光强度可以忽略。因此系统中只有以下光路的光可以发生有效干涉,分别是顺时针线路(光源→C1→延迟线圈→C2→FRM→C2→C1)和逆时针线路(光源→C1→C2→FRM→C2→延迟线圈→C1)之间。最终干涉发生在C1中。耦合器2(C2)和FRM之间的光纤作为系统的传感单元铺设在电网上。

如果局部放电发生在传感光纤上的某点(如图 1所示),该点与FRM之间的光纤长度为l,产生的声波振动所导致的光纤长度和折射率的变化(光弹效应)^[4]将会在顺时针和逆时针两路光之间产生一定的相位差。

两路沿相反方向传播的光之间的相位差可以表示为

光波在穿过耦合器1时产生的附加相位变化为2/3π。

两路沿相反方向传播的光在耦合器1中发生干涉,探测器探测到的干涉光强为

因为本系统所探测的为局部放电产生的声音信号,幅度较小,所以ΔΦ的值较小,式(2)、式(3)可简化为

根据定位理论^{[5, 6, 7]},相位差 Ψ的频谱上有若干频率缺失点(陷波点),频率缺失点对应的频率值可以确定振动发生的位置,振动位置可以通过下式确定

令Δf=f(k+1)－f(k),Δf为相邻两个陷波点之间的频率间隔,则由式(7)可得

如图 1所示,搭建分布式光纤传感器。实验中所用的光源为波长为1 310 nm的激光二极管,探测器为光电二极管,实验中所使用的光纤均为单模光纤。干涉仪的最终输出信号经过探测器转换成电信号之后,经由采样率为500 kS/s的采集卡采集,输入计算机,经过LabVIEW软件编写的程序计算,得出定位结果。

实验中用电火花发生器模拟电网的局部放电现象,通过调节电火花发生器与传感光纤之间的距离来改变局部放电对光纤的影响,并用声压计测量局部放电在传感光纤处产生的声压。实验中用于定位的传感光纤实际长度以及局部放电发生的位置由光时域反射仪(OTDR)标定,型号为YOKOGAWA-AQ7275。传感光纤(从耦合器C2到FRM)的总长度为40.253 km。实验中在29.736 km处发生局部放电,并对结果进行处理和统计分析。

将电火花发生器放置在离传感光纤2 m处,发生一次持续时间大概为5 s的放电,用声压计测量传感光纤上感受到的声波强度为73 dB。声压信号作用在传感光纤上,干涉系统的干涉输出被电脑采集并相减得到振动信号,图 2(a)显示了振动信号中长度为0.1 s的一段,振动信号的峰峰值大概为1.5 V。对其做频谱分析,得到结果如图 2(b)所示。图 2(b)中出现3个较为明显的“陷波点”(黑色圆圈标注),陷波点的范围为10~20 kHz。用式(8)分别计算三个陷波点中相邻两个频率的间隔可以得到振动信号发生的位置,计算两个数据的平均值得到的结果为29.557 km 。

图 2

Fig. 2

图 2 声压为73 dB的局部放电 Fig. 2 The partial discharge with the 73 dB sound pressure

在采集到的持续时间大概为5 s的振动信号里面,随机挑选20个长度为0.1 s的信号片段,重复上面的计算过程,计算每段数据的平均定位距离,最后得到的20个定位距离如图 3所示。这20个定位结果的平均值为29.926 km,标准偏差为0.295 km 。

图 3

Fig. 3

图 3 20个强度为73 dB声音信号片段的定位结果 Fig. 3 The location results of the 20 signals with 73 dB sound pressure

将电火花发生器与传感光纤之间的距离减小到1 m,声压计测量到的声音强度为80 dB。重复上述实验,测量得到的振动信号如图 4(a)所示,振动信号峰峰值为3 V。图 4(b)显示振动信号的频谱上有18个较为清晰的“陷波点”(其中三个用黑色圆圈标注),这18个陷波点的频率范围为10~70 kHz。用这18个陷波点之间的频率间隔可以得到17个定位距离,计算平均值为29.731 km。

图 4

Fig. 4

图 4 声压为80 dB的局部放电 Fig. 4 The partial discharge with the 80 dB sound pressure

同样在采集到的5 s信号中随机挑选20个长度为0.1 s的数据段,分别进行计算,最终得到每段数据各自的平均距离如图 5所示,20个定位距离的平均值为29.772 km,标准偏差大小为0.089 km。

从系统对两组强度不同信号的定位结果来看,强度较大的信号定位结果较强度较小的信号定位结果准确度较高,稳定性也更强。分析原因是强度较大的信号振动幅度更大,信噪比更高(图 2(a)和图 4(a)所示),并且强度大的声音信号频率成分更加丰富(图 2(b)和图 4(b)所示),因此强度大的信号得到的陷波点更加清晰且数量更多,使定位结果更加准确和稳定。进一步实验显示,系统的定位结果随着局部放电声压的增强而逐渐精确,误差最终稳定在±50 m。

图 5

Fig. 5

图 5 20个强度为80 dB声音信号片段的定位结果 Fig. 5 The location results of the 20 signals with 80 dB sound pressure

本文提出了一种全光纤干涉局部放电定位系统,克服了传统电网局部放电监测设备的诸多不足之处。实验显示,系统定位精度和稳定性随着局部放电产生的声音信号的强度增强而上升。经过实验验证,在一定声压强度条件下,该系统的定位结果误差可以达到±50 m,具有使用价值。