摘 要：提出了一种光纤声发射传感器并构建传感系统实现变压器局部放电在线监测， 利用传感光栅体积小， 重量轻， 灵敏度高和抗电磁干扰的特点， 将传感器置于变压器内部实现局部放电声发射信号的测量。 研究了传感光栅实现声发射应力波测量的机理， 声发射信号引起传感光栅反射光谱发生漂移， 导致特定频点处反射光强发生变化， 通过反射光强的变化实现声发射信号的测量。 构建声发射传感系统实验模型并提出了一种系统性能优化策略， 使系统工作在传感光栅反射光谱上升或下降沿的半峰值频点处， 从而保障传感系统具有良好的线性输出特性； 研究传感系统工作点稳定技术， 设计信号反馈回路自动跟踪反射光谱的漂移， 保证系统稳定工作在传感光栅半峰值频点处， 消除温度变化对传感系统测量精度的影响。 将封装好的传感器用于变压器局部放电现场检测， 结果表明， 光纤光栅声发射传感器与压电传感器相比具有灵敏度高、 动态范围宽等优点， 可以实现变压器局部放电在线监测。
关键词：声发射； 光纤光栅； 变压器； 局部放电； 传感器
引 言
变压器是电力工业中重要的电气设备之一， 由于长期运行在高电压， 强磁场等恶劣的工作环境中, 变压器内部绝缘性能较差的部位易发生局部放电， 导致绝缘材料损伤， 甚至造成变压器损毁， 引发重大安全生产事故并产生巨大经济损失[1]。 变压器在局部放电过程中， 由于分子的剧烈撞击导致绝缘材料的微小开裂、 气泡的产生和爆裂， 这种能量的突然释放在变压器内部产生瞬态应力波， 即声发射现象[2-3]。 与其他检测方法相比， 声发射检测技术可以对变压器局部放电进行实时在线监测与故障定位。 因而， 利用声发射技术进行局部放电监测受到越来越多的关注。
目前， 声发射检测系统大多采用压电类传感器实现声发射信号的测量， 通过把传感器布置在变压器外部开展变压器内局部放电声发射信号的测量与定位研究[4-5]。 这种方法存在以下缺点： 首先， 压电类传感器容易受到变压器外部强磁场的干扰而产生较大的引入噪声， 甚至导致传感器失灵。 其次， 由于变压器内部结构的复杂性， 声发射信号在变压器内部的传播过程中衰减严重， 到达油箱壁外的超声信号非常微弱， 加上箱体的反射作用， 在某些情况下难以检测到信号。 再次， 局部放电声发射信号可以通过变压器油或变压器壳体等多种介质通道进行传播， 不同的信号传播途径也会影响局部放电定位的准确性。 而且， 压电传感器还存在响应频带窄、 动态范围小、 灵敏度低等问题也制约了声发射检测系统的性能提升。 因而探索一种具有较高灵敏度的传感器及传感技术实现变压器局部放电声发射信号的精确测量与定位， 及时发现绝缘劣化部位并进行绝缘故障预警， 成为保障变压器安全、 平稳运行的迫切需求。
光纤传感器因具有体积小、 重量轻、 耐腐蚀、 抗电磁干扰、 灵敏度高、 易于实现被测信号的远距离监控等优点， 被越来越多的用于高温、 高压、 强电磁干扰等恶劣的工作环境中， 实现敏感信号的测量[6-7]。 光纤光栅传感器通过应力、 压强、 温度等物理参量对光纤光栅布拉格(Bragg)波长的调制传感信息， 因而， 还具有灵敏度高， 稳定性好， 结构简单， 采用波长编码， 易于构建分布式测量系统等优点[8]。 研究一种基于光纤光栅声发射传感器的变压器局部放电在线监测技术具有重要意义。
1 传感原理与性能分析
光纤光栅(fiber-optic bragg grating)利用光纤材料的光敏性， 通过对一定区域内光纤折射率的调制在材料内部形成空间相位光栅， 使其能够反射特定波长的光， 而通过其他波长的光[9]。 根据其光学性质受控于外界温度， 应力变化的特性， 可以制成光纤光栅传感器。 其中心反射波长λB与光纤光栅的周期Λ和光纤的折射率neff间的关系可表示为
(1)
当光纤光栅所处环境的温度、 应变或其他物理量发生变化时， 光栅的周期Λ和纤芯折射率neff会发生变化， 从而使反射光的中心波长发生变化[10]
(2)
其中，ε是轴向应变张量，p11和p12为光弹系数，ν是纤芯材料的泊松比。
光纤光栅在声发射应力波的作用下， 引起传感光栅产生轴向应变为
(3)
其中，L为传感光栅的长度，E为杨氏模量， Δp为声波压力的变化量。
将式(3)带入式(2)， 可得传感光栅反射波长随声发射应力波的变化为
(4)
由于光纤光栅的反射光谱是一种类高斯分布的波形， 因而， 当声发射信号引发传感光栅中心波长发生漂移时， 其特定频点(波长)处的反射强度会发生变化， 通过测量特定频点处反射光强的变化， 可以获得待测声发射信号的变化情况。 光纤光栅反射光强的变化可以近似表示为
(5)
其中，I0为最大反射光强，σ为高斯波形系数， 它主要与光纤光栅折射率和直径的变化相关， 对于掺锗石英光纤，σ受温度或应力变化的影响很小， 也即， 当温度或应力发生改变时， 反射光谱的形状变化很小， 一般可以忽略其对反射光强变化所产生的影响。 由式(5)可知， 传感光栅在特定频点处反射光强变化与光纤光栅自身的特征参数和待测物理量的变化情况相关。 因而， 在传感光栅自身参数确定的情况下， 通过测量特定频点处反射光强的变化可以实现声发射信号(幅值、 频率等)的测量。 采用固定频率的窄带激光照射传感光栅反射光谱上升沿/下降沿上特定频点处， 当传感光栅反射光谱在外部物理量(声发射应力波)的作用下发生漂移时， 特定频点处的反射光强变化如图1所示。
图1 反射光强变化示意图
Fig.1 The changes of reflective light intensity
2 传感系统模型建立与性能优化
由于声发射信号是一种应力波， 传感光栅在声发射应力波的作用下， 其反射光谱会发生周期性漂移， 在特定频点处的反射光强也会随之而发生变化， 通过解调反射光强的变化， 可以实现声发射信号的测量。 在声发射信号测量过程中， 窄带光源的输出保持稳定， 反射光强的变化是由传感光栅反射光谱漂移所引起的。 变压器发生局部放电时， 声发射应力波引起传感光栅反射光谱发生漂移， 当系统工作点靠近反射光谱的极大和极小值时， 系统的响应灵敏度会快速降低， 而且解调波形会出现失真的情况； 当传感光栅的反射光谱发生轻微移动时， 反射光强变化很小。 如果工作点在反射光谱的峰值上， 则无论传感光栅的反射光谱向任何一侧移动， 反射光强都会降低， 无法实现声发射信号的测量。 因而， 选择合适的系统测量工作点(半峰值频点处)， 可以使反射光强的变化与声发射信号间建立良好的线性关系， 有效提升系统测量的灵敏度和稳定性。
由于光纤光栅具有温度与应变交叉敏感特性， 实验中需要消除温度变化引起传感光栅反射光谱漂移对系统测量灵敏度的影响。 设计基于光纤光栅的声发射检测模型如图2所示， 系统由窄带激光光源、 隔离器、 耦合器、 传感探头、 光电转换模块、 放大滤波模块、 波长调制、 数据接收和信号处理几部分组成。 其中， 激光光源采用LITTROW型可调谐光栅外腔半导体激光器， 通过调制激光器内部反射光栅的斜率可以对输出光的波长进行调制， 输出3 dB带宽为10 pm的稳定窄带激光。 窄带激光光源发出的光经过隔离器后， 通过一个2×2的3 dB耦合器到达FBG声发射传感器， 实现声发射信号的检测。 反射光透过耦合器进入光放大器进行放大滤波后， 一部分反射光进入光源调制模块， 根据反射光强的变化对窄带光源的输出光进行调制， 使其输出的窄带激光稳定在理想的工作点(传感光栅反射光谱的上升沿或下降沿中点位置， 即半峰值频点处)， 从而消除了温度变化对传感系统测量精度的影响； 另一部分反射光通过数据接收装置采集后，送上位机对声发射信号进行分析处理。
图2 光纤传感系统结构框图
Fig.2 The diagram of fiber-optic sensing system
在变压器内部， 当局部放电声发射应力波作用于传感光栅时， 引起反射光谱的发生漂移， 通过光电转换电路将反射光强的波动转化为输出电压的变化， 实现局部放电声发射信号的测量， 输出电压与声发射应力波的关系可简化描述为
(6)
其中，K是光电二极光转换效率，G是反射光强放大系数，I(λh)为特定波长(频点)处的反射光强，L0为初始光栅长度， ΔL(p)为传感光栅在应力波作用下的变化幅度，SL0是传感光栅的初始反射强度系数，C为反射常数。
3 变压器局部放电在线测量实验
实验中采用长度为12 mm的传感光栅制作光纤声发射传感器， 并使用环氧树脂封装， 将制作好的传感器植入变压器内部开展局部放电声发射信号测量试验。 选择体积为78 cm×72 cm×93 cm的30KVA油浸式变压器开展局部放电在线测量实验， 在箱体的一侧开一个小孔， 将光纤传感器按照图3所示置入变压器油中， 在箱体的另一侧放置PAC公司的R15i压电声发射传感器， 由于压电传感器无法置入变压器内部， 实验中将其安装在变压器箱壁外侧和光纤传感器处于相同高度的位置。 将声发射信号发生器探头(采用PAC公司T15i型压电换能器)放置于箱体内部线圈位置， 距离压电传感器和光纤传感器分别28和50 cm。 由于压电传感器置于箱体外部， 耦合效率较低， 因而将声发射源靠近压电传感器以保障其信号响应效果。
图3 局部放电装置与传感器布置示意图
Fig.3 The schematic diagram of partial discharge apparatus and fiber-optic sensors
在变压器箱中注满绝缘油， 调节标准声发射信号发生器的输出频率为150 kHz， 信号强度在0～80 dB范围内变化， 两传感系统的响应如图4和图5所示。 结果表明两种传感器都能够检测到声发射信号的中心频率为150 kHz， 其中， PZT传感器的信号波形含有较多的噪声信息， 这是因为PZT传感器固定在变压器箱体外侧， 在声发射信号传播过程中的衰减和变压器箱体的反射作用下， 传感器所监测到的信号非常微弱； 同时， 来自外部的噪声干扰也导致压电传感器产生较大的测量误差， 当声发射信号强度小于30 dB时， 系统响应被噪声信号淹没， 难以测得精确的声发射信号响应。 而处盂变压器箱体内部的光纤传感器在声发射信号强度减弱到10 dB时， 仍然能够获取清晰的声发射信号波形， 动态范围达到70 dB以上。
图4 压电传感器声发射仿真信号响应
Fig.4 The responses of piezoelectric sensor on acoustic emission signals
图5 光纤传感器声发射仿真信号响应
Fig.5 The responses of fiber-optic sensor on acoustic emission signals
为进一步研究传感器检测变压器局部放电的能力， 采用高压电极放电的模式仿真变压器内部经常出现的点-面放点的情况， 将高压电极置于变压器油中， 通过逆变电路产生15 kV的瞬时高压， 在变压器油中两高压电极间产生瞬时击穿放电， 检验光纤传感系统与压电传感系统的响应效果。 将压电传感器固定在变压器箱体外侧， 高压放电装置安装在与压电传感器邻近的位置， 距离压电传感器和光纤传感器的距离分别保持在28和50 cm。 测量结果如图6和图7所示，实验结果表明， 光纤传感器测得了清晰的局部放电声发射信号(信号频带集中在100～180 kHz， 噪声信号幅值小于10 mV)。 由于变压器箱体的反射使声发射信号快速衰减， 以及信号源本身与周围环境的电磁干扰， 压电传感器所测得信号较弱且含有较高的噪声成份， 信号响应的收敛时间较长。 光纤传感器的最大信号响应幅值约为压电传感器的6倍， 因而可以获取更多的局部放电细节信息。 另外， 两传感器的信号到达时刻相差约为150 μs， 根据声发射信号在变压器油中的传播速率约为1 450 m·s-1， 可以算出声发射源据两传感器的距离相差约为22 cm， 这与实际放置情况基本是一致的。
图6 压电传感器变压器局部放电信号响应
Fig.6 The responses of piezoelectric sensor on partial discharge signals
图7 光纤传感器变压器局部放电响应
Fig.7 The responses of fiber-optic sensor on partial discharge signals
实验表明光纤声发射传感器具有更好的灵敏度和更宽的频率响应范围， 基于光纤光栅传感器的声发射检测系统可以实现变压器局部放电在线监测。
4 结 论
研究了一种光纤声发射传感器并构建相应的传感系统实现变压器局部放电在线监测， 利用传感光栅体积小， 重量轻， 灵敏度高和抗电磁干扰的特点设计光纤传感器， 并将传感器置于变压器内部实现局部放电声发射信号的测量。 研究了传感光栅实现声发射应力波测量的机理， 并设计了基于光纤光栅传感器的声发射信号检测系统， 构建了波长漂移反馈回路， 自动跟踪传感光栅反射光谱的变化， 消除温度变化对系统性能的影响， 实现声发射信号的稳定测量。 将封装好的光纤声发射传感器用于变压器局部放电现场检测， 结果表明， 光纤声发射传感器与传统压电传感器相比具有抗电磁干扰， 灵敏度好， 动态范围宽， 信噪比高等优点， 可以用于变压器局部放电测量。 利用光纤光栅传感器波分复用的特点， 还可构建分布式传感网络， 实现多通道的局部放电在线测量， 开展声发射源的故障监测与定位研究。 下一步的工作将致力于进一步提高声发射传感器的稳定性， 改进信号采集与去噪算法提升传感系统在恶劣环境下的应用能力， 开展变压器局部放电故障预警与定位技术研究。
