孙花枝　刘振　彭斌

【摘要】随着社会主义市场经济的高速发展，我国电力系统也逐步完善，将超声—光检测法应用到高压电器设备局部放电检测中，不仅可以降低电磁干扰等现象的产生，还可以提升电力系统运行的可靠性。为此，本文主要对高压电器设备局部放电检测中光纤传感器的概况、实验测量及应用进行了分析与探究。

【关键词】高压电器设备；局部放电；超声-光检测法；光纤传感器；概况；实验测量；应用

随着我国综合实力的提升，对电力系统可靠运行的要求也越来越高。作为电力系统的重要组成元件，电气设备如产生事故，不仅会对其附近设备造成极大的影响，更会给用户造成严重的经济损失。据相关数据显示，电气设备故障的主要原因就是绝缘失效。局部放电因绝缘缺陷引发，使电介质长时间击穿电压常常不到短时击穿电压的几分之一，因此，局部放电作为各种大型电气设备长期运行中绝缘劣化的重要原因而受到关注。为提高高压电器设备局部放电检测的准确性、有效性，英国Southampton大学受声光法的启示，成功将电光法运用到电缆局部放电检测中，通过将局部放电的电信号转换为光学信号，可以有效防止信号传输过程中的外界干扰，并避免过电压问题的产生，在高压电器设备局部放电检测中得到了广泛地应用。

一、光纤传感器的概况

上个世纪90年代，法国PaulSabatier大学R.Mangeret在大气压下通过单根荧光光纤对尖板放电的光信号进行检测，进而对空气与SF6气体内的局部放电光谱图进行了研究，认为光纤、光电探测器选用的不同，将对检测的灵敏度造成直接的影响。在实验室内通过光测法对局部放电特征与绝缘劣化机理等内容进行了分析，并取得了不错的成绩，但这种设备具有较高的成本，为此在高压设备局部放电检测中应选用与之相适应的方式，如光纤技术。作为现代最常用的检测方式，通过光纤传播信号，可以有效隔离测试系统和高压源。在荧光光纤与局部放电光谱特点分析的前提下，在高压电器局部放电检测中此方式得到了大量地应用。

作为放电的光传感元件及传输通道，光纤的抗电磁干扰能力较强。光纤检测最早应用于检测局部放电发出的光信号，也可以称为直接光测法。光纤传感器的基本工作原理就是通过光纤将来自光源的光信息向调制器进行传送，在待测参数和调制区内的光产生作用后，改变光的光学性质，如光的强度、波长等，成为调制的信号源，随后利用光纤向光探测器传送，经解调后，得到被测参数。目前，光纤传感器主要有物性型光纤传感器与结构型光纤传感器两种测量原理。物性型光纤传感器是通过光纤对环境变化的敏感性，把输入的物理量向调制的光信號进行转换。结构型光纤传感器是一种测量系统，其主要组成部分为光检测元件（敏感元件）、光纤传输回路及测量电路。相比传统传感器，光纤传感器的敏感信息载体为光，传递敏感信息的媒介为光纤，这种光纤传感器具有良好的电绝缘性、能力和抗电磁干扰能力，能够远距离监控被测信息，在高压电器设备局部放电检测中具有良好的应用效果。

二、传感器局部放电实验测量

1、实验样品模型

由电缆绝缘缺陷引发电缆局部放电现象，气隙、杂质及金属毛刺等都属于电缆绝缘缺陷。通过光学电缆传感器，可以检测交联聚乙烯电力电缆中局部放电信号的传感能力，其3种典型缺陷模型如图1所示。其中气隙放电模型为（a），同心放置两层电极，交联聚乙烯为中间的3层，其尺寸定为：40毫米x40毫米，选用半径为1毫米的气隙为中间层交联聚乙烯中心，实验过程中应在绝缘油内放置模型。

沿面放电模型为（b），该模型构成成分为交联聚乙烯（40毫米x40毫米）、铜电极（2片）。应先打磨铜电极，确保其光滑性，避免放电干扰情况出现在电极尖端。

表面放电模型为（c），选用40毫米x40毫米的交联聚乙烯，5毫米为相邻两个电极的间距。

2、实验结果

相比局部信号幅值，光纤电流传感器典型缺陷模型采集与提取的局部放电信号内的干扰幅值应小于局部信号幅值，局部信号测量结果的上升沿与下降沿较陡，0.5us为其持续时间。

三、高压设备局部放电检测中超声—光检测法的应用

当局部放电情况出现在高压电器设备内部介质时，其瞬间释放的能量能够加热放电源附近的介质，并促使其蒸发。这种情况下，放电源像声音一样，不断向外进行声波传递。因放电具有极短的持续时间，并能发射出较宽的声波频率，为对声信号进行有效检测，选择传感器极为重要。作为现代传感器技术的重要组成部分，光纤传感技术是在光导纤维与光纤通信技术发展的基础上快速发展的新型传感技术。本文通过对2种光纤传感（Fabry-perot、Mach-zehnder）的介绍，分析了光纤传感技术在高压电器设备局部放电检测中的应用方式。

1、Fabry-perot干涉超声-光检测法

Fabry-perot干涉超声-光检测系统选用的光纤传感器为敏感元件的非功能光纤传感器。传感器探头、光源、光电信号处理器等都是整个系统的组成部分。该方式的工作原理为单色光由光源发射处理，通过3dB耦合器顺着光纤向传感探头内传递，在光纤纤芯-气体交界面入射光产生第一次反射，进入密封气体腔内的为其余入射光，共占96%。二次反射发生在涂有金属层的硅薄膜片上，基本为全反射。随着局部放电出现的超声波压力信号传感探头返回的光信号将对硅薄膜片产生挤压作用，在改变其空间间隙的情况下，光信号也会随着改变，变为干涉条纹。连续干涉条纹的转换能够对密封气体腔间隙改变的信息进行充分反映，基于此，必须确保输出的光信息与实际输入的超声波信号相符合。

2、Mach-zehnder干涉超声-光检测法

光源、光纤绕圈传感器探头、2个3dB光纤耦合器、光电信号处理器等都是Mach-zehnder干涉超声-光检测系统的重要组成部分。如图2所示。其工作原理为经过3dB耦合器将光源发射出的相干光分为2个相等的光束，在信号臂光纤内进行一束传输，在参考臂光纤内进行另一束传输，外界信号在信号臂光纤绕圈探头产生一定作用，两束光在第二个3dB耦合器内进行再次耦合，随后通过光纤分为2束光，并向2个探测器进行传递。

因这个光纤传感器具有较为简单的结构，通过光纤可以对其微弱外部声信号进行探测，也可以利用光纤绕圈匝数的增加，来提升传感器的敏捷性。通过相关实验对函数发生器、电极发电出现的超声波进行检测。通过Mach-zehnder干涉超声-光检测油中局部放电可行性的研究，相比传统压电超声波传感器，这种方式具有较高的灵敏性及性价比。将其光纤绕圈传感探头设置在三相变压器内，可以有效检测具体变压器的局部放电情况，这种系统的应用，可以对局部放电出现的微弱超声波信号进行检测，并能确保定位的准确性。

四、结束语

综上所述，现阶段光纤电流传感器检测中具有较低频率或灵敏度，在检测中主要运用于工频大的电流。宽带高频光纤电流传感器的研制，可以满足局部放电信号频率分布范围广及幅值低的特性。通过Fabry-perot干涉超声-光检测法、Mach-zehnder干涉超声-光检测法的分析，可以有效提升超声-光检测法在高压电器设备局部放电检测中的准确性、灵敏度，为提升电力设备等级与设备可靠运行提供强有力的保障。

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