- 头条科研简报：EFPI光纤声波传感器在局部放电检测应用中的问题导语局部放电（简称局放）是危害高压电力设备安全运行的重要因素，其发生时伴随有电信号、光信号、超声信号及化学反应产生。在这些现象中超声信号具有高时效性、易于检测及抗电磁干扰等特点，成为近年来的研究热点。对局放超声信号的检测方法逐步由传统的外置压电陶瓷检测法转变为内置的光纤声波传感器检测法。在众多的光纤声波传感器中，非本征光纤法布里-珀罗（Extrinsic Fiber Fabry-Perot Interferometer, EFPI）传感器由于具有结构简单、体积小及灵敏度高等优点而获得国内外研究学者的高度关注。
1 动态温度及静压力变化对传感器检测性能的影响及解决方法
根据EFPI传感器的原理可知，其检测灵敏度受传感器腔长影响。当传感器在变压器油中使用时，膜片受液体静压力作用发生形变，进而改变传感器腔长，同时传感器本体材料在自身线性热膨胀作用下也会改变传感器腔长，腔长改变后需要重新调整静态工作点以保障传感器检测灵敏度。在实际应用中，传感器多数都处在动态的温度及压力区域内，严重影响了传感器的稳定性。
1）工作点动态追踪技术
利用工作点动态追踪系统可有效解决工作点漂移问题，该系统示意图如图1所示。
图1
放大自发辐射（Amplified Spontaneous Emission, ASE）宽带光源发射出的光进入隔离器，在经隔离器入射到可调谐FP滤波器中成为窄带光后进入隔离器，窄带光中心波长由PZT驱动电源进行控制调节；窄带光经一分二耦合器1、2进入到光谱仪和传感器中，光电放大器通过耦合器2接收到由传感器返回的光后转换为电信号，传入计算机中。
该系统的工作原理为通过可调谐窄带光对传感器进行扫描，获得传感器实时干涉光谱对应不同窄带波长的输出电压，对输出电压分析计算后确定传感器最优工作点，稳定传感器对局放超声信号的检测性能。
2）准连续正交调频技术
准连续正交调频技术同样针对EFPI传感器的正交强度解调系统，确保用于超声信号检测的EFPI传感器检测灵敏度不受静压力及温度变化的影响。该技术的基本原理如图2所示。通过MG-Y型激光器获得四个连续且具有固定偏差（π/2）的光频，并依托现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）对光电探测器（Photoelectric Detector, PD）回馈信号进行处理，重新调整激光器输出光信号，保证EFPI传感器检测的稳定性。
图2 准连续正交调频技术系统及原理图
2 传感器响应角度与灵敏度的关系
在电力设备中局放点发生的位置呈不确定性，并且局放所发出的超声信号类似于一个点声源，超声信号以球面波的形式传播。传感器在实际应用时安装位置是固定不动的，这使得传感器膜片法向与声波波矢方向产生夹角。
根据声学基础原理可知，同一强度声波以不同角度入射到传感器膜片上时传感器膜片受迫形变不同，传感器膜片的形变量直接影响其检测灵敏度。为了能够在实际应用中给传感器选取最佳安装位置，就需要获得传感器响应角度与检测灵敏度的关系。
利用脉冲点火器作为局放声信号搭建的实验平台如图3所示。脉冲点火器与传感器固定在可旋转光学滑轨上，由于脉冲点火器放电量不完全相同，因此每个放电位置进行10次有效放电，对输出信号求平均值以确保测试响应的准确性。测试角度为0~360°，以15°为步长进行；脉冲点火器与传感器之间的距离d分别取25cm、50cm、75cm和100cm，实验结果如图4所示。通过实验结果可知，在±60°的范围内传感器具有较好的响应灵敏度。
图3 实验装置图
图4 不同角度与位置检测到的超声波信号
3 变压器油对传感器特性参数的影响
EFPI传感器在变压器油中使用时，传感器膜片两面分别与变压器油和空气接触，这使得膜片固有谐振频率发生变化。产生上述问题的原因在于变压器油具有一定黏度，其与传感器膜片接触时增加了膜片振动的附加质量，最终使得传感器膜片固有谐振频率下降。
搭建实验平台对与油接触和未与油接触的同一支传感器进行实验验证，实验平台如图5所示。实验用传感器直接置于变压器油中进行实验，其结构如图6所示。随后取出传感器，去除表面变压器油，对其进行封装处理，使膜片两面都只与空气接触，将封装后的传感器置于变压器油中再次进行实验，封装后传感器结构如图7所示。
图5 EFPI传感器超声测量系统实验平台
图6 EFPI传感器结构图
图7 EFPI传感器封装后结构
该实验平台将PZT作为声波激励信号，输入信号从20~200kHz，步长为10kHz，封装结构和非封装结构EFPI传感器在变压器油中幅频特性对比实验结果如图8所示。通过实验结构可以看出，传感器膜片完全置于空气中的固有谐振频率为133kHz，而在变压器油中的固有谐振频率降低到58kHz，在固有谐振频率下封装后传感器输出幅值降低是由于封装结构造成了一定的声衰减。
图8
图9 不同温度变压器油中EFPI的幅频特性
依托于该实验平台对直接置于变压器油中的传感器进行变温实验，测得其在20℃、50℃、80℃下的幅频特性，实验结果如图9所示。通过实验结果可以看出传感器固有谐振频率随温度增加而升高，这是由于变压器油的黏度随温度升高而降低，膜片外表面的附加质量降低而导致的。
本文编自2022年第5期《电工技术学报》，论文标题为“非本征光纤法-珀传感器局部放电检测研究进展”，作者为陈起超、张伟超 等。本文第一作者为陈起超，1988年生，博士研究生，研究方向为高压电力设备绝缘检测。通讯作者为张伟超，1984年生，博士，副教授，研究方向为光纤传感及高压绝缘检测。本课题得到了国家自然科学基金青年基金、黑龙江省普通高校基本科研业务费专项资金和国网浙江省电力有限公司科技项目的资助。
