【精彩论文】基于EFPI的数字配电网超声检测传感器

基于EFPI的数字配电网超声检测传感器

鞠玲¹, 黄怿²

（1. 国网江苏省电力有限公司泰州供电分公司，江苏 泰州 225300; 2. 上海大学 特种光纤与光接入网重点实验室，上海 200444）

摘要：针对数字配电网设备存在的局部放电（partial discharge，PD）超声信号检测需求，研究并设计了一种基于非本征型法布里-珀罗干涉（extrinsic Fabry-Perot interferometric，EFPI）的超声波传感器，用于检测PD产生的超声波信号。通过仿真软件COMSOL模拟了不同膜片厚度以及膜片半径的光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot，F-P）传感器的灵敏度和固有频率，选择了最佳的结构参数并制作了EFPI传感器。仿真结果表明，传感器的灵敏度可以达到106.6 nm/kPa，固有频率为234.85 kHz。当频率为30 kHz和40 kHz的超声波信号分别加到传感器上时，EFPI超声波传感器检测到的频率分别为29.97 kHz和39.92 kHz。实验结果表明，该传感器可以准确地检测高压模拟罐体中PD产生的超声波信号，且可检测最小放电量为53 pC，具有体积小、频响范围宽、检测灵敏度高的特点，有良好的应用前景。

引文信息

鞠玲, 黄怿. 基于EFPI的数字配电网超声检测传感器[J]. 中国电力, 2023, 56(6): 194-201.

JU Ling, HUANG Yi. Ultrasonic detection sensor of digital distribution network based on EFPI[J]. Electric Power, 2023, 56(6): 194-201.

引言气体绝缘开关设备（gas insulated switchgear，GIS）是配电网中的核心输变电设备，其运行的可靠性对配电网安全稳定起着至关重要的作用^[1-3]。在GIS相关故障的统计结果中，GIS绝缘故障占比很大^[4]，给配电网的安全稳定运行带来隐患。准确预测并定位GIS绝缘故障的能力是配电网安全运行的重要前提^[5]。GIS发生绝缘故障的一个显著特征是产生局部放电（partial discharge，PD），PD产生时会伴随着光、超声波和电磁辐射等现象^[6-7]，通过检测这些现象就能检测到PD信号。目前常规的PD检测方法有气体检测法^[8]、脉冲电流法^[9-10]、超高频检测法^[11-16]、超声波检测法^[17]与光检测法^[18-22]。气体检测法灵敏度较高，但测量结果受多种因素影响，适用性较低，且不能实现PD定位，不适用于在线监测；脉冲电流法灵敏度较高但抗干扰能力差、难以实现故障定位且不能实现在线监测；超高频检测法采用时差法进行PD定位，对时间精度要求高，定位难度大；光检测法不适用于非透明设备的PD检测，应用范围受限，主要用于实验室研究。对比以上PD检测方法，超声波检测具有故障定位简单、可在线检测以及适用范围广等优点，因此适用于强电磁环境下的PD检测。与传统的电传感器相比，光纤传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、频率响应高、抗电磁干扰等优点，因此光纤传感技术与超声波检测技术相结合是一种很好的PD信号检测方法。文献[23]对非本征型法布里-珀罗干涉（extrinsic Fabry-Perot interferometric，EFPI）传感器PD声测系统进行了仿真研究，并建立了传感系统，该传感系统在距离放电源100 mm时可测得的最小放电量的理论值为5 pC，但仅为理论仿真值，未将EFPI传感器应用于真实的PD检测中。文献[24]对光纤F-P局部放电检测传感器进行了优化，将最小可测放电量从335 pC变为92 pC，但优化后的传感器固有频率仅为32.8 kHz，相对于PD产生的超声频率而言较低。文献[25]利用氧化石墨烯薄膜制备而成的光纤法珀PD声传感器实现了低至100 pC的PD量检测，但氧化石墨烯薄膜厚度仅有500 nm，极易破碎，难以在复杂的环境中长时间使用。文献[26]利用基于金膜片的EFPI传感器实现了PD检测与定位，但其制备工艺要求高且成本昂贵。因此，目前缺乏一种检测灵敏度高且结构稳定，适用于复杂环境又能长时间监测的EFPI局部放电超声传感器。

鉴于此，本文设计并制备了一种灵敏度高且适用于PD检测的EFPI超声波传感器。首先，利用有限元仿真软件COMSOL对不同膜片结构参数的光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot，F-P）传感器进行了仿真，研究了石英膜片的灵敏度和固有频率与结构参数之间的关系，以获得灵敏度高且固有频率处于PD超声频率范围内的EFPI传感器结构参数。然后，在实验室对制备的EFPI超声传感器进行了超声检测实验，在EFPI传感器上分别施加频率为30 kHz和40 kHz的超声波信号，并对检测到的实验结果进行了分析。最后，为了验证本系统的准确性，在GIS模拟装置上进行PD超声波检测，得到了最小可检测放电量为53 pC。

1  传感原理与传感器设计

图1为EFPI传感器结构示意。整个EFPI传感器由传感膜片、石英管和单模光纤（single-mode fiber，SMF）组成。光从SMF进入F-P腔，一部分光从SMF端面反射回来，另一部分则传输到F-P腔，再从膜片反射回光纤纤芯，反射到SMF纤芯的总光强^[27]为

图1  EFPI传感器结构

Fig.1  Schematic diagram of EFPI sensor

式中：R₁和R₂分别为单模光纤端面和膜片的反射率；L为F-P腔的长度；n₀为腔体介质折射率；λ为波长；I₀(λ)为不同波长下的输入光强度。由式（1）可知，反射光的强度随F-P腔长的变化而改变。因此，当PD发生时，产生的超声信号作用于光纤F-P传感器的膜片上，导致F-P传感器的腔长发生变化，从而引起两束光的光程差发生改变，最终导致反射光的强度发生变化。传感器膜片的灵敏度，中心位移和响应频率决定了传感器的测量范围和精度。当膜片的弹性形变量小于膜片厚度的30%时，其形变量与压力成正比^[28]。膜片中心点的压缩形变灵敏度^[29]可表示为式中：μ为泊松比；E为杨氏模量；r和h分别为膜片的半径和厚度；y_max为二氧化硅膜片的最大形变量；P为压力。由式（2）可知，膜片中心点的形变量仅与几何参数中的厚度和半径有关。圆形膜片的固有频率f₀₀可表示为式中：k₀₀为一阶共振常数3.196； ρ 为膜片的材料密度。当声波频率靠近传感器的固有频率时，由于共振特性，传感器膜片将获得极大的形变量而无法满足线性关系，为了保证传感器具有较平坦的频率响应，膜片的固有频率至少为最大测量频率的3倍^[30]。为了EFPI传感器能在PD超声波频率较为集中的20~80 kHz时获得较平坦的频率响应，膜片的固有频率至少应在240 kHz附近。

考虑到SiO₂的普遍性以及与光纤材料的一致性，因此将SiO₂用作EFPI传感器膜片的材料。为了获得SiO₂膜片的最佳结构参数，本文采用仿真软件COMSOL进行了数值模拟分析，其中固体压力作为超声波在膜片上产生的声压作用。首先，研究了石英膜片厚度与灵敏度、固有频率的关系。当膜片半径为1000 μm时，不同膜片厚度在1 kPa压力作用下膜片形变量与膜片厚度的关系，如图2 a)所示，当膜片厚度由30 μm增加到100 μm时，膜片形变量减小，传感器的灵敏度降低，图2 a)内插图分别为膜片厚度50 μm和100 μm时的形变量，两者差异显著。

图2  膜片厚度与传感器灵敏度、固有频率的关系

Fig.2  The relationship between diaphragm thickness and sensor sensitivity and natural frequency

膜片厚度与固有频率的关系如图2 b)所示，传感器的固有频率随着膜片厚度的增加而提高。随后，当膜片厚度为50 μm时，研究膜片半径与灵敏度、固有频率的关系。图3 a)和图3 b)中的内插图分别显示了膜片半径为900 μm和1400 μm时，EFPI传感器在相同压力下的膜片形变和固有频率。仿真结果表明，膜片半径为1400 μm时的形变量大于膜片半径为900 μm时的形变量，而膜片半径为1400 μm时的固有频率小于膜片半径为900 μm时的固有频率。由图3 a)和图3 b)的关系曲线可以看出，随着膜片半径的增加，传感器的灵敏度增加，而固有频率降低。

图3  膜片半径与传感器灵敏度、固有频率的关系

Fig.3  The relationship between diaphragm radius and sensor sensitivity and natural frequency

从式（2）和式（3）中可以看出F-P腔长值对灵敏度和固有频率没有影响。如图4所示，当膜片厚度与半径确定时，不同腔长对应的膜片形变量和固有频率均为一个定值。但是传输光路长度与腔长成正比，而传输损耗会随着传输光路长度的增加而增加，因此，F-P腔的腔长值要尽可能小。

图4  腔长与传感器灵敏度、固有频率的关系

Fig.4  The relationship between cavity length and sensor sensitivity and natural frequency

为了平衡传感器灵敏度和检测频率范围，本文选择膜片的厚度h为50 μm，半径r为1500 μm，同时F-P腔长L为33.7 μm。经计算，EFPI传感器的固有频率为234.85 kHz。图5 a)给出了膜片形变量随压力变化的曲线，通过拟合计算可得，该EFPI传感器的膜片形变灵敏度可达106.6 nm/kPa。膜片半径较大且厚度较薄，制备时膜片极易破损，因此本文先将半径1.75 mm，厚度120 μm的膜片石英管端面粘合，再将石英片端面置于研磨机上，使用磨料粒度为8000目的抛磨砂纸将膜片厚度打磨至50 μm，此时可将石英管作为手柄控制打磨力度，能够大幅度减小膜片碎裂的情况。最终制备而成的EFPI传感器及其反射光谱如图5 b)所示。

图5  EFPI传感器膜片形变量随压力变化曲线、反射光谱及其实物图

Fig.5  The variation curve of the EFPI sensor diaphragm deformation with pressure, the reflection spectrum and image of the EFPI sensor

2  实验与分析EFPI超声波传感器检测系统的原理如图6所示，其中EFPI传感器的声敏膜片为有效半径1500 μm，厚度50 μm的石英膜片，红色框线内所示为EFPI超声检测系统的具体结构。超声波发射装置由信号发生器（DG4102，RIGOL）和空气耦合陶瓷超声传感器（FUS-40CT）组成，通过信号发生器改变陶瓷超声传感器声信号的频率与幅度，实现特定超声波的发射。在距离声发射传感器30 cm处，放置空气耦合陶瓷超声接收传感器（FUS-40CT）和EFPI传感器用于接收超声信号，其中陶瓷超声接收传感器连接示波器（MSO8204，Rigol），EFPI传感器连接EFPI超声检测系统。窄线宽激光光源（DL-BF8B-CLS101B-S1550-LW10，DenseLight）发出连续光，通过环形器传输到EFPI传感器。光经过EFPI传感器反射后，通过环形器传输到光电探测器（PDA20CS2，Thorlabs）。微弱的光信号被转换成电信号，并在光电探测器上被放大，随后通过高速数据采集卡（M4i.4450，Spectrum）进行数据采集并输出到电脑，然后在电脑端对采集到的数据进行处理、显示和保存。

图6  EFPI超声传感器测试系统

Fig.6  Schematic diagram of the EFPI ultrasonic sensor test system

本文制备的EFPI超声传感器的平坦响应频率范围为0~78.28 kHz，因此将此频率范围内的单频声信号应用到传感系统中进行实验验证。利用信号发生器将峰峰值为5 V，频率分别为30 kHz和40 kHz的正弦波信号施加到声发射传感器上，EFPI传感器作为信号接收端，所监测的电信号输出和频谱如图7所示，其频谱曲线分别在29.97 kHz和39.92 kHz频率点处急剧上升，与施加的30 kHz和40 kHz正弦波信号频率一致，两点处的信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）均达到59 dB以上，频谱图中出现明显尖端，通过观测频谱图尖端对应频率点可以得到EFPI传感器检测到的超声信号频率，因此，该EFPI传感器能够精确检测PD超声信号频率信息。

图7  传感器系统在30 kHz和40 kHz正弦波作用时的频谱和输出电压振幅

Fig.7 Spectrum and output voltage amplitude of the sensor system under the action of 30 kHz and 40 kHz sine wave

为了进一步验证EFPI传感器的检测效果，本文参照国家电网公司企业标准《局部放电超声波检测仪技术规范》（Q/GDW11061—2017）设计和加工的GIS模拟放电罐体进行PD测试。GIS局部放电模拟装置如图8所示，罐体直径为260 mm，其内部能承受0.4 MPa的气体压力。本实验基于针板放电缺陷模型进行PD测试，且EFPI传感器置于GIS模拟罐体内部，同时将电流互感器（TA）穿过地线，对TA所测信号进行积分获得视在放电量。

图8  GIS局部放电模拟装置

Fig.8  GIS partial discharge simulation device

调节交流调压器的大小，使高压电极间的电压依次从0 V开始增加，使针板电极发生PD现象，将EFPI传感器与TA分别连接到示波器观察并记录相应的电压波形信号。当EFPI传感器检测到的电压波形开始呈现超声波形时，记录此时TA环的电压波形为v(t)。若TA的电流电压耦合比为k，则PD的放电量^[31]为

式中：t₀为电压波形开始上升的时间点；t₁为电压波形恢复至水平的时间点。本实验中所使用的TA环耦合比k=0.2，因此对已记录的TA环的电压波形积分后可得EFPI超声传感系统能检测到的最小放电量为53 pC。图9 a)、图9 b)分别为电极施加4.2 kV和4.9 kV电压时EFPI传感器和TA捕捉到的PD信号。由检测结果可知，TA捕捉到PD信号的同时，EFPI传感器检测到的电压波形开始呈现超声波形。因此，当PD产生时，EFPI传感器能够同步、有效、准确地检测到超声信号。另外，将在今后的研究中进一步探究EFPI超声传感器探测的声波信号幅值、频率等特征参量与局部放电的关系。

图9  传感器与电流互感器的PD检测结果

Fig.9  The partial discharge detection results of the sensor and current transformer

如表1所示，与同类型传感器相比，本文制备的EFPI超声波传感器具有频响范围宽、检测灵敏度高的特点。

表1  EFPI超声传感器性能指标对比

Table 1  Comparison of EFPI ultrasonic sensor performance index

3  结论本文研究并设计了一种基于EFPI的PD超声传感器，进行了相关的理论仿真与实验，论文主要研究成果如下。1）通过仿真分别研究了EFPI传感器膜片厚度、半径和F-P腔长与传感器的灵敏度、固有频率的关系，确定了传感器最佳的结构参数。当膜片厚度为50 μm，膜片半径为1500 μm，F-P腔长为33.7 μm时，EFPI传感器的灵敏度为106.6 nm/kPa，固有频率为234.85 kHz。2）实验验证了将频率为30 kHz和40 kHz的单频声信号分别加载于传感器上，EFPI传感器可以相应探测到频率为29.97 kHz和39.92 kHz的超声信号，实验结果表明，该传感器能够精确探测到PD超声信号。3）通过GIS局部放电模拟罐体，验证了EFPI传感器对真实放电信号检测的准确性，实验结果表明，该传感器能够检测到的最小局部放电量为53 pC，进一步说明了该EFPI传感器具有很好的工程应用潜力。（责任编辑　王文诗）

作者介绍

鞠玲（1986—），女，硕士，工程师，从事输变电设备检修运行技术研究，E-mail：[e-mail];

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黄怿（1978—），男，博士，教授，从事光纤局部放电传感技术研究，E-mail：[e-mail].

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 往期回顾 

编辑：于静茹

校对：王文诗

审核：方彤

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