荧光光纤布置方式对局部放电信号检测的影响研究.pdf
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1、绝缘材料 2023,56(8)秦少瑞等:荧光光纤布置方式对局部放电信号检测的影响研究荧光光纤布置方式对局部放电信号检测的影响研究秦少瑞1,秦硕2,柯艳国3,李宾宾1,潘超3,4,秦金飞1,潘成2(1.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院,安徽 合肥 230601;2.武汉大学 电气与自动化学院,湖北 武汉 430072;3.国网安徽省电力有限公司,安徽 合肥 230022;4.西安交通大学 电气工程学院,陕西 西安 710049)摘要:局部放电(partial discharge,PD)光测法具有抗干扰能力强、灵敏度高等特点,是电气设备绝缘状态检测的重要和有效方法之一,其信号检出能力与荧光光纤
2、传感器的布置方式息息相关。本文搭建了荧光光纤PD检测实验平台,研究了直线布置和阿基米德布置两种情况下传感器与绝缘缺陷相对距离的变化对PD检测效果的影响,并与常用的特高频法进行了对比。结果表明:阿基米德布置比直线布置具有更高的灵敏度;当荧光光纤与PD缺陷的距离小于45 cm时,这两种布置方式下光测法的灵敏度都高于特高频法。对于直线布置,水平距离增加比垂直距离增加对PD检测的不利影响更大。对于阿基米德布置,荧光光纤横向偏移对检测PD的影响大于水平距离。最后,根据两种布置方式的特点和开关柜容易出现PD的位置,给出了荧光光纤在开关柜布置的建议。关键词:荧光光纤;布置方式;光信号;局部放电中图分类号:T
3、M835 DOI:10.16790/ki.1009-9239.im.2023.08.010Influence of fluorescent fibers layout methods on detection of partial discharge signalsQIN Shaorui1,QIN Shuo2,KE Yanguo3,LI Bingbing1,PAN Chao3,4,QIN Jinfei1,PAN Cheng2(1.State Grid Anhui Electric Power Corporation Research Institute,Hefei 230601,China;2
4、.School of Electrical Engineering and Automation,Wuhan University,Wuhan 430072,China;3.State Grid Anhui Electric Power Corporation,Hefei 230022,China;4.School of Electrical Engineering,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China)Abstract:Partial discharge optical measurement method has strong anti-in
5、terference ability and high sensitivity,becoming one of the most important and effective methods to evaluate the insulation condition of electrical equipment,whose signal detection capability is closely related to the layout way of fluorescent fiber sensor.An experimental platform for fluorescent fi
6、ber PD detection was built in this paper.The influence of the relative distance between sensor and insulation defect on the PD detection effect was studied in linear layout and Archimedean layout,and then compared with the commonly used UHF method.The results show that the sensitivity of the Archime
7、des layout is better than the linear layout.When the distance between fluorescent fiber and PD defect is less than 45 cm,the two layout methods of fluorescent fiber sensors have higher detection sensitivity than that of the UHF sensors.For the linear layout,increasing horizontal distance has a more
8、detrimental effect on PD detection than increasing vertical distance.For the Archimedean layout,the lateral offset of fluorescent fiber has a greater effect on the detection PD than the horizontal distance.Finally,according to the characteristics of the two layouts and the location of switchgear whe
9、re PD is likely to occur,recommendations for placing fluorescent fibers in the switchgear were given.Key words:fluorescent fiber;layout method;optical signal;partial discharge0引 言局部放电(partial discharge,PD)能反映设备绝缘破坏的严重程度1-2。光测法是通过检测PD过程中的光辐射来反映PD特性3-4的一种非电测量法,具有抗电磁干扰5、高灵敏度6-7等优势。光测法所获得的光信号或经光学传感器转换的电
10、信号8-9常用于PD光谱分析10、放电模式识别11、放电定位12等研究。荧光光纤是光测法中常用的传感器,具有绝缘性好、不易损坏、耐老化的特点,同时不会对运行设备产生干扰,具有较好的稳定性。国内外学者对于局部放电光测法开展了大量基金项目:国网安徽省电力有限公司科技项目(521205200 05H)64绝缘材料 2023,56(8)秦少瑞等:荧光光纤布置方式对局部放电信号检测的影响研究研究。魏念荣等13采用直线布置的荧光光纤检测了高压电机中的PD信号,通过实验验证了该方法可有效提高电机绝缘缺陷放电信号的检出有效性。唐炬等14-16分别在空气和变压器油中采用直线布置的荧光光纤进行局部放电检测实验,发
11、现光信号的一次积分值与PD视在放电量成线性关系,表明光测法可获取PD视在放电量。韩旭涛等17利用阿基米德布置的荧光光纤检测电气绝缘开关设备(GIS)的PD,将光测法和特高频法结合,研制了光电复合传感器,为GIS的PD检测提供了一种更加可靠的检测方法。D SIEBLER等18利用直线布置的荧光光纤传感器进行高压电缆局部放电检测,结果表明荧光光纤传感器有能力检测到pC级的局部放电,信噪比及灵敏度高。朱旭亮等19采用直线布置的荧光光纤对绝缘子沿面放电光辐射特性进行了分析,为荧光光纤局部放电检测系统的开发、参数优化以及传感器融合提供了参考和依据。以上学者利用荧光光纤进行局部放电检测时,光纤都按照直线或
12、者阿基米德方式布置,但目前还缺少上述两种布置方式的对比研究。直线布置可以将荧光光纤深入电力设备内部,能更近距离地感知PD信号,以此提升检测灵敏度,但前期安装较困难且后期维护成本高;阿基米德布置通过获得更大的光通量来提升检测灵敏度,但其布置需要法兰支撑,法兰通常安装在电力设备内壁上,无法深入电力设备内部,这会降低阿基米德布置对设备内部PD信号的检测效果。因此,有必要针对两种布置方式下PD的检测特性进行对比研究,从而为选择具体的布置方式提供建议。本文利用搭建的荧光光纤 PD检测实验平台,开展不同布置方式下的荧光光纤PD检测实验,测试起始放电电压,并与特高频传感器检测结果进行对比;同时利用示波器收集
13、到的光信号进行局部放电相位分布(phase resolved partial discharge,PRPD)图谱绘制,统计光信号的平均值和放电次数来反映不同条件下的灵敏度,研究距离对不同布置方式下荧光光纤检测PD的影响程度。最后,以开关柜为例,给出荧光光纤布置的建议。1实 验1.1荧光光纤选择当电气设备内部发生 PD时,气体分子发生电离,产生大量的自由电子,自由电子在空间中运动与正离子复合并发射出许多光子,光子被荧光光纤探测并传输。荧光光纤是一种特殊的光纤,可以吸收并传输任意方向的光信号,并且具有较好的绝缘性能,不受电磁信号的干扰。其主要参数有激发光谱、发射光谱和荧光量子产率。荧光光纤的激发光
14、谱需和空气中PD光信号的光谱相匹配,空气中PD光信号主要位于300500 nm;发射光谱应在光电倍增管的光谱响应范围内;荧光量子产率应大于50%。所以本文选用荧光光纤的激发光谱为300500 nm,发射光谱为492577 nm,荧光量子产率为70%的PMMA,其直径为1 mm。当荧光光纤长度增加,由于传输损耗,荧光光纤获取光信号的能量会发生衰减。传输损耗引起的功率衰减定义如式(1)(2)所示。A()=()L=-10lg(P0/Pi)(1)=P0/Pi(2)式(1)(2)中:A()为传输效率;()为衰减系数;L为光纤长度;P0为输出功率;Pi为输入功率;是传输效率。本文选用的荧光光纤,衰减系数(
15、)为0.3,传输效率与长度的关系如图 1 所示。从图 1 可以看出,当光纤长度达到 2 m 时,其传输效率下降至87%。因此,在实际应用中,为保证传输效率高于87%,应使荧光光纤的长度小于2 m。1.2实验平台搭建荧光光纤PD检测实验平台如图2所示,包括变压器(额定电压为100 kV,容量为50 kVA)、保护电阻(5 k)、分压电容(1 000 1)、耦合电容(500 pF)、测量阻抗。针-板电极模拟PD缺陷,电极采用黄铜材料制作,高压端为针电极,曲率半径为1 mm,针板电极间距为10 mm,板电极直径为100 mm、厚度为7 mm。为获取PD的光信号,采用荧光光纤和传输光纤构成检测回路。传
16、输光纤具有良好的传输能力,信号经传输光纤几乎不产生损耗。选用滨松H10723-20 型 光 电 倍 增 管(photomultiplier tube,图1荧光光纤长度与传输效率的关系Fig.1The relationship between optical fiber length and transmission efficiency6565绝缘材料 2023,56(8)秦少瑞等:荧光光纤布置方式对局部放电信号检测的影响研究PMT)将光信号转换为电信号,其光谱响应范围为230920 nm,可覆盖荧光光纤的发射光谱。通过特高频传感器(PDU-S1型)采集 PD 过程中产生的特高频电磁波信号,其
17、检测带宽为3001 500 MHz,平均有效高度为10 mm,特高频传感器布置在距离PD缺陷20 cm处。将分压电容获得的电压信号、荧光光纤传感器获取的PD光信号、特高频传感器获取的电信号和脉冲电流信号接入数字示波器(Tektronix DPO5104B型)。荧光光纤采用直线布置和阿基米德布置两种布置方式,如图3所示。直线布置的荧光光纤长度为 32 cm。阿基米德布置时螺旋线最大直径为 16 cm,光纤总长度为2 m,针电极与阿基米德螺旋线中心位于同一竖直面。对于直线布置的荧光光纤,分别调整光纤与电极的垂直与水平距离来研究距离对PD检测的影响。研究垂直距离的影响时,将荧光光纤和针电极的水平距离
18、固定为15 cm,以经过针尖与板平行的平面为水平面,将光纤与针尖平面的垂直距离设置为0、3、6、9、12 cm;研究水平距离的影响时,将荧光光纤和水平面的垂直距离固定为0 cm,水平距离设置为 7、15、25、35、45、55 cm。对于阿基米德布置的荧光光纤,比较了无横向偏移和有横向偏移两种情况下水平距离(荧光光纤与针电极的水平距离设置为7、15、25、35、45 cm)对PD检测的影响,其中无横向偏移指阿基米德螺旋线中心正对针电极,有横向偏移指针电极对齐阿基米德螺旋线最外侧,偏移8 cm。2布置方式对起始放电电压检测的影响每次实验开始前,用无水乙醇擦拭电极表面并待其表面干燥,目的是防止表面
19、污秽干扰放电的稳定性。以100 V为步长,缓慢升高外施电压,每次加压后等待 30 s,若没有检测到光信号则继续加压。当检测到光信号后,记录此时的放电电压为荧光光纤能检测到的局部放电起始电压(partial discharge inception voltage,PDIV)。每组实验重复 3 次以排除偶然因素的影响,取3次实验的算术平均值作为最终的PDIV。图4给出了直线布置和阿基米德布置两种情况下 PDIV 随荧光光纤与 PD 缺陷水平距离的变化关系。从图4可以看出,当距离从7 cm增加到45 cm时,直线布置检测到的 PDIV 从 8.2 kV 上升到 8.9 kV;阿基米德布置检测到的PD
20、IV从7.8 kV上升到8.8 kV。另外,直线布置检测到的PDIV总大于阿基米德布置检测到的PDIV。这说明当缺陷与光纤的图4不同布置方式检测到的PDIV随距离变化Fig.4Variation of PDIV with distance for different layouts图3荧光光纤的布置方式Fig.3Layouts of fluorescent fibers图2荧光光纤PD检测实验平台Fig.2Optical fiber PD detection experiment platform66绝缘材料 2023,56(8)秦少瑞等:荧光光纤布置方式对局部放电信号检测的影响研究距离相同时
21、,阿基米德布置的荧光光纤相比于直线布置的荧光光纤更容易检测到PD。为了进一步比较两种布置方式下PDIV的检测能力,记录了PD起始时的光信号和特高频信号,如图5所示。由于极不均匀电场存在极性效应,针电极为负极性时更容易发生PD,两种布置方式都是首先在负极性检测到PD信号,但PDIV有所不同。从图 5(a)可以看出,当距离为 7 cm时,两种布置方式的光测法均有效检出了放电信号,而特高频传感器未检测到放电信号;此外,直线布置检测到的PDIV为8.2 kV,而阿基米德布置检测到的PDIV仅为 7.8 kV,比直线布置低 0.3 kV。从图 5(b)可以看出,当距离为25 cm时,直线布置检测到的PD
22、IV仍大于阿基米德布置检测到的 PDIV,而特高频传感器仍没有检测到PD信号。从图5(c)可以看出,当水平距离增加至45 cm时,直线布置检测到的PDIV为8.9 kV,阿基米德布置检测到的PDIV为8.8 kV,而此时特高频传感器仍未检测到明显的放电信号。以上结果进一步证实,当与PD缺陷距离相同时,直线布置的荧光光纤对PD的检出能力弱于阿基米德布置的荧光光纤;在距离不超过45 cm时,两种布置方式的荧光光纤传感器检测PD的灵敏度都强于特高频传感器。3布置方式对局部放电信号检测的影响3.1直线布置施加峰值为9.8 kV的电压到缺陷两端,连续采集50个工频周期的放电信号,为了保证实验结果的重复性
23、,重复实验6次,将300个工频周期的PD信号绘制成PRPD谱图,得到PD缺陷与光纤的垂直距离和水平距离变化时的PRPD谱图分别如图6和图7所示。由图67可知,随着距离的增加,PD强度逐渐下降,PD次数也在减少,但相位分布范围基本保持不变,主要集中在270 附近。(a)0 cm (b)3 cm (c)6 cm (d)9 cm(e)12 cm图6不同垂直距离下直线布置光信号的PRPD图谱Fig.6PRPD of linearly placed optical signals at different vertical distances(a)7 cm(b)25 cm(c)45 cm图5光测法和特高
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