郭少朋，高瑩瑩，徐魯寧 ，韓 立

(1.中國科學院電工研究所，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100049)

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基于光纖法珀傳感器的局部放電測試系統

郭少朋1,2，高瑩瑩1，徐魯寧1,2，韓 立1,2

(1.中國科學院電工研究所，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100049)

針對油浸變壓器中局部放電的測試需求，設計了一套基于光纖法珀傳感器的超聲波測試系統。該系統采用集成可調諧激光模塊作為光源，通過光纖環(huán)形器把光源、法珀傳感器和光電探測器連接起來。光電探測器的直流輸出信號通過MCU的檢測，用來調整集成可調諧激光器模塊的工作波長和傳感器的工作點。對光電探測器輸出的交流小信號通過信號調理電路進行放大、濾波得到被測聲波的模擬信號。通過對模擬信號進行數據采集、分析和顯示，實現對局部放電的監(jiān)測。

變壓器；局部放電；超聲波傳感器；法布里-珀羅干涉儀；集成可調諧激光模塊；信號調理

0 引言

通過檢測局部放電(簡稱局放)產生的超聲波信號，可以發(fā)現電力變壓器絕緣缺陷的位置，避免重大事故的發(fā)生[1-2]。傳統的壓電傳感器通過在變壓器外殼上探測超聲波信號來檢測和定位局部放電的位置，但會遇到聲波在殼體上傳輸的多路徑問題和殼體對聲波的衰減問題[3]。近年來，國內外學者提出了一種用于局放測量的光纖法珀(Fabry-Perot，FP)傳感器，它具有絕緣、耐腐蝕、抗電磁干擾、體積小、靈敏度高等特點，可以安裝在變壓器殼體內部進行局部放電測量[4-8]。

FP傳感器測量聲波時，需要把工作點維持在干涉條紋中部線性區(qū)域才會具有高的靈敏度，但是在實用中會因為溫度等因素影響，工作點發(fā)生漂移[5-9]。針對工作點的調節(jié)，文獻中構造的光濾波器、光放大器方法結構復雜[10]，而采用分布反饋激光器(Distributed Feed Back,DFB)方法的調諧范圍小[11-12](<4 nm),應用受到限制。本文基于研制的光纖FP傳感器，采用一種新型的集成可調諧激光器模塊(Integratable Tunable Laser Assembly ，ITLA)，通過MCU對干涉光強的監(jiān)測，來調節(jié)激光器波長以穩(wěn)定工作點，并設計了信號調理、數據采集電路。該系統工作穩(wěn)定，靈敏度高，可用于局放監(jiān)測。

1 FP傳感器的工作原理

FP傳感器的工作原理如圖1所示。FP傳感器由2個反射面構成：一個是光纖端面反射率R1，另一個是薄板/膜制作的反射鏡反射率R2，兩個反射面的間距是腔長L。光纖輸入的入射光，遇到2個反射面發(fā)生反射，反射光發(fā)生干涉，干涉的相位差θ由式(1)計算：

θ=2π·2L/λ

(1)

式中λ為光波長。

圖1 光纖FP傳感器的工作原理

傳感器薄膜遇到局部放電而產生超聲波時，隨聲波振動，造成L及θ的變化。輸出光強隨之變化，當傳感器的靜態(tài)工作點處于干涉條紋中部線性區(qū)域時，干涉光強變化(ΔI)對薄膜振動(Δθ或ΔL)最靈敏，傳感器可以高靈敏度工作；靜態(tài)工作點處于條紋的峰值與谷底時，干涉靈敏度趨于0。靜態(tài)工作點的位置(見式(1))θ是腔長L和波長λ的函數，溫度影響L的變化，造成工作點的位置變化，可以通過調節(jié)ITLA的波長λ來修正。

2 系統設計

如圖2所示，測試系統由光路控制部分和電路處理部分構成。光路控制部分包括可調諧激光器、光環(huán)形器、FP傳感器，光電探測器以及控制光路穩(wěn)定工作的MCU(STM32F103)。電路處理部分包括信號調理電路和數據采集、顯示電路等。

圖2 測試系統原理框圖

3 光路及其控制

如圖2所示，可調諧激光器發(fā)出的光經單模光纖進入環(huán)形器1口，從環(huán)形器2口進入FP傳感器，FP傳感器的反射輸出返回環(huán)形器2口，再從3口輸出經光電轉換電路轉換為電壓信號。MCU對直流電壓信號進行采集和監(jiān)控，調整可調諧激光器的工作波長，從而穩(wěn)定傳感器的工作點。

3.1 FP傳感器

目前該傳感器尚無成熟產品，測試系統采用研制的FP傳感器，采用光學玻璃制做圓片薄板，厚度150 μm，直徑2.52 mm，腔長L為43 μm，光纖端面和薄板內側鍍了介質反射膜：R1為0.52，R2>0.97。采用上述尺寸參數，傳感器薄板的共振頻率約100 kHz，與被測超聲波頻率范圍較吻合。上述腔長和反射率參數可以獲得較理想的干涉條紋曲線，這對于提高靈敏度非常有利。用ITLA激光器掃描上述參數的傳感器測得的干涉光譜曲線如圖3所示。干涉譜對波長的導數代表了該波長位置的靈敏度，工作時把波長設置在導數曲線峰值位置，可獲得最大的靈敏度，它處于干涉譜曲線的中部線性區(qū)域。

圖3 傳感器干涉譜及工作波長選擇

3.2 光電探測器

PIN電流-電壓轉換電路如圖4所示。圖4中光電探測器S1(光電二極管PIN，型號G-PD830，C波段的響應度約為1 A/W)，用來把光強度信號轉為電流信號。運算放大器U1A(低噪聲運算放大器AD8652)與PIN構成零偏置電流-電壓轉換電路，它具有低噪聲、降低輸入阻抗的優(yōu)點[13]。轉換輸出電壓信號(PDV)的低頻直流部分(PD_DC)用于工作點監(jiān)測，高頻交流部分(PD_AC)用于聲波監(jiān)測。

圖4 PIN電流-電壓轉換電路

3.3 可調諧激光器

可調諧激光器采用ITLA，基于SG-DBR原理的ITLA，調節(jié)范圍大、調節(jié)速度快。SG-DBR的調諧原理是通過調節(jié)前后反射光柵的反射光譜，可獲得基于游標效應的大范圍波長調諧輸出[14-15]。ITLA主要性能指標：可調諧范圍1 528～1 563 nm，波長(或通道)間隔50 GHz(約0.4 nm),通道96個，調節(jié)周期0.1 s,光功率9～13 dBm。

光互聯網論壇的集成可調諧光源模塊多源協議(OIF-ITLA-MSA-01.2)對ITLA硬件接口和通訊協議制定了標準。接口定義及實用電路如圖5所示。+3.3 V電源對ITLA數字電路及電源供電，所以需要提供大于1 A的電流。DIS、MS及RST接上拉電阻R13，表示配置為激光輸出允許，串口通訊上電復位、ITLA上電復位。

圖5 ITLA接口電路

通訊協議的指令為4字節(jié)(如表1所示)。下傳指令(To ITLA)中第一字節(jié)高四位為校驗和(SUM)，y是校驗和錯誤的標識位，最低位表示指令類型(讀為0，寫為1)；第二字節(jié)為讀寫寄存器地址(00～FF)；第三、四字節(jié)為讀寫內容。設置通道用寫指令，寄存器地址為0x30;查詢當前激光頻率用讀指令，訪問寄存器為0x40、0x41。MCU下傳四字節(jié)讀/寫指令后，ITLA上傳四字節(jié)的應答指令(From ITLA)。

表1 ITLA通訊協議

3.4 工作點相位的穩(wěn)定控制

當溫度變化造成工作點漂移時，光功率會明顯變化。因為溫度是一個緩變量，而ITLA的調節(jié)速度快，可以通過監(jiān)測光功率的變化，調整ITLA的工作波長/通道，穩(wěn)定工作點的位置。光電轉換及ITLA控制電路如圖6所示。反映工作點的直流電壓信號(圖4中PD_DC)送至STM32F103芯片的AD輸入引腳(圖6中ADC_0)，可實現工作點監(jiān)測。工作點調整通過STM32F103向ITLA發(fā)送波長/通道修改指令來實現。ITLA的串行通訊接口定義為LVTTL電平，STM32F103的串行收/發(fā)引腳(USART3中ARM_T,ARM_R)與ITLA的串行收發(fā)引腳交叉相連，不需電平轉換。用于STM32F103程序下載(USART1)的通訊引腳需要轉換為RS232電平與電腦相連。BOOT1接地，BOOT0接電源，配置為下載程序；BOOT0接地時配置為上電運行程序。

圖6 光電轉換及ITLA控制電路

激光器波長調整流程如圖7所示。工作點的控制分為兩種工作狀態(tài)-掃描狀態(tài)和定時器跟蹤狀態(tài)。起始階段，MCU順序掃描ITLA的逐個波長/通道，同時MCU通過A/D采集記錄逐個通道對應的電壓輸出值，可獲得如圖3所示的光譜曲線。MCU把ITLA的初始工作通道設置在曲線導數最大的位置，傳感器可高靈敏度工作。然后MCU初始化定時器，進入跟蹤狀態(tài)。MCU以設定時間(通過定時器觸發(fā)的次數n是否等于N來計時)查詢當前光功率與初始工作通道的光功率偏離的程度，當二者差值超出閾值時，進行調整，否則重新計時(n清零)。調整的方法是：通道增/減1試探，通過比較(通道±1)調整的結果，把較優(yōu)的通道保留下來。這樣通過周期性、持續(xù)地調整可以實現工作點的長期穩(wěn)定，消除溫度等緩變量對傳感器工作點的影響。

圖7 MCU對ITLA工作點控制流程圖

4 電路設計

4.1 信號調理電路設計

用于測量聲波的信號來自電流-電壓轉換電路輸出的交流信號(圖4中PD_AC)。信號調理電路(如圖8所示)對交流信號(PD_AC)進行交流放大電路(如圖8(a)所示)輸出AC_AMP信號，再經濾波電路(如圖8(b)所示)所示輸出可用于數據采集的AC_ADC信號。運放U1、U2采用單電源+5 V供電，輸入端靜態(tài)偏置電壓2.5 V。U1B實現交流放大，C3為隔直電容。U2A部分構成二階低通濾波器，U2B部分構成二階高通濾波器，串接在一起取低通高通的交集實現帶通濾波功能，根據被傳感器及被測聲波的信號特征，交流培益40 dB，帶通濾波器的通帶50～200 kHz。濾波器輸出信號(AC_ADC)為直流偏執(zhí)為2.5 V的交流信號。

(a)交流放大電路

(b)帶通濾波電路圖8 信號調理電路

4.2 數據采集處理

經過放大、濾波的模擬輸出信號(AC_ADC)，輸入采集卡輸入端進行數據采集。數據采集卡選用PCI-20614。采集卡具有4個獨立通道，每通道的量程4檔可調(±500 mV、±1V、±5V、±10V)，采樣率可達20 MHz，采用14位A/D轉換，采集卡可配置4G的SDAM緩存。觸發(fā)方式有指令觸發(fā)、模擬幅值內觸發(fā)和TTL電平外觸發(fā)方式；采集起點時間超前或滯后觸發(fā)信號；耦合方式有交、直流耦合。工作中預覽波形時采用指令定時觸發(fā)或者定時外觸發(fā)、零延時采集；撲捉特殊的放電聲信號時刻采用模擬觸發(fā)及超前采集，采用交流耦合消除直流偏置電壓。

5 實驗

整機設計3路獨立的光路及信號調理電路，可以同時測試3路局放產生的超聲波信號。3路模擬信號的輸出接數據采集卡(PCI-20614)的輸入。試驗中在油箱內部安裝了3路FP傳感器，測試油隙擊穿放電聲波。針尖間隙約0.5 mm，施加脈沖電源約50 kV。以電脈沖觸發(fā)為零點，測試到了油中局放源到達3支傳感器的不同延時(t1,t2,t3)超聲波信號如圖9所示。根據油中聲速(室溫，1 450 m/s)，可以計算出局放源與3支傳感器的距離，測距離誤差小于1 cm，實現了局放源的精確定位。經校準，該系統可測試最小局放聲波信號的聲壓約1 Pa，可以用于局放測試。

圖9 3路局放聲波采集數據

6 結束語

設計了一套光纖法珀傳感器系統，可內置于變壓器油中進行局部放電測量。采用ITLA解決了法珀傳感器工作點穩(wěn)定問題，并給出了穩(wěn)定工作點的電路結構及控制方法；設計了光電轉換、信號調理及數據采集電路；實驗驗證了研制的3路傳感器系統對油中局部放電超聲波的測試性能。本文對研制采用光纖法珀傳感器的局部放電測試系統具有參考意義。

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Partial Discharges Detection System Based on Fiber Fabry-Perot Sensors

GUO Shao-peng1,2,GAO Ying-ying1,XU Lu-ning1,2,HAN Li1,2

(1.Institute of Electrical Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

A measurement system was designed based on ultrasonic fiber Fabry-Perot sensors,aiming at detecting partial discharges in oil-immerged transformers.The sensors were illuminated by Integratable Tunable Laser Assembly(ITLA).The ITLA,the sensor and the photodetector were connected via fiber circulator.The wavelength of the ITLA can be altered by MCU according to the DC signals from the photodetector.Thus,the working point of the sensor can be stabilized.Acoustic analog signals can be obtained via amplifying and filtering the small AC signals from the photodetector by the conditioning circus.The partial discharges could be monitored by data acquisition,analysis and display of the analogy signal.

transformers;partial discharges;ultrasonic sensors;Fabry-Perot interferometers;ITLA;signal conditioning

2015-02-12 收修改稿日期：2015-08-08

TP216;TM835

A

1002-1841(2015)12-0061-04

郭少朋(1974— )，助理研究員，博士研究生，研究方向為光電傳感技術。E-mail：gsp@mail.iee.ac.cn 高瑩瑩(1974— )，工程師，碩士，研究方向為微納加工技術及光電傳感技術。E-mail：gaoyy@mail.iee.ac.cn