皮昊書，韋盈釋，陳金鋒，陳子涵，吳 中，馬 楠

深圳供電局有限公司福田供電局，廣東深圳 518031

交聯(lián)聚乙烯(crosslinked polyethylene, XLPE)由于具有良好電性能、熱性能以及結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于配電網(wǎng)中，但在XLPE的安裝和運(yùn)行過程中，尤其是電纜中間接頭部分，易受現(xiàn)場作業(yè)人員個人技術(shù)和復(fù)雜環(huán)境因素的影響，出現(xiàn)內(nèi)部絕緣缺陷，導(dǎo)致局部放電現(xiàn)象的產(chǎn)生.局部放電會不斷腐蝕電纜的絕緣層，使其絕緣性能出現(xiàn)大幅下降，從而引起電纜運(yùn)行故障，造成停電事故.多數(shù)局部放電引起的電纜故障發(fā)生在中間接頭部位[1]，因此，監(jiān)測工作狀態(tài)電纜的中間接頭，監(jiān)控其局部放電強(qiáng)度大小，對于在局部放電超出安全強(qiáng)度之前，對缺陷部分進(jìn)行維護(hù)十分必要.

局部放電過程常伴隨光輻射、熱輻射、電磁輻射及超聲波等現(xiàn)象.局部放電監(jiān)測方法主要有電氣測量和非電氣測量兩類，前者包括脈沖電流法、超高頻檢測法、無線電干擾電壓法及介質(zhì)損耗分析法等[2-6].其中，脈沖電流法雖靈敏度高，但測量頻率低、頻帶較窄、信息量相對較少，抗干擾能力較弱；超高頻檢測法具有檢測信號頻率高、抗外界干擾能力強(qiáng)、測量準(zhǔn)確及靈敏度高的優(yōu)點，但受到超高頻電磁波信號在沿電纜傳播時衰減迅速的限制，該方法主要用于尺寸較小的XLPE電力電纜中，對附件絕緣缺陷產(chǎn)生的局部放電進(jìn)行檢測.非電氣檢測方法包括化學(xué)法、光測法及超聲法等.其中，利用化學(xué)方法進(jìn)行局部放電檢測的靈敏度低于電測法和聲測法，其檢測也難以發(fā)現(xiàn)較短時間內(nèi)發(fā)生的放電故障.光測法由于設(shè)備相對昂貴、靈敏度不高,特別是需要植入設(shè)備內(nèi)部,這極大限制了其現(xiàn)場應(yīng)用.近年來，光纖傳感技術(shù)在聲波檢測領(lǐng)域得到快速發(fā)展，基于光纖傳感技術(shù)的聲波監(jiān)測方法具有不受電磁干擾、本質(zhì)安全及長期穩(wěn)定的優(yōu)點，光纖本身柔軟易彎曲的特性也更符合電力電纜的鋪設(shè)要求.2015年，ROHWETTER等[7]首次提出利用準(zhǔn)分布式光纖聲音傳感器監(jiān)測電力電纜連接頭和終端的局部放電.2016 年，ZHANG等[8]展開基于邁克爾遜干涉儀監(jiān)測局部放電的研究.2017年，LI等[9]提出基于Sagnac 光干涉法的局部放電監(jiān)測技術(shù).上述方法將光纖傳感技術(shù)運(yùn)用到電力設(shè)備的健康安全監(jiān)測中，已取得一定成果，驗證基于光纖傳感技術(shù)的聲波檢測法用于檢測局部放電信號的可行性.這些方法均以傳感探頭形式監(jiān)測電力設(shè)備的某些特殊位置，具有點式或準(zhǔn)分布式結(jié)構(gòu)，對電網(wǎng)整體的分布式實時在線監(jiān)測是更理想的方法.

為解決對電力傳輸電網(wǎng)進(jìn)行分布式實時在線監(jiān)測的難題，本研究提出一種基于相敏光時域反射儀(phase-sensitive optical time-domain reflectometry,φ-OTDR)光纖傳感技術(shù)的聲波監(jiān)測系統(tǒng)，在單模光纖中嵌入弱光柵陣列，以相鄰光柵之間的光纖作為傳感單元，對整段電纜包括其中間接頭進(jìn)行分布式在線監(jiān)測，成功檢測出10 kV電壓等級下電纜中間接頭局部放電產(chǎn)生的聲波信號.該系統(tǒng)能準(zhǔn)確快速地解調(diào)出每個電纜中間接頭的局部放電信號，實現(xiàn)大規(guī)模分布式實時在線監(jiān)測.

1 局部放電監(jiān)測原理分析

在電纜產(chǎn)生局部放電過程中，正負(fù)電荷中和會產(chǎn)生瞬時脈沖電流，在脈沖電流作用下瞬間局放區(qū)域因受熱導(dǎo)致體積膨脹，在放電結(jié)束后又迅速恢復(fù)原有體積.這種局部體積的瞬時變化最終導(dǎo)致周圍介質(zhì)的瞬時疏密變化，從而形成聲波.由于局部放電信號是一種周期性的脈沖信號，因此，由其產(chǎn)生的聲信號也是一種周期脈沖信號，具有很寬的聲波頻譜，一般在10～107Hz，且產(chǎn)生的聲波能量主要集中在信號的低頻段.

基于φ-OTDR技術(shù)的分布式系統(tǒng)是一種融合光時域反射儀(optical time-domain reflectometry, OTDR)和光纖后向瑞利散射光干涉技術(shù)的傳感系統(tǒng)，將窄帶激光器產(chǎn)生的激光調(diào)制為脈沖光進(jìn)入傳感光纖中，在調(diào)制脈沖寬度內(nèi)與后向瑞利散射光發(fā)生干涉.當(dāng)傳感光纖的某一位置發(fā)生擾動時，由于光彈效應(yīng)，該處光纖的折射率發(fā)生改變，從而導(dǎo)致光相位發(fā)生變化.利用OTDR的時分復(fù)用原理，根據(jù)后向反射光在時域的先后順序，推算外界擾動信號的位置.

在傳統(tǒng)φ-OTDR系統(tǒng)中，通過解調(diào)光纖中后向瑞利散射光的干涉信號監(jiān)測擾動信號.但瑞利散射信號較弱，存在系統(tǒng)信噪比低、定位精度差等缺點.本研究提出增強(qiáng)型φ-OTDR系統(tǒng)，在傳感光纖中等間隔加入反射率極低的弱光纖光柵，形成弱光柵陣列.與瑞利散射光相比，弱光柵反射回來的反射光具有更高的光強(qiáng)，能夠有效提高干涉信號條紋可見度，提高系統(tǒng)信噪比[10-11].采用邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)，當(dāng)其長短臂臂差與弱光柵陣列的固定間隔相同時，相鄰弱光柵反射回來的光在3×3耦合器處相遇并發(fā)生干涉.若傳感光纖受到外界干擾信號，發(fā)生干涉的兩束光之間的相位差會發(fā)生改變，導(dǎo)致干涉信號的強(qiáng)度發(fā)生變化.

3×3耦合器作為功率分配器將光信號分成3路的同時，使每路輸出信號之間具有120°的相位差，其3路輸出信號可表示為

(1)

I1=D+E0cos[φ(t)]

(2)

(3)

其中，I0、I1及I2分別為3路輸出信號的光強(qiáng)；D為輸出光強(qiáng)的平均值；E0為干涉條紋的峰值強(qiáng)度；φ(t)為相位.利用3×3耦合器解調(diào)算法[12-14]可得

(4)

其中,Vout為輸出信號；φ(t)為相位差信號，即待測信號；ψ(t)為外界擾動引起的相位差，即干擾信號，一般為低頻信號.

2 系統(tǒng)搭建

基于φ-OTDR的分布式聲波監(jiān)測系統(tǒng)原理如圖1，窄線寬光源用于產(chǎn)生中心波長為1 550 nm的連續(xù)激光，半導(dǎo)體激光放大器(semiconductor optical amplifier, SOA)將該連續(xù)激光調(diào)制成周期和脈寬可控的脈沖光.摻鉺激光放大器 (erbium-doped optical fiber amplifier, EDFA)用來提高入射光強(qiáng)度，提高系統(tǒng)信噪比，由于EDFA放大光信號的同時也會放大系統(tǒng)噪聲，所以，在EDFA后面接入1個濾波器，可以有效抑制EDFA對系統(tǒng)噪聲的放大.脈沖光經(jīng)過弱光纖光柵傳感器時，部分光反射回來，大部分光透過光柵繼續(xù)向后傳播.相鄰兩個弱光柵反射光進(jìn)入3×3耦合器中，經(jīng)過邁克爾遜干涉儀的長臂和短臂(兩臂差L與相鄰光柵間距有關(guān)，本系統(tǒng)L=5 m)，被法拉第旋鏡(Faraday rotator mirror, FRM)反射回來，在耦合器中發(fā)生干涉.3個光電探測器分別探測3×3耦合器的3路輸出信號，將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，利用高速數(shù)據(jù)采集卡(最大實時采樣率為250 MS/s)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)進(jìn)行信號解調(diào)、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果顯示.圖1中現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array, FPGA)部分用來產(chǎn)生兩路脈沖信號及相應(yīng)延時，一路脈沖信號用來驅(qū)動SOA，另一路脈沖信號用來觸發(fā)采集卡進(jìn)行采集，通過控制兩路脈沖光之間的延時，實現(xiàn)對弱光纖光柵陣列中每個光柵的逐一檢測.

圖1 解調(diào)系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)中將激光器的連續(xù)光調(diào)制成典型時分復(fù)用系統(tǒng)中的脈沖光，局部放電點距入射點的距離d為

(5)

其中，c為光在真空中的傳播速度；τ為入射光和反射光之間的延時；ne為光纖的有效折射率.通過計算τ可確定d，從而判斷產(chǎn)生局部放電區(qū)域的位置.

3 實驗結(jié)果及分析

在配電網(wǎng)10 kV XLPE電纜的實際運(yùn)行過程中，大部分故障發(fā)生點位于電纜中間接頭處.為了盡可能模擬真實環(huán)境，實驗加工了一段帶有中間接頭的XLPE電纜，并在接頭處人為做出缺陷，在電纜加電壓時即能產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象.

圖2為局部放電模擬發(fā)生裝置，將整段待測試電纜架空，用高電壓發(fā)生器(電壓產(chǎn)生范圍為0～250 kV，頻率為50 Hz)為其提供所需電壓.由于空氣和光纖之間的聲音阻抗不匹配，光纖對空氣中的聲音敏感度低，導(dǎo)致直接利用光纖測量局放產(chǎn)生的聲音信號效果不理想.參考使用光纖麥克風(fēng)中的振動薄膜結(jié)構(gòu)[15]匹配這種聲音阻抗，利用一段很薄的鋁箔作為振動薄膜提高系統(tǒng)監(jiān)測靈敏度.首先，將一段鋁箔纏繞在電纜接頭處，然后再將傳感光纖緊貼在鋁箔表面，利用高壓發(fā)電對電纜接頭施加電壓，通過檢測系統(tǒng)對電纜中間接頭進(jìn)行局部放電實驗監(jiān)測.

圖2 局部放電模擬發(fā)生裝置

傳感光纖中弱光纖光柵的陣列間隔為5 m，3 dB帶寬為1.64 nm，反射率約為-40 dB，中心波長為1 550.24 nm.系統(tǒng)的掃描脈沖寬度設(shè)置為20 ns，脈沖重復(fù)頻率為50 kHz.根據(jù)奈奎斯特采樣定理，理論可測得的信號最大頻率為25 kHz，該頻率包含在局部放電產(chǎn)生聲波信號的低頻部分.弱光柵陣列間隔決定了系統(tǒng)對產(chǎn)生局部放電故障點的定位精度為5 m.

使用光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行電纜中間接頭局部放電的實驗結(jié)果如圖3.測試過程中，首先測量一組未加電壓時系統(tǒng)的環(huán)境噪聲，如圖3(a).可見，系統(tǒng)正常運(yùn)行時的噪聲幅值在0.2 V左右，源于系統(tǒng)的電信號及光信號傳輸.將電壓由0逐步加到50 kV，并用光纖傳感系統(tǒng)實時監(jiān)測這一過程，其系統(tǒng)解調(diào)圖如圖3(b).可見，在電壓逐漸上升至8 kV附近時，系統(tǒng)開始監(jiān)測到局部放電信號.當(dāng)電壓增至10 kV時，已經(jīng)可以檢測到比較明顯的放電現(xiàn)象.

圖3 局部放電監(jiān)測結(jié)果

將電壓固定在10 kV，測試系統(tǒng)監(jiān)測到的局部放電信號，然后分析該信號特征，結(jié)果如圖4.其中，圖4(a)為局部放電的時域信號，圖4(b)為其中一個電纜接頭的聲脈沖波形圖.由圖4(a)可見，系統(tǒng)能夠測到明顯的聲脈沖擾動信號，信號幅值為4 V，產(chǎn)生頻率為50 Hz.由于實驗中使用的高電壓發(fā)生器產(chǎn)生的電壓頻率為50 Hz，測得的聲波信號產(chǎn)生頻率與施加電壓頻率相等，驗證系統(tǒng)監(jiān)測信號的準(zhǔn)確性.由圖4(b)可見，系統(tǒng)監(jiān)測到的聲脈沖持續(xù)時間約為5 ms.該系統(tǒng)能準(zhǔn)確快速地解調(diào)出每個電纜中間接頭的局部放電信號，從而實現(xiàn)大規(guī)模分布式實時在線監(jiān)測.

圖4 10 kV電壓下監(jiān)測到的局部放電信號

將圖4(a)的時域數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到其頻譜圖如圖5.可見，局部放電聲波信號頻譜主要分布于9～15 kHz.該監(jiān)測系統(tǒng)能準(zhǔn)確測量10 kV電壓下電纜中間接頭的局部放電聲波信號的振動頻率信息.

圖5 解調(diào)信號頻譜圖

圖6 手持式TEV檢測結(jié)果圖

最后，利用手持式暫態(tài)地電壓(transient earth voltage, TEV)裝置在局部放電點附近進(jìn)行檢測，檢測到的局放信號十分微弱，平均幅值約為20 dBμV，如圖6.可見，相較于手持式監(jiān)測裝置只能進(jìn)行單點、非實時檢測的缺陷，該系統(tǒng)不僅監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確，且能實現(xiàn)實時的分布式在線監(jiān)測.

結(jié) 語

本研究提出一種基于φ-OTDR光纖傳感技術(shù)的電纜中間接頭局部放電監(jiān)測方法.通過模擬局部放電發(fā)生環(huán)境，搭建一套基于光纖傳感技術(shù)的局部放電監(jiān)測系統(tǒng).實驗成功探測出10 kV電壓等級下電纜中間接頭局部放電產(chǎn)生的聲波信號，該系統(tǒng)的頻率響應(yīng)范圍為100 Hz～25 kHz，驗證該系統(tǒng)用于實際監(jiān)測局部放電中的可行性.通過與手持TEV的檢測結(jié)果相比，證實該系統(tǒng)能進(jìn)行實時分布式在線監(jiān)測，在配電網(wǎng)健康安全檢測中具有很大優(yōu)勢.傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，以光纖作為傳感單元，可與電纜進(jìn)行復(fù)合，或沿電纜進(jìn)行鋪設(shè)，對整段目標(biāo)電纜及其沿線中間接頭進(jìn)行實時分布式在線監(jiān)測.

本研究目前僅針對電纜進(jìn)行短時間的實時監(jiān)測，后續(xù)研究需進(jìn)行長時間監(jiān)測，通過分析實驗數(shù)據(jù)，明確絕緣層損壞程度與局部放電所產(chǎn)生聲波信號特性之間的關(guān)系.在電纜實時監(jiān)測過程中，利用模式識別和深度學(xué)習(xí)等相關(guān)技術(shù)，對局部放電產(chǎn)生的聲波信號進(jìn)行特性分析，達(dá)到實時監(jiān)測電纜絕緣性能狀況的目的.