第1章 绪论
1.1 课题研究的目的和意义
电力设备长期在高电压、热等因素作用下，其内绝缘老化破坏逐渐发展将导致绝缘性能显著下降，成为变电设备可靠运行的隐患，也是危及电网运行安全的重要源头。从电网事故调查报告中发现电力设备故障中的绝缘故障占 50%以上，且电压等级越高绝缘故障发生几率越大。电力设备的故障大部分是由于绝缘故障导致的，如果能够对运行中电力设备绝缘状态进行监测，便能对电力设备故障的发生进行预测和判断。大型电力设备绝缘破坏的初期一般表现为局部放电现象，经长期的局部放电后会导致绝缘的最终破坏带来火灾、爆炸等剧烈的设备或线路损坏。因此，局部放电在线监测可以对电力设备绝缘状及时作出评价，及早发现电力设备中的潜伏性故障并对突发性故障做出及时响应，有效降低大规模故障发生的可能性减小经济损失。液固复合绝缘是电力设备中常用的绝缘结构，如电缆终端和油浸电力变压器等，本文便以液固复合绝缘介质中的局部放电检测为研究对象展开研究。对于现场运行中电力设备局部放电检测最重要的基本要求是：①保持电网设备正常运行不能停电检测；②对于大空间范围的电力设备需能实现多点分布式测量，以确保监测无盲点；③灵敏度高，在局放微弱发生时便可检测到。目前，用于电力运行现场的液固复合绝缘电力设备局放在线检测主要采用气象色谱法和声测法。依靠检测油解气体浓度的气相色谱法，需要液体介质中局放发展一定程度积累一定气体浓度方可测得，具有较大的时滞性。声测法是通过检测局部放电声发射信号判别局放发生及强度，一般认为放电量与辐射声压具有相关性，具有较好的实时性，有望成为解决电力设备局放实时在线监测的有效方法。本文研究采用光纤传感器技术的液固复合绝缘介质局部放电声发射信号检测的关键技术。拟研制高灵敏度光纤法-珀超声波传感器，将其置于液体绝缘内部监测绝缘内部的局放超声波信号，通过对检测信号分析推断局部放电的发生和强度等信息。该研究可解决目前声测法测量局部放电灵敏度低现场应用效果不佳问题，并且可对电网中运行设备的绝缘潜伏性破坏进行评估，在造成设备巨大破坏前做好维护降低发生重大灾害的可能性减小经济损失。
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1.2 国内外相关问题研究现状及分析
电力设备绝缘破坏往往与局部放电的发生相关，对局部放电在线检测能够提前反映变压器的绝缘状况，及时发现电力变压器内部的绝缘缺陷，预防潜伏性和突发性事故的发生。目前技术手段对局部放电电荷量并不能进行直接测量，但局放过程中会产生电脉冲、电磁辐射、超声波、光以及生成一些新的生成物，并引起局部过热，以局放所产生的各种现象为依据，通过能表述该现象的物理量来表征局放的状态是局放在线监测的主要手段。主要局部放电检测方法有脉冲电流法、射频检测法、声发射检测法、红外光谱法、紫外光谱法、气相色谱法和功率因素法等。各种方法都具有各自的优点和缺点，学者和工业界也一直尝试利用各种方法实现对电力设备局部放电的在线实时测量。 脉冲电流法是研究最早、应用最为广泛、测试精度最高的一种检测方法。脉冲电流法也是目前技术较为成熟的局放检测手段，IEC60270：2000标准中已对局部放电脉冲电流测量方法做了系统说明，其中包括基本电路原理，系统标定方法及基本噪声分离方法等，该标准已被国际工业界广泛认可并使用[1]。电学局部放电检测方法虽然已经有非常广泛的应用，但是在某些领域中电学检测方法中的电磁干扰问题必须考虑。在实验室和工厂环境电磁干扰问题容易受控制在合理范围内，但是在电力设备运行现场电磁噪声往往会对检测结果造成较大影响。虽然文献报道可通过专业容性耦合器来减小噪声信号，但是该方式同时会降低电学检测方法的灵敏度[2]。另外，电学检测方法对局放信号的定位相对困难。因此，将脉冲电流法用于如电力变压等设备局部放电的在线监测存在着难以克服复杂电磁环境干扰的问题。
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第2章 局放光纤法-珀超声波传感器
2.1 光纤法-珀传感相关基本原理
根据 IEEE 油浸变压器局部放电超声波法检测技术标准，局部放电声发射信号频段范围在 20kHz-500kHz 之间，设计在该频段范围具有良好输出相应的超声波传感器，是实现对局放声发射信号高灵敏度检测的关键。光纤法-珀传感器是基于光学法-珀干涉仪原理而设计，局放超声信号检测的法-珀干涉仪需考虑其本身光学特性外，声光耦合换能单元也是影响传感器灵敏度的关键因素。局部放电声发射信号微弱，对传感器灵敏度要求较高，最早利用光纤传感技术检测该声波的方法是用 Michelson 干涉仪、Mach-Zehnder 干涉仪和 Sagnac 干涉仪等为代表的本征干涉仪方式，此类干涉仪虽可获得较高灵敏度，但是其结构中需要引入参考臂光纤，存在结构不紧凑、需要保偏光纤等困难，并且解调算法相对复杂，响应频率也较低。光纤法-珀干涉仪体积小巧，结构紧凑，且具有相对较高的检测灵敏度，国外文献也曾多次报道采用光纤法-珀干涉仪进行局部放电声发射信号检测的研究，但由于多为光学专业研究者，大部分研究内容集中在传感器制备方面，而对于局放声发射信号检测仅进行简单实验没有进一步深入研究。 以法-珀腔内介质是否为光纤可将光纤法-珀传感器分为本征型法-珀传感器和非本征型法-珀传感器。本征光纤法-珀传感器是以光纤为腔内介质，是研究最早的一种法-珀干涉仪，通常的结构是将光纤截为 3 段后，在两端的两个端面镀以高反射膜后再将三段光纤熔接在一起而制成。本征型法-珀传感器主要依靠充当腔长的光纤本身形变调制被测信号，该结构传感器制作较为简单，传输介质均为光纤光能损失较小，但是用于声波检测需设计声耦合结构以提高检测灵敏度；非本征法-珀传感器是以空气等非光纤为腔内介质，其结构灵活多样，一般是以镀有高反射膜的光纤端部为法-珀腔的一个端面，另一端面则根据被测物理量的不同采用不同敏感元件设计而成。针对局部放电超声波信号频率特点和实验室制备传感器样品的可行性，设计圆筒振子耦合声波方式的本征型光纤法-珀传感器和膜片耦合声波方式的非本征光纤法-珀传感器，探究适用于局放声信号的光纤传感检测方法。
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2.2 本征光纤法-珀传感器设计及测试
本征光纤法-珀传感器本质特征是以光纤为法-珀腔腔内介质，这是研究最早的一种光纤法-珀传感器结构，该结构制作较为简单，传输介质均为光纤光能损失较小，但是由于光纤截面直径在 125μm 镀膜工序增加了制作成本；另外，在传感器应用上，腔长部分的光纤作为敏感元件对于微弱信号灵敏度较低。 利用光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating，FBG)设计了一种本征光纤法-珀传感器，它是将反射率 50%的布拉格光栅于中心处截成长度相等两段用作腔的反射面，用一段单模光纤将两段 FBG 熔接形成法-珀腔制成法-珀干涉仪，其结构如图 2-5 所示。光由本征法-珀传感器的一端导入，在两段FBG 处被多次反射形成相差恒定的相干光，该结构以 FBG 作为法-珀传感器的反射端面，无需镀膜处理，制备工艺简单。
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第 3 章 光纤法-珀传感器正交强度解调技术研究 ............. 41
3.1 DFB 激光器的正交强度解调原理及检测精度分析 ............ 41
3.1.1 解调基本原理及初始工作点选取 ............ 41
3.1.2 DFB 光谱带宽对检测灵敏度影响分析 .... 43
3.2 DFB 正交解调系统正交工作点稳定技术 ....... 46
3.3 DFB 正交强度解调系统及正交工作点稳定实验 ...... 52
3.4 本章小结 ........ 55
第 4 章 基于光纤声波传感器的液-固复合绝缘局放声发射检测实验 ........... 56
4.1 电-声局放联合检测系统设计及构建 .... 56
4.2 不同特性参数法-珀传感器局放检测灵敏度对比分析 ...... 58
4.3 不同电极模型局放声发射信号频率特性研究 ......... 64
4.4 声波频域幅值均方根方式表征相对局放量大小研究 ........ 70
4.5 本章小结 ........ 73
第 5 章 液-固复合绝缘电力设备声场分布及传感器置入方案 ............. 75
5.1 电缆终端液体介质声场分布规律 ......... 75
5.2 电缆终端内光纤超声波传感器埋置位置选取 ......... 86
5.3 油浸电力变压器内超声压级分布研究 ........... 96
5.4 油浸电力变压器光纤超声波传感器埋置位置选取.......... 107
5.5 本章小结 ...... 108
第5章 液-固复合绝缘电力设备声场分布及传感器置入方案
电力设备内部绝缘局部放电产生的超声波经绝缘介质传播而出，声测法即是利用声波传感器检测局放诱发的超声波。超声波在固体绝缘和铜等固体介质中以纵波传播为主，在变压器油等液体绝缘介质中以横波方式传播，局放声波信号在电力设备内传播时会因生热和散色等原因造成强度随距离而衰减。声波的衰减一般可分为三类：一是声束的扩散；二是在传播介质中引起声波的散射；三是介质的吸收。第一种衰减主要是由声源的性质引起，而后两种衰减则主要由于传播介质对声波的影响，在局放声波检测研究中一般不考虑声波自身扩散衰减。另外，与电磁波类似超声波在异质介质中传播时，在两种介质界面处会发生反射和折射现象且满足斯涅耳定律。 早期研究声场分布方法是通过数学推导计算声波沿介质传播衰减及反射等规律，这种方式针对实验室建立的结构简单模型可以进行较为准确推算，但是实际电力设备内部结构复杂，难以通过简单的计算获得精确结果。有限元计算为探究实际电力设备内部声场分布提供了方法，但是与电场分布不同声场分布在空间维度上是非线性的，利用等比例缩小模型声场分布不能推广用于分析实际电力设备内的声场分布特性，而复杂结构的电力设备模型剖分后网格数量较大，普通计算机无法计算庞大网格结构模型，因此长期以来尚无利用有限元仿真分析电力电缆终端和变压器内声场分布的报道。近两年，并行计算机广泛使用特别是云端技术发展，使利用有限元方法计算大体积尺寸和网格数量模型成为可能。采用多物理场有限元仿真软件 COMSOL，仿真分析局放超声波信号在电缆终端和油浸电力变压器液体绝缘内的声场分布规律，进而为光纤超声波传感器在电力设备液体内部的置入提供方案。
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结论
针对光纤法-珀传感器用于液-固复合绝缘介质局部放电声发射信号检测展开研究，取得的主要创新性成果如下：
（1）通过对本征和非本征光纤法-珀传感方式力学仿真和实验研究，优选了对高频声发射信号具有更高响应灵敏度的非本征法-珀传感方式研制局放声波传感器，通过仿真分析研究非本征法-珀传感器光学可见度的影响因素，优化一阶固有频率和静压灵敏度等，设计并制备了与商用 SR15 型号的 PZT传感系统具有相当灵敏度的非本征法-珀局放声发射检测系统。
（2）提出一种通过反馈控制自动调谐 DFB 激光器中心波长的正交静态工作点锁定方法，在 40oC 范围变温实验中静态工作电压最大浮动小于 0.8%，解决了 EFPI 传感器对非被测参数敏感导致稳定性和灵敏度下降的问题。
（3）局放声信号检测频谱的对比分析结果表明：局放声信号能量在 50kHz-170kHz 频率范围丰富，应用 PZT 检测或光纤法-珀传感器检测时，信号频谱特征与对应的传感器响应频谱一致，而与电极模型关系不大。非本征光纤法-珀传感器的一阶固有频率设计在 100kHz-170kHz 之间，可获得更高增益信号。
（4）局部放电声波信号易沿固体传播，仿真和实验证实高弹性模量的固体结构附近的液体介质中有较高的声压级，通过对实际电力设备等尺寸有限元仿真分析获得液体介质中声压级 3D 分布，为利用声压级分布规律在液体介质中布置光纤法-珀传感器，获得较高测试灵敏度提供了依据。
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参考文献(略)