電纜及其附件局部放電超聲波檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

孫宇微， 呂安強(qiáng)， 謝志遠(yuǎn)

(1. 華北電力大學(xué)電子與通信工程系， 河北 保定 071003； 2. 華北電力大學(xué)河北省電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 保定 071003)

1 引言

電力電纜承擔(dān)著城鄉(xiāng)輸配電的重要任務(wù)，其安全穩(wěn)定運(yùn)行直接影響工業(yè)生產(chǎn)和人民生活。然而，受生產(chǎn)、施工工藝和運(yùn)行環(huán)境等多種因素的影響，電纜及附件絕緣缺陷問題時(shí)有發(fā)生，在長時(shí)間高電壓運(yùn)行條件下，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生局部放電(Partial Discharge，PD)[1]，使絕緣缺陷加重，最終造成絕緣擊穿，導(dǎo)致停電。因此，為保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，需要對(duì)電纜及其附件的局放進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確地判斷電纜及附件的絕緣狀態(tài)[2]。

許多國內(nèi)外的研究人員對(duì)電力電纜局放檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究。在初期，一般對(duì)投運(yùn)前的電纜分別進(jìn)行直流和交流耐壓實(shí)驗(yàn)，該方法測(cè)試時(shí)間長，精確度不高，而且容易造成電纜局部發(fā)生絕緣擊穿，屬于不可逆的破壞性預(yù)防實(shí)驗(yàn)[3]。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，研究人員正摒棄傳統(tǒng)的預(yù)防性實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)向電子式測(cè)量監(jiān)測(cè)手段實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜的絕緣狀態(tài)，先后提出了基于差分法的電纜局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4]、基于電磁耦合法的交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電纜局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[5]、基于超高頻電容耦合法的XLPE絕緣電纜局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6]、基于特高頻的絕緣電纜局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[7]、基于tanδ法的電纜絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[8]等，但是上述方法需要在監(jiān)測(cè)設(shè)備上安裝復(fù)雜的接地線，只能進(jìn)行點(diǎn)式測(cè)量、受電磁干擾嚴(yán)重，在線監(jiān)測(cè)實(shí)施難度大、原始信號(hào)難以提取，這些都阻礙了電纜絕緣信息的全面、準(zhǔn)確獲取。

研究發(fā)現(xiàn)，局放發(fā)生時(shí)會(huì)有超聲波釋放[9,10]，可以通過檢測(cè)超聲波判斷電纜中的局放，具有安裝簡(jiǎn)單、不受電磁干擾、精度高等優(yōu)點(diǎn)，展示了良好的應(yīng)用前景。目前，未發(fā)現(xiàn)針對(duì)電纜及其附件局放聲檢測(cè)方法的綜述文章發(fā)表[11,12]，本文將梳理和分析國內(nèi)外在此領(lǐng)域的研究成果，比較各類方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并給出學(xué)術(shù)研究和工程應(yīng)用建議。

2 局放超聲波產(chǎn)生和傳播機(jī)理

局放是包括電離、光子發(fā)射、熱輻射、超聲振蕩等復(fù)雜物理現(xiàn)象的過程。針對(duì)局放超聲波的產(chǎn)生原理，大多研究集中在空隙放電上，缺乏對(duì)其他放電類型產(chǎn)生超聲波的研究。

2004年，華北電力大學(xué)李燕青[13]利用電-力-聲類比法(見表1)分析了空隙放電局放超聲波的產(chǎn)生機(jī)理，將電磁振蕩和機(jī)械振蕩相類比，提出氣泡在脈沖電場(chǎng)力的作用下將產(chǎn)生衰減的振蕩運(yùn)動(dòng)，在氣泡的振動(dòng)作用下周圍的介質(zhì)中將產(chǎn)生超聲波。脈沖電場(chǎng)力的幅度為 ：

(1)

其中

式中，q為氣泡上真實(shí)放電量；E為氣泡的擊穿電場(chǎng)；lm為氣泡的質(zhì)量；Cm為力順；Rm為力阻。式(1)為脈沖電場(chǎng)力產(chǎn)生局放超聲波提供了理論依據(jù)。

表1 電-力-聲類比法Tab.1 Electro-mechanical-acoustic analogy

河海大學(xué)潘文霞[14]認(rèn)為氣隙內(nèi)發(fā)生局放時(shí)，局放點(diǎn)的熱量使氣隙的氣壓升高，而局放結(jié)束后，熱量損失導(dǎo)致氣壓降低，由此產(chǎn)生了超聲波。由于局放脈沖持續(xù)時(shí)間短，大約1～100 ns，所以局放產(chǎn)生的熱量集中在一點(diǎn)，該點(diǎn)氣壓的變化量為：

(2)

式中，P0為氣隙球在0 ℃時(shí)的氣壓；β0為氣隙球在0 ℃時(shí)的膨脹系數(shù)，β0=3.66×10-3K-1；λ為熱膨脹能占局放總能量的百分比，其數(shù)值范圍為0.03～0.08；Δq為視在電荷的幅值；U為電纜的工作電壓；Cv為在正常工作溫度和壓力下，氣隙球在恒定體積下的比熱；R為氣隙球的半徑;ρ為空氣球的密度。式(2)為溫度變化產(chǎn)生超聲波提供了理論基礎(chǔ)。

而在實(shí)際電纜局放中，一般認(rèn)為是脈沖電場(chǎng)力和溫度共同影響的結(jié)果[15]。然而目前缺乏將這兩種因素相結(jié)合的理論研究，難以確定這兩種因素對(duì)局放超聲波產(chǎn)生的影響大小。

從局放超聲波傳播角度來看，電纜及其附件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，超聲波需要經(jīng)過多層復(fù)合絕緣介質(zhì)才能傳播到電纜及其附件表面，由于傳播距離造成的擴(kuò)散衰減[16]、傳播介質(zhì)引起的聲波散射、粘滯性引起內(nèi)摩擦造成的吸收衰減使聲波振動(dòng)幅值與聲場(chǎng)強(qiáng)度衰減嚴(yán)重。因此在檢測(cè)局放超聲波時(shí)，要求傳感器放置在合適的位置且具有足夠高的靈敏度。根據(jù)10 kV XLPE電纜中超聲波的傳播規(guī)律，建議將局放超聲傳感器安裝在距離局放易發(fā)位置100 mm以內(nèi)[17]。

3 基于壓電晶體的局放超聲波檢測(cè)技術(shù)

壓電晶體傳感器[18-20]被稱作PZT(PieZoelecTric)傳感器，也被稱作AE(Acoustic Emission)傳感器，其由陶瓷晶片構(gòu)成。當(dāng)有超聲波作用在陶瓷晶片兩端時(shí)，晶片兩端會(huì)由于正壓電效應(yīng)而產(chǎn)生電荷，隨著超聲波的機(jī)械振動(dòng)而形成交流電動(dòng)勢(shì)，把超聲波的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，通過分析電信號(hào)可以得到電纜及其附件的狀態(tài)信息。壓電晶體的固有頻率f與晶體的厚度有關(guān)，關(guān)系式如下：

(3)

式中，nx為諧波的級(jí)數(shù)；cx為超聲波在壓電材料中傳播的縱波速度；Dx為晶體厚度；Ex為晶體的楊氏模量；ρx為晶體的密度。由式(3)可知，當(dāng)壓電晶體的材料確定后，Ex和ρx是常量，壓電晶體的厚度Dx越小，固有頻率f越大。因此選擇合適的晶體厚度，就可以滿足局放超聲波檢測(cè)頻率的要求，實(shí)現(xiàn)超聲波的檢測(cè)。

AE傳感器的輸出信號(hào)極其微弱，需要通過前置放大器進(jìn)行放大，前置放大器一般由圖1所示的三部分構(gòu)成[21]。第一部分是具有阻塞恢復(fù)力和電擊保護(hù)能力的輸入級(jí)放大器，要求輸出動(dòng)態(tài)范圍寬，滿足局放超聲波檢測(cè)頻帶寬度的要求；第二級(jí)是帶通濾波器，濾除與信號(hào)無關(guān)的噪聲，防止信號(hào)埋沒在噪聲中，提高系統(tǒng)信噪比；第三級(jí)是緩沖放大器，該部分的主要作用是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，減小輸出電阻，提高帶負(fù)載能力；此外，由于前置放大器含有很多有源器件，需要穩(wěn)定、低功耗的直流電源供電。

圖1 前置放大器結(jié)構(gòu)示意圖[21]Fig.1 Schematic diagram of preamplifier structure

AE傳感器一般結(jié)合脈沖電流法或高頻電流法使用[21]，可以實(shí)現(xiàn)局放故障點(diǎn)的定位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別[22,23]。2010年，文獻(xiàn)[24]在22 kV XLPE電纜T型分支接頭制造了直徑為1.5 mm的空隙，采用高頻電流法，使用三個(gè)AE傳感器進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)傳感器的三維坐標(biāo)和傳感器接收到局放信號(hào)的時(shí)間實(shí)現(xiàn)了缺陷的定位；2012年，文獻(xiàn)[25]利用單個(gè)AE傳感器和高頻電流傳感器實(shí)現(xiàn)了電纜本體上局放信號(hào)的檢測(cè)，并通過電測(cè)量和超聲測(cè)量的時(shí)間差實(shí)現(xiàn)了缺陷的定位；2015年，文獻(xiàn)[26]利用高頻電流傳感器和AE傳感器，通過脈沖電流法測(cè)量10 kV電纜中間接頭在不同故障類型下的局放，得到了不同交流電壓下、不同缺陷類型局放的超聲信號(hào)，分析了脈沖電流信號(hào)的時(shí)域特征和相位譜圖特征。

以上研究證明了AE傳感器檢測(cè)電纜本體及附件局放超聲信號(hào)的可行性，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于安裝、能夠在線監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，但由于局放超聲波衰減嚴(yán)重，AE傳感器只能在靠近局放源的位置使用，最高靈敏度為65 dB，靈敏度相對(duì)較低；只能進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量，復(fù)用性差；所以，AE傳感器一般是電測(cè)量法的輔助測(cè)量方法，難以滿足未來電力行業(yè)對(duì)電力電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)的需求。

4 基于光纖Sagnac干涉結(jié)構(gòu)的局放超聲波檢測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)環(huán)形薩格納克(Sagnac)干涉系統(tǒng)[27]采用并行鋪設(shè)結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致同一定位結(jié)果對(duì)應(yīng)光路上兩個(gè)對(duì)稱位置，無法準(zhǔn)確定位，為此提出改進(jìn)直線型Sagnac振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)電纜及其附件局放超聲信號(hào)，檢測(cè)系統(tǒng)如圖2所示[28-30]，該系統(tǒng)由Sagnac光纖傳感單元、信號(hào)采集與分析單元和局放產(chǎn)生單元三部分構(gòu)成。

圖2 直線型Sagnac振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[28-30]Fig.2 Linear Sagnac vibration detection system

在直線型Sagnac振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，激光器A發(fā)出的激光，經(jīng)過耦合器B的6端口、延遲光纖、耦合器C、傳感光纖1、光纖傳感探頭M、傳感光纖2、耦合器D、傳感光纖2、光纖傳感探頭M、傳感光纖1、耦合器C、耦合器B的4端口與經(jīng)過耦合器B的4端口、耦合器C、傳感光纖1、光纖傳感探頭M、傳感光纖2、耦合器D、傳感光纖2、光纖傳感探頭M、傳感光纖1、耦合器C、延時(shí)光纖、耦合器B的6端口的光發(fā)生干涉，形成干涉條紋，光電探測(cè)器E將攜帶局放超聲信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，數(shù)據(jù)采集模塊F對(duì)電信號(hào)進(jìn)行采集，最后上位機(jī)分析并顯示輸出結(jié)果。

Sagnac光纖傳感系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)故障定位，當(dāng)振動(dòng)施加在光纖上的某一點(diǎn)時(shí)，光纖中傳輸光的相位會(huì)隨著振動(dòng)信號(hào)的變化而被調(diào)制，引起光強(qiáng)度的變化。當(dāng)發(fā)生局放時(shí)，局放超聲波引起的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過傅里葉展開可以表示為多個(gè)具有不同幅值、相位、頻率的正弦波信號(hào)，其表達(dá)式為[31]：

(4)

式中，t為振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間；Ai第i個(gè)正弦波的幅值；ωi為第i個(gè)正弦波的頻率；φi為第i個(gè)正弦波的初始相位；N為正整數(shù)，表示構(gòu)成振動(dòng)所需要正弦波的數(shù)目。

設(shè)Ld為延遲光纖的長度，L3為傳感光纖的總長度，振動(dòng)位置B與耦合器A的距離為L1，同時(shí)與耦合器C的距離為L2，真空中傳播的光速為c，光纖的折射率為n，可以得到兩束干涉光相位差的表達(dá)式為：

(5)

(6)

式中，k取正整數(shù)。通過對(duì)原始時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換得到信號(hào)的頻譜，確定相應(yīng)零頻點(diǎn)的頻率，就可以解調(diào)出振動(dòng)的位置，對(duì)振動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位[32]。

基于Sagnac干涉原理的局放研究集中在信號(hào)探測(cè)、定位和系統(tǒng)改進(jìn)三個(gè)方面。2018年，文獻(xiàn)[33]利用Sagnac光纖傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電纜中間接頭局放超聲檢測(cè)，檢測(cè)出典型故障下局放超聲信號(hào)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。將橫截面為300 mm2、電壓等級(jí)為8.7/15 kV的XLPE電纜制成JRS300熱縮接頭，人為制造應(yīng)力錐錯(cuò)位缺陷，將Sagnac傳感器放置在接頭接地銅網(wǎng)的外邊沿，并選用LDS-6局放測(cè)量?jī)x作為參考，測(cè)量得到了圖4所示的曲線。當(dāng)施加電壓為5 kV時(shí)，電測(cè)法能檢測(cè)到局放信號(hào)，但Sagnac傳感系統(tǒng)無法檢測(cè)到明顯的信號(hào)；直到施加電壓為10 kV時(shí)，Sagnac系統(tǒng)才能檢測(cè)到明顯的局放信號(hào)，實(shí)驗(yàn)證明了Sagnac光纖傳感系統(tǒng)檢測(cè)電纜附件局放超聲信號(hào)的可行性，但Sagnac光纖傳感系統(tǒng)靈敏度低于LDS-6局放測(cè)量?jī)x的靈敏度。

圖3 Sagnac光纖傳感系統(tǒng)測(cè)量電纜中間接頭局放實(shí)驗(yàn)裝置圖[33]Fig.3 Test device diagram of Sagnac fiber optic sensing system for measuring cable intermediate joint PD

圖4 LDS-6和Sagnac傳感系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比圖[33]Fig.4 Comparison of results between LDS-6 and Sagnac sensor system

2020年，河北大學(xué)劉志恒團(tuán)隊(duì)研究了局放超聲信號(hào)的定位問題，利用Sagnac干涉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了長距離電纜局放狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。為了減少擾動(dòng)對(duì)故障點(diǎn)定位的影響，實(shí)驗(yàn)采用雙環(huán)Sagnac光纖傳感系統(tǒng)，如圖5所示，系統(tǒng)采用了兩個(gè)直線型Sagnac干涉儀，監(jiān)測(cè)長度為15.7 km、橫截面為1 800 mm2的±320 kV直流陸地電纜中的局放[34,35]，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，得到了圖7所示的測(cè)量曲線。從頻域來看，局放超聲信號(hào)頻譜主要集中在0～30 kHz范圍內(nèi)；從時(shí)域來看，信號(hào)幅值在±0.1 V附近浮動(dòng)，采用時(shí)延估計(jì)算法，利用兩個(gè)相位差構(gòu)造兩個(gè)高度相似的時(shí)延信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了對(duì)故障點(diǎn)的定位，經(jīng)過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)的定位精度最高為60 m，平均在±80 m以內(nèi)。

圖5 雙環(huán)Sagnac干涉系統(tǒng)[34，35]Fig.5 Double loop Sagnac interference system

圖6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[35]Fig.6 Field test system

圖7 Sagnac雙回路檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的頻域和時(shí)域信號(hào)[35]Fig.7 Measured frequency and time domain signals by Sagnac dual-loop detection system

為了降低成本，便于操作，提高定位精度，2021年劉志恒團(tuán)隊(duì)[36]進(jìn)一步研究了局放最優(yōu)檢測(cè)位置和光纖傳感探頭長度對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響，簡(jiǎn)化了雙環(huán)Sagnac光纖傳感系統(tǒng)，把雙環(huán)Sagnac光纖傳感系統(tǒng)改進(jìn)為單個(gè)直線型Sagnac光纖傳感系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)15 km高壓直流電纜(High Voltage Direct Current，HVDC)局放超聲信號(hào)，采用零頻點(diǎn)定位算法實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的定位，經(jīng)過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)的定位偏差最小為25 m，平均定位偏差小于80 m。

Sagnac光纖傳感技術(shù)不需要破壞電纜結(jié)構(gòu)，具有靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、抑制低頻噪聲、安裝方便、解調(diào)容易、在線長距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)；而且對(duì)配套的硬件系統(tǒng)要求不高，例如不需要帶寬很寬的光電探測(cè)器、不需要采集率很高的數(shù)據(jù)采集卡；能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的定位，在實(shí)際應(yīng)用中具有很高的潛力。但Sagnac光纖傳感技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)多擾動(dòng)點(diǎn)的同時(shí)探測(cè)和定位，不具備分布式監(jiān)測(cè)局放的能力，需要在以后的研究中進(jìn)行攻克。

5 基于光纖COTDR的局放超聲檢測(cè)技術(shù)

相干光時(shí)域反射(Coherent Optical Time Domain Reflection，COTDR)系統(tǒng)彌補(bǔ)了Sagnac光纖傳感系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)多擾動(dòng)點(diǎn)同時(shí)測(cè)量的不足[37]，COTDR傳感系統(tǒng)如圖8所示[38]，系統(tǒng)采用強(qiáng)相干光源，相干光從光纖的一端注入，后向瑞利散射信號(hào)由光電檢測(cè)器檢測(cè)，檢測(cè)到信號(hào)是脈沖寬度內(nèi)各個(gè)散射點(diǎn)相互干涉疊加的總和。當(dāng)溫度或應(yīng)變作用在傳感光纖的某一區(qū)域時(shí)，由于光纖具有彈光效應(yīng)和熱光效應(yīng)，該區(qū)域的折射率、散射點(diǎn)之間的距離和密度會(huì)隨著溫度或應(yīng)變的變化而變化，從而使得該區(qū)域散射點(diǎn)的相位發(fā)生變化，各散射點(diǎn)間的相位差也發(fā)生了變化，從而使得光電檢測(cè)器檢測(cè)到的后向瑞利散射光的強(qiáng)度也發(fā)生相應(yīng)變化。

圖8 COTDR傳感檢測(cè)系統(tǒng)[38]Fig.8 COTDR sensor detection system

在COTDR傳感系統(tǒng)中，假設(shè)溫度或應(yīng)變變化前的后向瑞利散射光功率為P(T0,ε0)，溫度或應(yīng)變變化后的后向瑞利散射光功率為P(T,ε)，利用后向瑞利散射曲線的可恢復(fù)性和可重復(fù)性，調(diào)節(jié)光源頻率，設(shè)當(dāng)光源頻率變化量為Δv時(shí)，滿足溫度或應(yīng)變作用前后后向瑞利散射光功率相等，可得：

Δv=v0(1+cε)Δε-v0(ρT+cT)ΔT

(7)

式中，v0為激光器輸出光的中心頻率；cε為光纖折射率的應(yīng)變系數(shù)；Δε為光纖應(yīng)變的變化量；ρT為光纖材料的熱膨脹系數(shù)；cT為光纖的溫度系數(shù)；ΔT為光纖溫度的變化量。當(dāng)環(huán)境溫度為25 ℃，光纖選用普通單模光纖，式(7)可以簡(jiǎn)化為：

Δv=-0.78v0Δε-6.92×10-6v0ΔT

(8)

由式(8)可知，光源頻率量變化Δv與溫度或應(yīng)變的變化近似呈線性關(guān)系，當(dāng)固定溫度不變時(shí)，就可以利用COTDR光纖傳感系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)變的分布式測(cè)量。

利用COTDR系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電纜中間接頭局放的研究已取得了初步成效[39]，實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示，在40 kV電纜中間接頭上制造缺陷，將兩個(gè)光纖聲學(xué)傳感器放置在接頭上，并通過光纖連接到COTDR傳感系統(tǒng)上，采用電測(cè)法校準(zhǔn)放電量。電測(cè)法測(cè)量得到的局放視在電荷-相位關(guān)系圖和A-FOS1測(cè)量得到的聲脈沖幅值-相位圖如圖10所示，可知COTDR裝置可以檢測(cè)到納米庫倫的局放超聲信號(hào)，但局放聲信號(hào)的傳播路徑比較復(fù)雜，信號(hào)衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致聲學(xué)圖像的清晰度低于電測(cè)法圖像的清晰度。

圖9 COTDR測(cè)量電纜接頭裝置圖[39]Fig.9 Device for COTDR measurement of cable joint

圖10 電測(cè)法得到的局放視在電荷-相位關(guān)系和A-FOS1測(cè)量得到的聲脈沖幅值-相位圖[39]Fig.10 Charge-phase relation obtained by electric measurement method and amplitude-phase diagram of acoustic pulse obtained by A-FOS1 measurement

以上研究證明了COTDR傳感系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電纜接頭局放超聲信號(hào)的可行性。COTDR傳感系統(tǒng)靈敏度高，能把多個(gè)點(diǎn)式傳感器通過光纖串接起來，多點(diǎn)同時(shí)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式電纜線路局放檢測(cè)。但該系統(tǒng)仍然纏繞了點(diǎn)式傳感器，不屬于嚴(yán)格意義上的全光纖感知系統(tǒng)；系統(tǒng)復(fù)雜；空間分辨率不高，無法實(shí)現(xiàn)分布式局放檢測(cè)，COTDR傳感系統(tǒng)如何在不影響靈敏度的情況下實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量值得以后的學(xué)者深入研究。

6 基于光纖φ-OTDR的局放超聲檢測(cè)技術(shù)

為了彌補(bǔ)COTDR傳感系統(tǒng)的不足，構(gòu)建了基于相位敏感光時(shí)域反射(phase sensitive Optical Time Domain Reflection，φ-OTDR)的局放超聲檢測(cè)系統(tǒng)[40]。φ-OTDR傳感系統(tǒng)與COTDR系統(tǒng)相似，都采用強(qiáng)相干光源，但解調(diào)原理和COTDR系統(tǒng)不同。以聲場(chǎng)作用區(qū)域?yàn)閷?duì)象進(jìn)行研究，設(shè)作用前的參考區(qū)域?yàn)镽1，作用后的參考區(qū)域?yàn)镽2，如圖11所示，當(dāng)探測(cè)光脈沖注入到傳感光纖中，在R1和R2上產(chǎn)生后向散射瑞利信號(hào)的電場(chǎng)為[41]：

(9)

圖11 聲場(chǎng)作用引起應(yīng)變大小與相位變化[41]Fig.11 Strain size and phase change induced by acoustic field

可以得到R1和R2兩個(gè)區(qū)域的相位差為：

(10)

兩個(gè)區(qū)域相位差Δφ和聲場(chǎng)引起光纖長度的變化成線性關(guān)系，通過信號(hào)檢測(cè)和處理方法就可以得到該區(qū)域的相位變化信息，從而解調(diào)出聲場(chǎng)引起的光纖長度變化，重構(gòu)聲場(chǎng)振動(dòng)信號(hào)。

基于φ-OTDR傳感系統(tǒng)的研究主要集中在敷設(shè)方式、靈敏度和定位三個(gè)方面。2019年，河海大學(xué)潘文霞等人[12]在8.7/10 kV電纜上分別制造了劃痕、微孔和浮動(dòng)電極缺陷，利用φ-OTDR檢測(cè)技術(shù)，將60 m的光纖平鋪在電纜上，如圖12所示，得到仿真和實(shí)驗(yàn)后向瑞利散射光強(qiáng)度的對(duì)比圖如圖13所示。圖中箭頭部分是后向瑞利散射光強(qiáng)度變化最大的位置，可以確定該位置發(fā)生了局放，實(shí)現(xiàn)了故障點(diǎn)的定位，也可以同時(shí)檢測(cè)并定位多個(gè)擾動(dòng)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了分布式電纜局放在線監(jiān)測(cè)。

圖12 光纖測(cè)電纜局放的布置圖[12]Fig.12 Optical fiber cable layout diagram

許多學(xué)者把φ-OTDR監(jiān)測(cè)電纜局放系統(tǒng)的重點(diǎn)放在提高系統(tǒng)靈敏度上[42-44]，系統(tǒng)如圖14所示，在10 kV電纜外表面纏繞傳感光纖，通過在單模光纖中嵌入弱光柵陣列(weak Fiber Bragg Grating，wFBG)，以相鄰光柵之間的光纖作為傳感單元來增加系統(tǒng)信噪比，通過鋁帶封裝傳感光纖來提高系統(tǒng)靈敏度，使用φ-OTDR傳感系統(tǒng)探測(cè)局放超聲信號(hào)。圖15～圖17分別是在電纜主絕緣故障、中間接頭尖端故障和應(yīng)力錐錯(cuò)位故障下測(cè)得的超聲信號(hào)，φ-OTDR傳感系統(tǒng)可以檢測(cè)到不同故障類型的局放超聲信號(hào)，為后面缺陷識(shí)別提供了理論基礎(chǔ)，但文獻(xiàn)中缺少用φ-OTDR傳感系統(tǒng)對(duì)局放點(diǎn)進(jìn)行定位的研究。

圖13 后向瑞利散射光強(qiáng)度變化[12]Fig.13 Intensity variation of Rayleigh backscattering light

圖14 wFBG和結(jié)合φ-OTDR測(cè)量電纜局放實(shí)物圖[42-44]Fig.14 Picture of wFBG and φ-OTDR measurement of cable PD

圖15 電纜主絕緣故障下測(cè)得的聲信號(hào)[43]Fig.15 Acoustic signal measured from cable main insulation failure

圖16 中間接頭尖端故障下測(cè)得的聲信號(hào)[43]Fig.16 Acoustic signal measured from failure of intermediate joint tip

圖17 應(yīng)力錐錯(cuò)位故障下測(cè)得的聲信號(hào)[43]Fig.17 Acoustic signal measured form stress cone dislocation fault

2021年，西安交通大學(xué)陳浩[45]針對(duì)φ-OTDR傳感系統(tǒng)定位局放點(diǎn)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)裝置如圖18所示，在8.7 kV XLPE電纜中間接頭上制造屏蔽懸浮缺陷，并在接頭上從右向左設(shè)置5個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，在每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)上纏繞一段3.12 m長的彎曲不敏感光纖作為傳感光纖；在每個(gè)相鄰標(biāo)記點(diǎn)之間用一段10 m長的光纖分隔并連接到φ-OTDR傳感系統(tǒng)上，并將其做隔音處理，同時(shí)采用電測(cè)量法作為參考。當(dāng)施加電壓為20 kV時(shí)，電測(cè)量法能測(cè)量到局放信號(hào)能達(dá)到3 542 pC，φ-OTDR傳感系統(tǒng)能檢測(cè)到明顯的局放超聲信號(hào)；當(dāng)施加電壓為30 kV時(shí)，φ-OTDR傳感系統(tǒng)得到瑞利散射信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差(δr)與距離(Zc)的定位檢測(cè)曲線，如圖19所示，通過定位曲線，φ-OTDR傳感系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的定位，定位誤差不超過2.6 m。

圖18 φ-OTDR傳感系統(tǒng)檢測(cè)中間接頭局放故障實(shí)驗(yàn)裝置圖[45]Fig.18 Experimental device diagram of φ-OTDR sensing system to detect PD fault of intermediate joint

圖19 φ-OTDR傳感系統(tǒng)進(jìn)行分布式定位得到的δr-Zc檢測(cè)曲線[45]Fig.19 δr-Zc detection curve obtained by φ-OTDR sensor system

以上研究證明了φ-OTDR傳感系統(tǒng)具有靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、鋪設(shè)方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；可多局放點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)并定位，定位誤差小于2.6 m，適合長距離、分布式監(jiān)測(cè)電纜及其附件絕緣狀態(tài)，是未來電力電纜領(lǐng)域的主流監(jiān)測(cè)方法，具有良好的應(yīng)用前景。

7 結(jié)論

本文對(duì)電纜及其附件局放超聲檢測(cè)方法進(jìn)行了梳理、分析和評(píng)價(jià)，重點(diǎn)介紹了基于AE傳感器的局放超聲波檢測(cè)技術(shù)、基于Sagnac干涉結(jié)構(gòu)的局放超聲波檢測(cè)技術(shù)、基于COTDR的局放超聲檢測(cè)技術(shù)和基于φ-OTDR的局放超聲檢測(cè)技術(shù)，得出以下結(jié)論：

(1)AE傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、可配合電測(cè)量法實(shí)現(xiàn)信號(hào)定位，但AE傳感器靈敏度低、復(fù)用性差、只能單點(diǎn)測(cè)量，一般作為電測(cè)量法的輔助手段，不能獨(dú)立使用，已難以滿足電力電纜局放超聲檢測(cè)的需求。

(2)單模光纖Sagnac傳感系統(tǒng)靈敏度高，可檢測(cè)出電纜及其附件的局放信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)長距離電纜局放狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障定位，在實(shí)際的電纜局放監(jiān)測(cè)中具有良好的應(yīng)用潛力。

(3)COTDR傳感系統(tǒng)靈敏度高，可檢測(cè)到納米級(jí)的放電量，具有準(zhǔn)分布式監(jiān)測(cè)電纜絕緣狀態(tài)的能力，在電力電纜局放監(jiān)測(cè)領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。

(4)φ-OTDR傳感系統(tǒng)具有長距離分布式監(jiān)測(cè)電纜絕緣狀態(tài)能力，定位算法簡(jiǎn)單且誤差小，具有實(shí)時(shí)性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、鋪設(shè)方便等優(yōu)點(diǎn)，是攻克未來電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵方法，是未來電力電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的主流方法。

超聲波檢測(cè)有望成為未來電力電纜及其附件局放監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的主流方法。光纖傳感技術(shù)以其抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)將受到更多青睞，但仍存在需要解決的問題，包括傳感器放置及靈敏度問題、局放故障識(shí)別和多局放點(diǎn)定位問題、故障預(yù)警報(bào)警問題等。