Page 77 - 无损检测2024年第九期
P. 77
蒋 鹏，等：
基于光纤声发射的局部放电信号识别方法分析
式灵活、耐腐蚀、不受电磁干扰的影响、可实现局部 底的轴上。当传感器贴在被检测结构上时，传感光
放电的定位等，并且不影响设备的正常运行，能实现 纤所在的轴体直接与结构表面接触，以实现表面声
电气设备的局部放电信号监测，因此光纤声发射检 波向传感光纤的最佳传输。光纤声发射传感器的结
测方法近年来受到了学者们的广泛关注 [8-9] 。 构及尺寸示意如图1所示，该传感器通过夹子、胶带
20世纪90年代，挪威电力研究所的LUNDGAARD [10] 或耦合剂固定在特定位置，当声波通过传感器探头
提出了局部放电声学检测法的基本理论，其中包括 时，振动被转移到传感器的心轴上，然后转移到其
局部放电产生声波的基本原理，声波的传播和吸收 周围的盘状纤维上。由此产生的干涉信号被传输到
现象，声波在介质界面的反射与折射特性，以及不同 OptimAE 采集主机，进行信号采集、声发射（AE）信
介质中的声波特性。2010年，KUNDU等 [11] 研究了 号的解调，并与带有OptimAE 软件的计算机通信，
用超声信号对3种不同电极系统的油压板绝缘系统 进行声学事件检测和进一步处理。
模拟局部放电进行分类，从局放超声信号中提取分
形特征。2016年，ZHANG等 [12] 开展了基于迈克尔
逊干涉仪检测局部放电的研究。
目前利用压电式探头对局部放电声发射信号的
识别研究较多，而对光纤声发射检测技术的研究还主
要停留在光纤传感器的开发阶段。文章利用光纤声
发射设备，在梯度电压下采集了4种典型的电气设备 图 1 光纤声发射传感器
局部放电声发射信号，对不同放电形式、电压下的局
2 试验平台与信号采集
部放电信号进行了参量分析，并提出了一种结合信号
处理与卷积神经网络的局部放电信号识别方法。 基于以上光纤声发射检测原理，文章制作了尖端
放电、气泡放电、悬浮放电和沿面放电4种典型的局
1 光纤声发射检测原理
部放电模型，如图2所示。搭建了基于光纤声发射的
局部放电过程产生的声发射信号通过机械波传 局部放电声发射信号采集试验平台，如图3所示。该
播会使光纤产生机械振动，从而使光纤折射率发生 系统由典型缺陷局部放电模型、变压器、电压控制箱、
变化。由于光弹效应，光纤中的光相位发生变化，进 光纤声发射采集主机和采集控制电脑5部分组成。
而引起光功率的变化。
当光纤受到声发射波的干扰时，光相位变化
如下
⋅
= Δφ β Δ + L Δβ ⋅ = L L +Δφ n +Δφ Δφ （1）
D
式中： Δφ 为光波的相位改变量；Δφ L 为光纤长度改变
引起的相位延迟，即光纤的应变效应； Δφ n 为光纤折
射率改变引起的相位延迟，即光弹效应； Δφ D 为光纤
图 2 4 种局部放电模型
的芯径发生变化引起的相位延迟，即泊松效应； β 为
光纤传播常数； L为光纤长度。 在试验过程中，220 V的工频交流电压经过变压
一般意义上讲， Δφ D 对相位改变的贡献很小，所 器升压后，在电压控制箱的调节下加载在局部放电
以一般对Δφ D 忽略不计 [13] 。所以，光纤的应力应变 模型高压处。两个光纤声发射传感器由耦合剂耦合
效应、光弹效应与温度应变效应是通常意义上的引 后对称贴在模型上部，并由胶带贴紧。从0 kV开始
起相位调制的3个关键因素。 以恒定速率增加电压直至出现局部放电信号，此时
文章使用Optics11公司生产的OptimAE光纤声 刻为各个模型的起始局部放电电压。
发射设备进行信号采集。该系统在声发射传感器中 4 类局部放电模型的起始电压值试验结果如
封装有长度相同的传感光纤和参考光纤，参考光纤 表1所示，可见，产生局部放电现象的起始电压值并
被卷在一起围绕着一个阻尼器，并与振动和机械干 不相同，这主要是因为绝缘性能不同与电场畸变的
扰隔离，而传感光纤则盘绕在探头中的一个具有平 影响不同，在此电压值时发生的局部放电信号均为
43
2024 年 第 46 卷 第 9 期
无损检测
