内置于变压器压强平衡光纤EFPI传感器的信号衰减研究

Research on Signal Attenuation of Fiber Optic EFPI Sensor Built in Transformer Pressure Balance

摘要: 光纤EFPI超声传感器是基于Fabry-Pérot光学干涉原理来检测局放超声信号，具有灵敏度高、抗电磁干扰等优点，广泛应用于电气设备局部放电的检测。应用压强平衡光纤EFPI超声传感器在变压器内部测局部放电时，相对于在空气中测量，存在信号的幅值有较大衰减、传感器的灵敏度会降低的情况。本文研究了检测变压器中局放超声信号的内置式光纤EFPI超声传感器的信号衰减情况，并基于有限元法对光信号在F-P腔体的传播特性进行了仿真。通过仿真和实验确认了内置式传感器光纤端面的光反射率，论证了光在F-P腔的损耗。

Abstract: The optical fiber EFPI ultrasonic sensor is based on the Fabry-Pérot optical interference principle to detect partial discharge ultrasonic signals. It has the advantages of high sensitivity and resistance to electromagnetic interference. It is widely used in the detection of partial discharge in electrical equipment. When using the pressure-balanced optical fiber EFPI ultrasonic sensor to measure partial discharge inside the transformer, the signal amplitude will be attenuated, and the sensitivity of the sensor will be reduced compared to the measurement in the air. This paper studies the signal attenuation of the built-in optical fiber EFPI ultrasonic sensor that detects the partial discharge ultrasonic signal in the transformer. And based on the finite element method, the propagation characteristics of the optical signal in the F-P cavity are simulated. The light reflectivity of the fiber end face of the built-in sensor is confirmed through simulation and experiment, and the light loss in the F-P cavity is demonstrated.

1. 引言

鉴于我国能源分布东西不均，跨区域电力传输成为必然选择，高压电力设备如高压电力变压器、GIS等成为电网必然需求。然而，制造、运输高压电力设备时不可避免地产生绝缘缺陷，这些缺陷在运行过程中会导致绝缘劣化甚至绝缘失效。在绝缘劣化的前期阶段会产生局部放电现象 [1] [2] [3]。局部放电检测被用作检测绝缘缺陷的方法，在局部放电前期对存在缺陷的高压电气设备及时做出停电和检修安排，可以避免主绝缘击穿进而导致电力系统的恶性停电事故 [4] [5] [6]。

局部放电伴随着超声波信号，超声波检测局部放电是一种被证明的有效检测方法 [7] [8] [9]。但对变电站现场运行的设备进行局放检测时，传统的压电超声传感器容易受到现场的干扰从而降低信噪比 [10] [11]，同时高压电气设备的内部结构复杂、较厚的设备外壳均增加了外置式的压电超声传感器在现场检测的难度 [12] [13]。和压电超声传感器相比，基于Fabry-Pérot原理的光纤超声传感器是一种测量局放的非电性检测方法 [14]，具备很好的电绝缘性，传感器可小型化、灵敏度高等优点 [15]。

高压电力设备内部均为充油或充气的结构，在设备投运前要进行抽真空除湿、真空注油(气)等操作，应用在电力变压器的光纤EFPI超声传感器，由于受到油(气)压和温度的影响，改变了传感器F-P腔的长度，并影响了振动膜片的振动特性。采用压强平衡结构的光纤EFPI超声传感器，变压器油和SF6等绝缘介质将进入F-P腔，改变激光在F-P腔内的传播特性，主要是绝缘介质对光的吸收和界面反射、透射率的变化，降低了两束干涉光的光强，从而降低了传感器的灵敏度。

本文将对压强平衡结构光纤EFPI超声传感器的F-P腔的激光传播特性进行研究，首先通过COMSOL仿真软件对光在F-P腔的传播特性进行仿真，然后用MS9740A光谱仪对F-P腔的光传播进行实验测量。COMSOL仿真结果与实验结果一致。

2. 光纤EFPI超声传感器原理

2.1. 普通光纤EFPI超声传感器原理

膜片式光纤EFPI超声传感器检测系统原理如图1所示，传感器探头的核心组件为石英膜片、单模光纤和石英毛细管。石英毛细管用于固定单模光纤和石英膜片，光纤端面和石英膜片的内表面组成F-P腔的两个反射面。

Figure 1. Diaphragm optical fiber EFPI ultrasonic sensor system

图1. 膜片式光纤EFPI超声传感器系统

传感器检测超声信号时，激光光源发出单色光沿着单模光纤入射到F-P腔内，根据Fresnel原理，入射光在光纤端面与空气所组成界面的反射率约为3.6%，其余96.4%的入射光会透过界面进入F-P腔，进入F-P腔的光入射到石英膜片上，大部分会通过石英膜片透射出去，其余部分在石英膜片内表面反射回到光纤端面，大约有3.3%的光透过空气与光纤端面所组成的界面回到光纤，光纤端面与膜片内表面的两束反射光在光纤内部干涉叠加引起光强的变化，最后通过光纤环形器输出。当超声信号作用到膜片上时，会引起膜片的振动继而引发膜片的变形，膜片的变形导致F-P腔的长度发生微小的变化，改变传感器的腔长进而改变两束光的相位差，从而使得两束光干涉后的光强变化，从而改变干涉光谱 [16] [17]。通过对接收到光强信号的解调，可以实现对外界振动信号的测量 [18] [19] [20]。两束光干涉后得到的光强为 [21]：

$I_r=\frac{R_1+R_2-2\sqrt{R_1{R}_2}\cos \left(\text{Δ}\phi \right)}{1+R_1{R}_2-2\sqrt{R_1{R}_2}\cos \left(\text{Δ}\phi \right)}\cdot I_0$ (1)

$\Delta \phi =\frac{4n_0\pi }{\lambda }\cdot l$ (2)

式中： $I_0$ 为光源发出的光强； $R_1$ 为光纤端面的光反射系数； $R_2$ 为石英膜片内表面反射回光纤的光反射系数；l为两个反射面之间的腔长； $n_0$ 为空气的折射率； $\lambda$ 为光的波长； $\text{Δ}\phi$ 为干涉光的相位差。

通过对式(1)、(2)进行数据仿真，得出结果如图2所示，在反射系数 $R_1$ 、 $R_2$ 确定的情况下，两束光干涉后的光强只与反射面之间的腔长l有关；同时列出三组 $R_1$ 、 $R_2$ 的值进行分析，从图中可以看出， $R_1$ 、 $R_2$ 的值越大，干涉光强的最大值 $I_{\max }$ 越大； $R_1$ 、 $R_2$ 接近时，干涉光强的最小值 $I_{\min }$ 越小， $R_1$ 、 $R_2$ 相等时， $I_{\min }$ 能取最小值0，此时干涉光的衬比度最大。 $I_{\max }$ 越大、 $I_{\min }$ 越小，随着腔长l变化时，干涉光强I的变化越大，即传感器的灵敏度越高。

Figure 2. The intensity of the interference light varies with the length of the F-P cavity

图2. 干涉光强随F-P腔长变化

2.2. 压强平衡结构光纤EFPI超声传感器

普通结构传感器的初始工作点受温度、外界压强影响，在F-P腔上打了两个通气孔从而使F-P腔的内外压强一致，其可以避免外界压强对F-P腔的影响，全石英焊接结构的EFPI超声传感器避免了引入多种温度系数不同的介质，可以大大降低传感器的温度系数，因此我们重新设计了压强平衡结构的光纤EFPI超声传感器，采用全石英焊接结构。其具体结构如图3所示。

Figure 3. Pressure balance fiber EFPI ultrasonic sensor structure

图3. 压强平衡光纤EFPI超声传感器结构

3. 压强平衡结构光纤EFPI超声传感器探头仿真模型

压强平衡结构光纤EFPI超声传感器内置于变压器时，发现传感器灵敏度明显低于应用在空气中的灵敏度，为了进一步提高传感器应用在高压电力设备局放检测的可靠性，本文将对传感器探头进行仿真，探究激光在F-P腔的传播特性。

3.1. 传感器探头仿真模型的建立

利用COMSOL软件的光学仿真元件建立与实际实验环境相近的仿真模，传感器探头仿真模型如图4所示，本文重点研究激光在F-P腔的传播特性，因此对模型做了一些简化：

a) 忽略光纤端面由于切割工艺缺陷导致的端面不平；

b) 忽略石英膜片与石英毛细管焊接时，由于热熔导致的石英膜片与毛细管端面呈现的微小夹角，以及焊接的不规则度；

c) 忽略由于膜片焊接、光纤切割导致的光纤端面与石英膜片的不平行度。

Figure 4. Sensor probe simulation model

图4. 传感器探头仿真模型

光的传播过程符合能量守恒方程、菲涅耳方程、波动方程等，光在光纤中传播的s偏振光和p偏振光在界面的反射和透射系数分别为：

$r_s=-\frac{\sin \left(i_1-i_2\right)}{\sin \left(i_1+i_2\right)}$ (3)

$t_s=\frac{2\sin \left(i_2\right)\cos \left(i_1\right)}{\sin \left(i_1+i_2\right)}$ (4)

$r_p=\frac{\tan \left(i_1-i_2\right)}{\tan \left(i_1+i_2\right)}$ (5)

$t_p=\frac{2\sin \left(i_2\right)\cos \left(i_1\right)}{\sin \left(i_1+i_2\right)\cos \left(i_1-i_2\right)}$ (6)

式中： $i_1$ 为入射角， $i_2$ 为反射角， $r_s$ 、 $t_s$ 分别为s偏振光的反射、透射系数， $r_p$ 、 $t_p$ 分别为p偏振光的反射、透射系数。

根据光的能量计算公式可知光功率在界面对的反射率和透射率分别为：

$R_s=r_s^2$ (7)

$T_s=\frac{\cos i_2}{\cos i_1}\cdot \frac{n_2}{n_1}\cdot t_s^2$ (8)

$R_p=r_p^2$ (9)

$T_p=\frac{\cos i_2}{\cos i_1}\cdot \frac{n_2}{n_1}\cdot t_p^2$ (10)

式中： $n_1$ 、 $n_2$ 分别为界面两侧的折射率， $R_s$ 、 $T_s$ 分别为s偏振光在界面的能量反射率、透射率， $R_p$ 、 $T_p$ 分别为p偏振光在界面的能量反射率、透射率。

为了清晰地探究光在F-P腔的传播特性，在COMSOL仿真模型光纤端面、变压器油界面、变压器油、石英膜片界面设置边界模式分析，其方程为：

$\left(\nabla -i{k}_1\right)\times \left[\left(\nabla -i{k}_1\right)\times E_1\right]-k_0^2{\epsilon }_r{E}_1=0$ (11)

式中： $\nabla$ 为拉普拉斯算子， $k_1$ 为波矢， $E_1$ 为包络函数， ${\epsilon }_r$ 为变压器油的介电常数。

3.2. 传感器探头各部分材料参数设定

传感器探头主要由单模光纤、石英毛细管与石英膜片组成，由于着重探究光在传感器探头的传播规律，影响光传播规律的主要因素是材料的折射率，所以本文列出了传感器探头各个部分材料的折射率参数，如表1所示。

Table 1. Material parameter setting of sensor probe model

表1. 传感器探头模型的材料参数设置

3.3. 传感器探头仿真结果分析

对传感器原理分析可知，传感器灵敏度与F-P腔两个反射面(光纤端面、石英膜片内表面)的光反射率、透射率密切相关，仿真时在光纤纤芯设置一个光功率为1 W，波长为1550 nm的红外光源，通过式(3)~(11)对模型进行仿真计算，得到光纤、变压器油界面的反射率随入射角变化，如图5所示；变压器油的折射率为1.48，远高于空气的折射率1，并且对光有吸收作用，F-P腔中填充变压器油后改变了光的传播特性，并在传播过程中吸收部分光，通过仿真计算得到F-P腔对光的吸收率随腔长变化结果如图6所示，可以得出F-P腔长为80 μm时，光在F-P腔的损耗约为41.5%。

Figure 5. The reflectivity of the interface between the optical fiber and the transformer oil varies with the angle of incidence

图5. 光纤、变压器油界面反射率随入射角变化

Figure 6. Absorption rate changes with F-P cavity length

图6. 吸收率随F-P腔长的变化

4. 实验论证

为了论证光在F-P腔的传播特性，本文设计了光谱测量系统，用特制的光纤切割刀对光纤进行切割、抛光，保证光纤端面的平整度，然后将切割好的光纤端面直接深入变压器油箱中，测量系统如图7所示，由光源发出1550 nm的窄带激光，经过光纤环形器传播到单模光纤的切割端面，光纤端面将反射部分光经光纤环形器到MS9740A光谱仪，通过光谱仪测量反射光的功率。

Figure 7. Spectral measurement system of reflected light

图7. 反射光的光谱测量系统

因为没有很好的方法确定光纤端面切割的平滑度，所以先将端面置于空气中进行测试。光源的功率为5.445 mW，光纤环形器的端口1到端口2的传输率为76.38%，因此，光源出射的光经环形器传播到光纤端面的功率为4.159 mW，环形器端口2到端口3的传输率为65.03%，端面反射光经环形器到光谱仪的功率为96.828 μW，经计算可知光纤端面的反射率为3.58%。通过菲涅耳方程仿真计算光纤、空气界面的反射率随入射角的变化如图8所示，由于采用的光纤内芯的折射率为1.467，包层的折射率为1.46，根据Snell定律可知光入射到光纤端面的入射角小于5˚，因此从图中可以看出光在光纤、空气界面的反射率约为3.6%。由此可以确认切割的光纤端面平整。

将光纤端面置于变压器油箱中，如图7所示。和光纤端面置于空气中一样，测量端面置于变压器油中的反射光功率，为291.743 nW，其测量截图如图9所示，通过计算可知其反射率为0.00107%。

Figure 8. The reflectivity of the fiber-air interface varies with the angle of incidence

图8. 光纤、空气界面反射率随入射角变化

Figure 9. Optical fiber end face placed in transformer oil reflectance spectrum

图9. 光纤端面置于变压器油中反射光谱

至此，论证了光纤端面置于变压器油中时的界面反射率，由于光的功率的可叠加性，为了研究光在F-P腔中的损耗还需知道传感器置于变压器油中时的反射光功率。根据前面的论述我们可以知道光纤、变压器油界面的反射率极低，这是由于光纤的材料二氧化硅的折射率1.467与变压器油的折射率1.48非常接近，而石英膜片的材料也是二氧化硅，因此变压器油与膜片界面的反射率和光纤、变压器油界面的反射率相同，反射光的功率是nW级，由于测量仪器的局限，测量将会误差较大，为了精确探究F-P腔的损耗，我们用石英膜片内表面局部镀膜的方法，提高石英膜片内表面的光反射率，使反射率达到99%，这样提高反射光用的功率，减小测量误差。石英膜片局部镀膜结构示意图和镀膜完成的石英膜片实物图，如图10所示。

将制作好的压强平衡光纤EFPI超声传感器置于变压器油中，静置24 h，让变压器油完全浸入F-P腔，然后用光谱仪测量反射光的干涉光谱，光谱如图11所示，我们可知反射光的功率为1.483 mW，通过计算光源发出的光在F-P腔传输率为54.85%，即损耗为45.15%。

Figure 10. Schematic diagram of local coating structure of sensor diaphragm and physical diagram of diaphragm coating

图10. 传感器膜片局部镀膜结构示意图与膜片镀膜实物图

Figure 11. Quartz diaphragm coating pressure balance optical fiber EFPI ultrasonic sensor reflection spectrum

图11. 石英膜片镀膜压强平衡光纤EFPI超声传感器反射光谱

5. 结论

基于光纤EFPI超声传感器的原理，可知传感器的灵敏度与传感器F-P腔的两个反射面的光反射率密切相关，而内置于变压器的压强平衡光纤EFPI超声传感器由于F-P腔填充了变压器油，改变了光的传播特性，降低了两个反射面的反射率，通过仿真和实验共同论证了反射面的发射率降低到大约0.0107%，降低了传感器的灵敏度；通过建立传感器仿真模型，得到当F-P腔长80 μm时，变压器油对光的吸收率约为41.5%，由实验用MS9740A光谱仪测量光纤端面与传感器在变压器油、空气中的反射光谱，并经过计算，光在F-P腔的损耗率(即变压器油的吸收率)约为45.15%，实验与仿真结果相差4%，这是由于仿真中忽略了一些传感器制作偏差等影响因数，可以确认仿真结果与实验结果相符。