聚合物绝缘材料的声振动衰减特性与基于分布式反馈光纤激光器的电缆局部放电检测

《Applied Sciences》：Acoustic-Vibration Attenuation Characteristics of Polymeric Insulating Materials and Distributed Feedback Fiber Laser-Based Partial Discharge Detection in Cables

　　

摘要：局部放电（partial discharge, PD）会产生瞬态声振动信号，可用于电缆绝缘的无源监测。与以往分别单独研究分布式反馈光纤激光器（distributed feedback fiber laser, DFB-FL）灵敏度、聚合物材料特性或特定电缆中声衰减的研究不同，本研究建立了一种面向应用的跨尺度评估方法，将材料层面的传播损耗与基于DFB-FL/光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating, FBG）系统的电缆尺度检测联系起来。本研究比较了聚丙烯（polypropylene, PP）、交联聚乙烯（cross-linked polyethylene, XLPE）和甲基硅橡胶（methyl silicone rubber, MQ）的杨氏模量，并在50至300 kHz范围内测量了它们以及绝缘油的频率依赖衰减系数。随后，研究人员在一个包含针尖诱导人工气隙的250 mm长、220 kV XLPE电缆试样上，于0–7 cm的传感距离和四个圆周位置上进行了测试。对于所测试的三种材料，外推的初始响应幅度随杨氏模量的增加而减小。测得的聚合物衰减系数约为0.052–0.192 Np/cm，而绝缘油约为0.018–0.033 Np/cm。在所陈述的实验室标准下，DFB-FL系统检测到的最低时间相关视在电荷事件为16 pC。DFB-FL峰峰值响应从0 cm处的5.04 Vpp下降至7 cm处的1.00 Vpp，在6至7 cm之间低于背景阈值，这实验性地验证了材料衰减、电缆内部传播路径与传感器布放约束之间的内在联系。

论文解读：聚合物绝缘材料声振动衰减特性与基于DFB-FL的电缆局部放电检测

一、研究背景、问题与研究意义

随着高压电力电缆在可再生能源并网、城市输电及海底输电工程中的广泛应用，电缆绝缘的长期稳定性已成为影响电力系统安全运行的关键因素。虽然交联聚乙烯（XLPE）和聚丙烯（PP）等聚合物绝缘材料具有良好的电气性能和工程适应性，但在长期服役过程中，它们持续承受电场、热场、机械应力和环境因素的联合作用。当绝缘内部或界面存在微孔、尖锐尖端、杂质和脱粘等局部缺陷时，缺陷附近的电场易发生畸变，从而可能诱发局部放电（PD）。尽管PD通常不会立即导致绝缘击穿，但其产生的电荷冲击、局部发热、化学侵蚀和机械振动会持续加剧绝缘劣化，使微观缺陷逐渐发展为电树枝、放电通道乃至贯穿性击穿。因此，PD被广泛认为是识别电缆绝缘早期缺陷和评估绝缘老化状态的重要特征参数。

现有的PD检测技术包括脉冲电流法、特高频法、高频电流互感器（HFCT）法、声发射法和光纤传感法等。其中，锆钛酸铅（PZT）压电传感器虽技术成熟，但其电输出易受电磁干扰，且在狭小空间或高电位区域的安装可能受限。光纤布拉格光栅（FBG）传感器结构紧凑、耐腐蚀且抗电磁干扰，但高速波长解调需要较宽的系统带宽，而光谱边缘强度解调易受光谱漂移和工作点选择的影响。分布式反馈光纤激光器（DFB-FL）具有窄线宽、高品质因数和高的动态应变灵敏度，其阵列已被应用于多点PD声信号检测。

然而，现有研究存在一个空白：固体和液体绝缘介质中频率依赖的传播损耗如何反映在高压电缆上DFB-FL/FBG传感单元的空间响应中，以及这些响应如何约束传感元件的周向和轴向布置尚不明确。因此，本研究旨在通过测量多种绝缘介质的频率依赖衰减系数，并结合在220 kV XLPE电缆试样上的同步电气-光学检测实验，为确定DFB-FL传感单元的轴向间距和周向布置提供实验依据，支持电缆接头、终端、应力控制区域等高绝缘缺陷风险位置的局部在线监测策略开发。该论文发表于《Applied Sciences》。

二、主要关键技术方法

研究人员采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   PZT基声振动测量：使用两个相同的R15a型PZT压电换能器分别作为发射器和接收器，对聚丙烯（PP）、交联聚乙烯（XLPE）、甲基硅橡胶（MQ）三种固态聚合物和绝缘油进行声振动信号的发射与接收，测量其在不同传播距离下的传输幅度。
2. 2.
   频率依赖衰减系数测定：在50、90、160、230和300 kHz五个频率点施加正弦激励，记录多个传播长度下的稳态接收幅度，利用指数衰减模型进行最小二乘拟合，计算出各介质在不同频率下的幅度衰减系数（单位：Np/cm）。
3. 3.
   DFB-FL/FBG传感系统：采用结合了DFB-FL和FBG的传感头，利用FBG的边带斜率实现波长-强度解调，将DFB-FL因声应变引起的波长偏移转换为电压信号，用于检测PD产生的声振动信号。
4. 4.
   电缆PD测试：在一个长度为250 mm、取自220 kV XLPE电缆的试样上进行。试样去除了金属护套和外保护层，保留了外层半导电屏蔽层。研究人员在绝缘侧插入钨针并回退1–2 mm形成人工气隙缺陷。测试中，同步使用了脉冲电流系统获取视在电荷量、HFCT通道提供PD事件的时间基准，以及DFB-FL/FBG系统测量声振动信号。

三、研究结果

3.1 三种被测材料的初始响应

在相同激励、试样几何尺寸、PZT布置、安装和采集条件下，通过外推得到的零传播距离初始响应幅度分别为：MQ为34.63 dB，XLPE为25.22 dB，PP为21.42 dB。结果表明，初始响应幅度随名义杨氏模量的增加而单调递减。研究人员拟合出的对数-线性关系显示，杨氏模量每增加十倍，初始响应幅度约降低6.03 dB。在线弹性近似下，相同的动应力幅值下，更高的杨氏模量导致更低的动态应变响应，这与实测的较低声振动幅度一致。

3.2 频率依赖衰减

在90、160、230和300 kHz频率下，PP、XLPE、MQ和绝缘油中的接收信号幅度均随传播距离增加而连续衰减，并很好地符合指数衰减模型。三种固态聚合物的信号幅度在25 cm传播距离内显著下降，而绝缘油中的信号在100 cm处仍可测量，表明液体介质中的距离依赖衰减弱得多。在50–300 kHz频率范围内，PP的衰减系数约为0.156–0.192 Np/cm，XLPE约为0.095–0.123 Np/cm，MQ约为0.052–0.086 Np/cm，绝缘油约为0.018–0.033 Np/cm。四种介质的衰减系数排序为：PP > XLPE > MQ > 绝缘油。

3.3 检测灵敏度与电荷术语

在阶梯升压测试中，通过同步分析脉冲电流、HFCT和DFB-FL信号发现，DFB-FL系统能够响应低至16 pC视在电荷的微弱PD声信号，显示出高检测灵敏度。

3.4 距离依赖信号衰减

将DFB-FL传感单元依次放置在距人工放电源0、1、2、3、4.5、6和7 cm的位置。随着传感距离从0 cm增加到7 cm，代表性DFB-FL响应的峰峰值幅度分别为5.04、4.53、2.67、1.87、1.62、1.51和1.00 V_pp，呈现总体下降趋势。对应事件的视在电荷保持在可比范围内。具体而言，6 cm处的响应为1.51 V_pp，高于3倍标准差（3SD）背景阈值（1.22 V_pp），而7 cm处的响应为1.00 V_pp，低于此阈值。

3.5 周向位置与传播路径混杂因素

在电缆周向0°、90°和270°位置检测到的幅度分别约为6.01 V、1.96 V和1.84 V，而180°位置处于背景水平。研究人员指出，对于直径约120 mm的电缆试样，从一侧到对侧的直线弦长约12 cm，半周长约18.8 cm，两者均超过了图7中确定的6–7 cm阈值跨越距离。因此，仅传播距离本身就可以在很大程度上解释180°位置无法检测的原因，半导电层和绞合导体的反射与散射可能增加了额外损耗，但其单独贡献无法从本次测量中区分。

四、讨论总结与结论翻译

讨论总结：

本研究的创新之处在于测量了四种介质的频率依赖衰减，并将其与在220 kV电缆试样上进行的同步DFB-FL/FBG空间测量进行了联合分析。研究结果桥接了现有研究中此前分离的实验与理论。同时，在所述实验室标准下，本研究对DFB-FL系统进行了面向布放的评估，表明被测电缆、人工缺陷、耦合条件和背景准则对具体数值范围有显著影响。结果表明，单个表面耦合的DFB-FL传感单元不太可能覆盖整个电缆圆周。若初步采用6 cm作为几何设计尺度，则可在同一电缆横截面以90°间隔布置四个传感单元，使得从任何周向位置到最近传感单元的最大表面弧长约4.7 cm。沿电缆轴向，相邻传感横截面的间距可初步设定为不超过12 cm。此布置仅为几何估算，未考虑三维传播路径、缺陷深度、层间反射与透射、耦合变化或现场背景噪声，因此不应直接视为工程部署规范。由于连续长距离监测需要大量传感单元，目前该方法更适合于电缆接头、终端等高风险区段的局部监测。未来工作需通过重复实验评估不同位置的检测概率和测量变异性，并进一步优化多传感单元的周向数量和轴向间距。

结论翻译：

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  在刻意选取的MQ、XLPE和PP有限集合中，外推的初始响应幅度从34.63 dB降至25.22 dB和21.42 dB，随名义杨氏模量的增加而减小。这是一个探索性的三材料趋势，受到阻尼、阻抗、形态和耦合的影响，并非作为普遍的聚合物规律提出。
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  在50至300 kHz范围内，所测聚合物的有效衰减系数约为0.052–0.192 Np/cm，而绝缘油约为0.018–0.033 Np/cm。用于这些值的指数模型直接关联于实测的幅度-距离数据；未分离出各个微观损耗机制。
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  DFB-FL/FBG系统从一个220 kV XLPE电缆试样中的针尖诱导气隙检测到了同步的声振动事件。在所述实验室标准下，报告的最低事件为16 pC，而响应在大约6至7 cm之间穿过约1.22 V_pp的背景阈值。对于对侧测量，传播距离已超过此范围，因此导体相关的损耗无法被隔离。因此需要针对性或多路复用布放，所提出的周向/轴向间距仍是需要在实际安装电缆结构上进行验证的初步估计。
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  通过将四种绝缘介质的频率依赖测量与在220 kV电缆试样上的距离依赖和周向依赖的DFB-FL/FBG测量相结合，本研究证明，高传感器灵敏度和实际电缆覆盖范围必须分开评估并联合考虑，因为即使附近弱放电是可检测的，声波在有损材料和多层路径中的传播也会施加传感器布放约束。