关于“荧光光纤局部放电检测的优化匹配方法研究”的学术研究报告

本报告发表于《电工电能新技术》 期刊2021年第7期。

一、 研究的学术背景与目标

本研究隶属于高电压与绝缘技术领域，具体聚焦于电力设备状态监测中的局部放电（Partial Discharge, PD）光学检测技术。局部放电是导致电气设备绝缘劣化的关键征兆，其有效检测对保障电网安全至关重要。光学检测法因其抗电磁干扰能力强、置信度高等优点而受到关注。其中，荧光光纤凭借其良好的绝缘性能和独特的光谱转置（频移）特性，成为将放电产生的紫外-蓝光信号转换为光电探测器更易响应的可见光（荧光）信号的理想耦合介质。

尽管前期研究已证实荧光光纤法检测局部放电的可行性及在气体绝缘开关设备（GIS）、变压器油等场景的应用潜力，但在将该技术推向实际工程应用时，仍存在若干关键性能影响因素缺乏系统研究，导致检测系统性能未能最优化。这些问题包括：1）放电光谱、光纤特性与光电探测器响应三者之间的光谱匹配效率有待量化评估与提升；2）光纤的物理部署参数（如耦合长度、与放电源的相对位置）对检测信号的统计特性（如脉冲频次、幅值、时延）有何具体影响尚不明确；3）光学检测结果与传统脉冲电流法（IEC标准方法）的统计特性存在差异，这些差异的来源及其对检测有效性的影响需要澄清。

因此，本研究旨在系统性地探究影响荧光光纤局部放电检测系统性能的关键因素，通过理论分析与实验研究相结合的方法，建立光谱匹配的估算方法，揭示光纤几何布局对检测统计特性的影响规律，并分析光、电检测结果差异的来源。最终目标是为实际工程应用中荧光光纤的类型选择、光电探测器的选型、光纤传感器的结构优化与部署位置的合理设置提供科学的参考依据和优化指导。

二、 研究的详细工作流程

本研究的工作流程包含理论分析、系统构建、实验测试与数据分析四个主要环节，研究对象以空气电晕放电为典型代表。

第一步：荧光光纤检测系统原理与光谱匹配理论分析。 研究首先阐述了荧光光纤局部放电检测系统的基本构成：前端荧光光纤、传输光纤、光电转换单元（如光电倍增管PMT或硅光电倍增管SiPM）及后续信号处理电路。核心在于分析了影响系统光学性能的三个关键理论因素：放电辐射光谱与荧光光纤激发光谱（λ_ex）的匹配度（M_f）、光纤受激后产生的荧光光谱（λ_em）与光电探测器响应光谱的匹配度（M_p）、以及探测器的量子效率（PDE）。研究引入了量化的光谱匹配度计算公式（文中公式2和3），为后续的器件选型对比提供了理论工具。

为了进行对比实验，研究选定了两种不同类型的塑料荧光裸光纤（文中称为光纤I和光纤II）以及两类典型的单光子级光电探测器（光电倍增管PMT型号Hamamatsu-R928和硅光电倍增管SiPM型号SensL-MicroFJ-30035）作为主要研究对象。这些器件的具体光谱参数（激发/发射波长范围、折射率）和性能特点（量子效率、光谱响应范围、驱动电压等）被详细列出并作为分析基础。

第二步：空气电晕放电光谱与光纤光谱匹配度实验测定与计算。 研究人员搭建了尖-板电极空气电晕放电实验平台，产生视在放电量约为550 pC的稳定放电。使用光纤光谱仪对放电产生的光辐射进行积分测量，获得了空气电晕在250-500 nm蓝光波段的发射光谱。随后，利用第一步提出的光谱匹配度计算公式，分别计算了两种光纤的激发光谱与实测电晕光谱的匹配度M_f。计算结果显示，光纤I的匹配度（M_f = 0.515）高于光纤II。同时，计算了两种光纤的荧光光谱与两种探测器响应光谱的匹配度M_p。综合光谱匹配度与光纤对光子的理论捕获效率（T_e），研究提出了一个简化的系统总体光谱响应能力估算公式（F_tot = T_e * M_f * M_p），并对四种组合（光纤I/II + PMT/SiPM）进行了估算。初步估算表明，“光纤I + PMT（R928）”组合的光谱匹配程度最优。

第三步：荧光光纤检测系统构建与同步对比实验。 为了深入研究检测统计特性，研究构建了同步检测系统。该系统能同时采集由传统脉冲电流法（基于检测阻抗）得到的电流脉冲信号和由荧光光纤-PMT/SiPM系统得到的光脉冲信号。所有信号经过放大、滤波后由高速数据采集卡记录，确保光、电信号在时间上严格同步。这一设计是本研究方法上的一个关键点，使得后续对光、电脉冲统计特性的直接对比成为可能。

第四步：光、电脉冲统计特性差异分析与来源探究。 利用同步采集的数据，研究人员首先对比了光脉冲和电流脉冲的相位分辨局部放电（Phase-Resolved Partial Discharge, PRPD）图谱。结果显示，两者在放电相位分布和极性效应（正半周幅值高、负半周脉冲密）上轮廓相似，验证了光学检测的有效性。然而，进一步的量化统计对比揭示了显著差异： 1. 脉冲强度与频次分布：光脉冲在约化强度0.4-0.7范围内的计数明显多于电流脉冲；在相位统计上，正半周的光脉冲数量也高于电流脉冲。 2. 脉冲时延分布：光脉冲的统计时延在1-10微秒范围内的分布概率明显高于电流脉冲。

为了探究这些差异的来源，研究对同步采集的原始脉冲序列进行了精细分析。观察发现，单个电流主脉冲对应的时间窗口内，光脉冲序列常出现多个子脉冲。这些子脉冲部分对应微弱的后续电流（可能是同一放电通道的后续电子崩），但部分光脉冲则完全没有对应的电流信号。研究者推断，后一种情况很可能源于光信号在荧光光纤内部因散射、反射等现象产生的二次或多次到达，从而在时间上被记录为独立的“伪脉冲”。这解释了为何光脉冲的统计时延更短、且特定强度区间的脉冲数更多。

第五步：光纤耦合几何特性影响的实验研究。 此部分旨在优化光纤的物理部署参数。研究设计了两个控制变量的实验： 1. 耦合长度影响实验：将一段荧光光纤环绕放电间隙布置，通过遮盖部分光纤，系统改变有效接收光信号的“耦合长度”（分别为1/4周长、1/2周长、3/4周长、全长）。在每个长度下进行同步放电实验，记录光脉冲的平均强度、脉冲频次和平均时延，并与电流脉冲的统计结果进行对比。 2. 相对位置（入射角）影响实验：将一段4cm长的荧光光纤水平放置于放电点附近，通过移动光纤位置，改变放电点发出的光辐射中心线与光纤轴线法线的夹角（入射角θ，设置30°、50°、70°、90°）。同样，在每个角度下进行实验，对比光、电脉冲的统计参量。

三、 研究的主要结果

研究通过上述系统性的实验与分析，获得了以下关键结果：

1. 光谱匹配优化结果：理论计算与实验验证相结合，明确了对于空气电晕放电，光纤I（激发谱299-477 nm，荧光谱471-511 nm）与光电倍增管PMT（R928）的组合具有最优的光谱匹配度。这为实际应用中的器件选型提供了直接依据。研究提出的光谱匹配度估算方法（F_tot）是一个有效的、可量化的选型工具。
2. 光、电统计差异的量化与机理解释：研究不仅定性地指出光、电PRPD图谱相似，更定量地揭示了二者在脉冲强度分布、频次和时延上的系统差异。通过分析同步脉冲序列，首次将这种差异明确归因于光信号在光纤内的多次反射/散射效应，而非放电物理过程本身。这一认识至关重要，它意味着在利用光纤检测数据进行放电模式识别或严重程度评估时，需注意其统计特性可能存在的系统性偏差。
3. 光纤耦合长度的优化值：实验数据清晰表明，光纤耦合长度显著影响检测结果。随着长度增加，光脉冲强度和频次增加，时延减小。然而，最重要的发现是：当耦合长度为放电点环绕周长的1/2时，光脉冲的频次和时延统计结果与电流脉冲的统计结果偏差最小。这意味着并非光纤接收面积越大越好，存在一个最优的耦合长度，能使光学检测的“活性”指标（频次、时延）最贴近电气测量基准。
4. 光纤相对位置（入射角）的优化值：实验结果表明，光脉冲强度和频次随入射角增大（光纤更正对放电源）而增加，时延减小。然而，当入射角约为50°时，光脉冲的频次和时延统计与电流脉冲结果最为接近。这为光纤在设备内部的安装角度提供了具体的优化指导，避免了凭经验布置的盲目性。

四、 研究的结论与价值

本研究得出以下核心结论： （1）提出了适用于荧光光纤局部放电检测系统的光谱匹配度量化估算方法，为光纤和光电探测器的优选提供了理论工具。针对空气电晕，光纤I与PMT（R928）的组合为较优选择。 （2）明确了荧光光纤检测结果与脉冲电流法结果在统计特性上存在差异，其主要原因在于光信号在光纤内的多次反射/散射，而非放电本质不同。这提示在利用光纤数据进行高级分析时需考虑此因素。 （3）确定了影响检测统计特性的关键几何参数及其优化值：对于环绕式布置，最优耦合长度为1/2周长；对于定点布置，最优入射角约为50°。遵循这些优化参数，可以使光学检测获得的放电脉冲频次、时延等关键统计量与电气检测结果最为一致，从而提升光学检测数据的可靠性和可比性。

本研究的科学价值在于，首次系统地将荧光光纤局部放电检测从“有效与否”的验证层面，推进到“如何最优”的量化优化层面。它不仅揭示了系统性能差异的内在机理（光信号传输特性），更提供了可操作、可量化的优化参数（光谱匹配度、1/2周长、50°角）。其应用价值直接服务于电力行业，为在GIS、GIL、变压器等关键电力设备中部署荧光光纤在线监测系统时，如何进行器件选型、如何设计传感器结构、如何确定安装位置，提供了明确、具体的工程指导依据，有助于推动该先进检测技术更可靠、更标准化地应用于实际生产。

五、 研究亮点

1. 研究视角的系统性与创新性：本研究没有孤立地看待光纤传感器，而是将其视为一个包含“放电源-光纤耦合-光电转换”的完整系统，系统地研究了光谱匹配、几何耦合、信号统计差异三大类影响因素，研究框架完整。
2. 方法上的精密对比：采用光、电信号同步采集与对比分析的方法，是揭示两者统计差异及根源的关键。这种直接对比的研究设计具有很强的说服力。
3. 结论的量化与实用性：研究结论超越了定性描述，给出了具体的优化数值（1/2周长、50°角）和量化计算公式（光谱匹配度），使得研究成果可以直接转化为工程实践中的设计准则，具有很高的实用价值。
4. 对差异来源的深度剖析：通过对原始脉冲波形的细致观察，将光、电统计差异归因于光纤内部的光传输物理过程，这一机理解释深化了对荧光光纤检测技术本质的认识。

六、 其他有价值内容

文中还简要讨论了影响检测灵敏度的其他潜在因素，如放电光辐射在气体介质中的传播特性（气体成分、压力、路径长度等），指出这些因素与实际检测对象紧密相关，虽未在本研究（以空气为对象）中展开，但在针对特定设备（如SF6 GIS）进行传感器部署时是需要考虑的重要问题。这体现了研究者思维的全面性，为后续针对不同绝缘介质的专项研究指出了方向。