干涉型光纖傳感局放超聲檢測靈敏度影響研究

李曉敏　高妍　王宇　靳寶全　張紅娟　王東

摘要：針對電力設備局部放電檢測靈敏度要求較高的問題，提出不同長度的延遲光纖對基于干涉型Sagnac光纖傳感技術的局部放電超聲檢測系統靈敏度的影響，設計電力設備局部放電模擬裝置，搭建干涉型Sagnac光纖法檢測局部放電系統，進行局部放電光纖法檢測靈敏度理論分析與試驗驗證。試驗證明，在10kV電壓等級下，傳感光纖長度在10km以內，當延遲光纖的長度約為12～18km時，局部放電頻域信號中心頻率強度有最大值;當延遲光纖長度為12.353km時，傳感光纖對局部放電時域信號響應的靈敏度較高。研究表明，調節合適的延遲光纖長度，可以提高干涉型Sagnac光纖法檢測局部放電時域和頻域信號的靈敏度，可為電力設備局部放電光纖法檢測靈敏度的提升提供新的思路。

關鍵詞：局部放電;光纖傳感;Sagnac;延遲光纖;靈敏度

中圖分類號：TP211+.6;TP23

文獻標志碼：A

文章編號：1674–5124（2019）02–0089–05

0 引言

局部放電（PD）是造成絕緣損壞的主要原因之一[1]，因此對局部放電的研究十分必要。現階段對GIS設備和電力變壓器的PD研究結果表明：PD的放電脈沖具有非常快的上升沿，所激發的電磁能量在GIS設備和電力變壓器箱體內來回傳播;同時，微小的火花或電暈放電會使電離氣體通道發生擴散，產生超聲壓力波[2-3]，還伴隨著電離、熱輻射、聲波振蕩、光子發射等物理現象[4]。基于這些物理現象，逐漸衍生出了多種局部放電檢測方法，本文提出用薩格納克（Sagnac）光纖干涉法檢測PD產生的超聲波。Sagnac光纖干涉法因其使用的光纖具有抗電磁干擾、絕緣性能好、布置方式靈活、耐腐蝕等特點[5-6]，并能深入電力設備內部檢測而不影響其工作狀態，在PD檢測領域應用廣泛。采用Sagnac光纖干涉法檢測PD產生的超聲波信號，杜絕了外部電磁干擾的影響，并且響應速度快、操作簡單[7-9]。

針對Sagnac光纖干涉法檢測靈敏度的提升，北京大學提出并論證了一種采用雙Sagnac梳狀濾波器的多波長摻鉺光纖激光器[10];北京工業大學提出采用基于3×3耦合器的環形Sagnac干涉儀，對管道振動信號進行定位[11];Jang等[12]采用光纖偏振控制器控制雙折射干涉光束在Sagnac環中的正交相位偏置，成功檢測出傳統超聲壓電換能器產生的超聲波。但相關研究大多集中在選擇合適的光源和探測器等光學器件、改變光路、提升算法等方面，而針對延遲光纖對Sagnac光纖法檢測局部放電靈敏度影響的研究較少。

本文從干涉型Sagnac光纖法檢測PD的原理入手，通過理論分析和試驗驗證延遲光纖的長度變化對局部放電檢測系統的靈敏度影響。

1 基于Sagnac的光纖法檢測局部放電

PD在絕緣介質中產生后，會隨著電壓的升高而逐漸加劇，最后使絕緣劣化甚至擊穿。該過程中會伴隨著各種復雜的聲、光、電等現象，也會產生超聲波[13]。PD產生的超聲波信號會使光纖產生機械振動，Sagnac光纖干涉儀將振動轉化為相位變化，從而實現Sagnac光纖法對PD信號的識別與檢測。

傳統的環形Sagnac干涉系統如圖1（a）所示，由于對稱的環形傳感光纖會以對稱的方式受到相同物理振動場強的作用，存在光的互易效應，信號相互抵消，沒有干涉信號輸出。為解決該問題，本文設計了直線型Sagnac系統，實現對PD產生的超聲波信號的檢測，實驗系統如圖1（b）所示。

直線型Sagnac光纖傳感局部放電檢測系統采用3×3耦合器，且將Sagnac環打開，末端安裝法拉第旋轉鏡。該系統引入延遲光纖LD，使順逆時針單次經過延遲光纖LD的兩路等光程的光在3×3耦合器中發生干涉，并將攜帶有PD位置信息的光信號的固定相位差引入系統，提高PD檢測的靈敏度。

2 延遲光纖對局部放電檢測靈敏度的影響

2.1 傳播與干涉

發生干涉的條件是順逆兩束光具有零光程差。光在環形Sagnac系統中，如圖1（a）所示，設光源A的光信號為

3dB耦合器B的3端，順時針方向的光信號為

B的4端，逆時針方向的光信號為

光源發出的光沿著順時針方向從B的3端到B的2端，光信號的強度為

光源發出的光沿著逆時針方向從B的4端到B的2端，光信號的強度為

由式（4）和式（5）對比可知，環形Sagnac光纖干涉系統順逆兩束光的相位差為π。

直線型Sagnac系統采用3×3耦合器[8]，在理想情況下，該耦合器的分光比為1∶1∶1，每一支路光輸出光強為光源光強的1/3，光纖耦合器的耦合相移φc=120°，則順逆兩束光的相位差為固定值2π/3。該系統由于延遲光纖LD的存在，使順逆兩束光經過PD位置的相位信息不同，在3×3耦合器中發生干涉[14]，其光功率為

式中：P0——輸入光功率，mW;

φ（t）——振動引起的相移;

?Ψ——由其他信號引起的常數非互易相移;

ta、tb——順時針光先后兩次經過PD源的時間延遲，ms;

tc、td——逆時針光先后兩次經過PD源的時間延遲，ms。

2.2 延遲光纖與頻率

假設PD信號為y（t）=A0sin（ω0t+φ0），由于PD為小信號，且連續存在，則第i個信號可表示為

由式（7）可以推出，PD信號引起單次經過延遲光纖LD的順逆兩束光路的相位變化可分別表示為

由于ωi=2πfi，則延遲光纖LD與PD信號的頻率之間的關系為

式中，n為光纖折射率，c為光在真空中的傳播速度。由式（12）可見，在一定范圍內PD信號的頻率f與延遲光纖LD成反比例關系，因而為研究Sagnac光纖傳感PD信號檢測的靈敏度與延遲光

纖LD的長度變化關系提供了理論依據。

3 局部放電檢測靈敏度實驗方案設計

3.1 PD模擬裝置搭建

為了模擬局部放電，在實驗室設計針-針放電模型作為PD發生裝置，如圖2所示。針的本體直徑為5mm，針尖直徑為1mm，針與針之間的距離4mm。將該PD模型置于25#變壓器絕緣油中，模擬變壓器局部放電發生條件，產生PD信號。

3.2 直線型Sagnac光纖傳感局部放電檢測系統

直線型Sagnac光纖傳感PD檢測系統由PD發生模塊、光纖傳感器檢測模塊和信號采集與處理模塊構成，如圖3所示。

PD發生模塊由升壓變壓器產生10kV的直流電壓作用在圖2所示的針-針放電模型的a、b兩端，且a為正，b為負。光纖傳感器檢測模塊為直線型Sagnac系統，光源為ASE寬帶光源，光功率可調，光纖選用G652D單模裸光纖，光電探測器的型號為DET01CFCD，帶寬為1.2GB，用于光電轉換。信號采集與處理模塊中采集卡由英國Pico公司生產，型號為3206D，分辨率為8位1GS/s，帶寬200MHz，采集卡參數設置如表1所示。

4 實驗研究與結果分析

在干涉型Sagnac光纖傳感PD檢測系統的始

端位置，將光纖繞制成直徑為10cm的傳感探頭，其光纖總長度為50m。按圖3所示搭建試驗系統，實現PD信號的產生與檢測。并運用該系統，分別改變延遲光纖LD的長度進行靈敏度實驗，探究PD時域信號和頻域信號與延遲光纖LD的關系。

將光電探測器通電，光源調為合適的功率輸出，開始試驗。經由設置好參數的采集卡對PD信號進行采集，獲得連續并帶有包絡的PD時域信號，如圖4所示。

對系統采集到的110組PD信號的頻率特性進行研究，通過快速傅里葉變換得到PD信號的頻譜，如圖5所示。實驗室模擬的PD信號的頻域波形范圍約為6～40kHz，其中心頻率在7kHz，因此，該實驗方案能夠對PD信號進行識別與檢測。

為探究實驗系統中不同的延遲光纖長度LD對PD信號的頻率靈敏度的影響，將LD分別設定為2.014，4.051，6.193，12.353，14.318，18.319，26.671km，傳感光纖長度為2km進行實驗，對相同長度的延遲光纖LD做多次重復試驗并進行平均，得到試驗結果如表2所示。由表中數據繪制PD頻域中心頻率、中心頻率強度在不同延遲光纖長度LD下的變化曲線，其統計結果如圖6所示。

由圖可知，在傳感光纖長度為2km，且其他試驗條件不變時，PD頻域信號的中心頻率隨著延遲光纖LD長度的變化而變化。當延遲光纖LD為2～12.353km時，PD頻域中心頻率隨著延遲光纖LD長度的增大而減小;在延遲光纖LD的長度大于14.318km時，PD頻域信號中心頻率趨于恒定值6.95kHz，與式（12）所述原理相符。當延遲光纖LD的長度為12～18km時，PD頻域信號中心頻率強度有最大值。

為進一步探究PD時域信號靈敏度與延遲光纖LD長度變化的關系，將傳感光纖設定為0.5km，延遲光纖LD分別設定為2.014，4.051，6.193，12.353，14.318，18.319，26.671km，重復上述試驗，得到時域信號幅值。對相同長度的延遲光纖LD多次重復試驗并進行平均，實驗統計結果如圖7所示。

由圖可知，針對不同長度的傳感光纖，PD信號的時域信號幅值變化有相似的趨勢。當延遲光纖LD長度為12.353km時，傳感探頭對PD信號時域響應的靈敏度較高。因此，基于干涉型Sagnac光纖傳感技術的局部放電光纖法檢測系統可以通過選擇合適的延遲光纖LD長度，實現PD信號的識別與檢測靈敏度的提高。

5 結束語

本文通過理論分析和試驗驗證，研究了延遲光纖LD對干涉型Sagnac光纖傳感技術檢測局部放電靈敏度的影響，試驗結果表明當延遲光纖LD長度為2～12.353km時，PD頻域信號的中心頻率隨著延遲光纖LD長度的增大而減小，當延遲光纖LD的長度大于14.318km時，PD頻域信號的中心頻率趨于恒定值;當延遲光纖LD的長度約為12～18km時，PD頻域信號中心頻率強度有最大值;當延遲光纖LD長度為12.353km時，傳感探頭對PD信號時域響應的靈敏度較高。該系統可應用于電力變壓器等電力設備的PD檢測。現有的試驗方案與結果尚未實現PD信號的準確定位，下一步可以在光路上進行探索，把通過改變光源的脈沖寬度或將Sagnac干涉原理與光時域反射（OTDR）原理相結合進行PD信號檢測與定位作為研究的重點。

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