干涉型光纤传感局放超声检测灵敏度影响研究

李晓敏　高妍　王宇　靳宝全　张红娟　王东

摘要：针对电力设备局部放电检测灵敏度要求较高的问题，提出不同长度的延迟光纤对基于干涉型Sagnac光纤传感技术的局部放电超声检测系统灵敏度的影响，设计电力设备局部放电模拟装置，搭建干涉型Sagnac光纤法检测局部放电系统，进行局部放电光纤法检测灵敏度理论分析与试验验证。试验证明，在10kV电压等级下，传感光纤长度在10km以内，当延迟光纤的长度约为12～18km时，局部放电频域信号中心频率强度有最大值;当延迟光纤长度为12.353km时，传感光纤对局部放电时域信号响应的灵敏度较高。研究表明，调节合适的延迟光纤长度，可以提高干涉型Sagnac光纤法检测局部放电时域和频域信号的灵敏度，可为电力设备局部放电光纤法检测灵敏度的提升提供新的思路。

关键词：局部放电;光纤传感;Sagnac;延迟光纤;灵敏度

中图分类号：TP211+.6;TP23

文献标志码：A

文章编号：1674–5124（2019）02–0089–05

0 引言

局部放电（PD）是造成绝缘损坏的主要原因之一[1]，因此对局部放电的研究十分必要。现阶段对GIS设备和电力变压器的PD研究结果表明：PD的放电脉冲具有非常快的上升沿，所激发的电磁能量在GIS设备和电力变压器箱体内来回传播;同时，微小的火花或电晕放电会使电离气体通道发生扩散，产生超声压力波[2-3]，还伴随着电离、热辐射、声波振荡、光子发射等物理现象[4]。基于这些物理现象，逐渐衍生出了多种局部放电检测方法，本文提出用萨格纳克（Sagnac）光纤干涉法检测PD产生的超声波。Sagnac光纤干涉法因其使用的光纤具有抗电磁干扰、绝缘性能好、布置方式灵活、耐腐蚀等特点[5-6]，并能深入电力设备内部检测而不影响其工作状态，在PD检测领域应用广泛。采用Sagnac光纖干涉法检测PD产生的超声波信号，杜绝了外部电磁干扰的影响，并且响应速度快、操作简单[7-9]。

针对Sagnac光纤干涉法检测灵敏度的提升，北京大学提出并论证了一种采用双Sagnac梳状滤波器的多波长掺铒光纤激光器[10];北京工业大学提出采用基于3×3耦合器的环形Sagnac干涉仪，对管道振动信号进行定位[11];Jang等[12]采用光纤偏振控制器控制双折射干涉光束在Sagnac环中的正交相位偏置，成功检测出传统超声压电换能器产生的超声波。但相关研究大多集中在选择合适的光源和探测器等光学器件、改变光路、提升算法等方面，而针对延迟光纤对Sagnac光纤法检测局部放电灵敏度影响的研究较少。

本文从干涉型Sagnac光纤法检测PD的原理入手，通过理论分析和试验验证延迟光纤的长度变化对局部放电检测系统的灵敏度影响。

1 基于Sagnac的光纤法检测局部放电

PD在绝缘介质中产生后，会随着电压的升高而逐渐加剧，最后使绝缘劣化甚至击穿。该过程中会伴随着各种复杂的声、光、电等现象，也会产生超声波[13]。PD产生的超声波信号会使光纤产生机械振动，Sagnac光纤干涉仪将振动转化为相位变化，从而实现Sagnac光纤法对PD信号的识别与检测。

传统的环形Sagnac干涉系统如图1（a）所示，由于对称的环形传感光纤会以对称的方式受到相同物理振动场强的作用，存在光的互易效应，信号相互抵消，没有干涉信号输出。为解决该问题，本文设计了直线型Sagnac系统，实现对PD产生的超声波信号的检测，实验系统如图1（b）所示。

直线型Sagnac光纤传感局部放电检测系统采用3×3耦合器，且将Sagnac环打开，末端安装法拉第旋转镜。该系统引入延迟光纤LD，使顺逆时针单次经过延迟光纤LD的两路等光程的光在3×3耦合器中发生干涉，并将携带有PD位置信息的光信号的固定相位差引入系统，提高PD检测的灵敏度。

2 延迟光纤对局部放电检测灵敏度的影响

2.1 传播与干涉

发生干涉的条件是顺逆两束光具有零光程差。光在环形Sagnac系统中，如图1（a）所示，设光源A的光信号为

3dB耦合器B的3端，顺时针方向的光信号为

B的4端，逆时针方向的光信号为

光源发出的光沿着顺时针方向从B的3端到B的2端，光信号的强度为

光源发出的光沿着逆时针方向从B的4端到B的2端，光信号的强度为

由式（4）和式（5）对比可知，环形Sagnac光纤干涉系统顺逆两束光的相位差为π。

直线型Sagnac系统采用3×3耦合器[8]，在理想情况下，该耦合器的分光比为1∶1∶1，每一支路光输出光强为光源光强的1/3，光纤耦合器的耦合相移φc=120°，则顺逆两束光的相位差为固定值2π/3。该系统由于延迟光纤LD的存在，使顺逆两束光经过PD位置的相位信息不同，在3×3耦合器中发生干涉[14]，其光功率为

式中：P0——输入光功率，mW;

φ（t）——振动引起的相移;

?Ψ——由其他信号引起的常数非互易相移;

ta、tb——顺时针光先后两次经过PD源的时间延迟，ms;

tc、td——逆时针光先后两次经过PD源的时间延迟，ms。

2.2 延迟光纤与频率

假设PD信号为y（t）=A0sin（ω0t+φ0），由于PD为小信号，且连续存在，则第i个信号可表示为

由式（7）可以推出，PD信号引起单次经过延迟光纤LD的顺逆两束光路的相位变化可分别表示为

由于ωi=2πfi，则延迟光纤LD与PD信号的频率之间的关系为

式中，n为光纤折射率，c为光在真空中的传播速度。由式（12）可见，在一定范围内PD信号的频率f与延迟光纤LD成反比例关系，因而为研究Sagnac光纤传感PD信号检测的灵敏度与延迟光

纤LD的长度变化关系提供了理论依据。

3 局部放电检测灵敏度实验方案设计

3.1 PD模拟装置搭建

为了模拟局部放电，在实验室设计针-针放电模型作为PD发生装置，如图2所示。针的本体直径为5mm，针尖直径为1mm，针与针之间的距离4mm。将该PD模型置于25#变压器绝缘油中，模拟变压器局部放电发生条件，产生PD信号。

3.2 直线型Sagnac光纤传感局部放电检测系统

直线型Sagnac光纤传感PD检测系统由PD发生模块、光纤传感器检测模块和信号采集与处理模块构成，如图3所示。

PD发生模块由升压变压器产生10kV的直流电压作用在图2所示的针-针放电模型的a、b两端，且a为正，b为负。光纤传感器检测模块为直线型Sagnac系统，光源为ASE宽带光源，光功率可调，光纤选用G652D单模裸光纤，光电探测器的型号为DET01CFCD，带宽为1.2GB，用于光电转换。信号采集与处理模块中采集卡由英国Pico公司生产，型号为3206D，分辨率为8位1GS/s，带宽200MHz，采集卡参数设置如表1所示。

4 实验研究与结果分析

在干涉型Sagnac光纤傳感PD检测系统的始

端位置，将光纤绕制成直径为10cm的传感探头，其光纤总长度为50m。按图3所示搭建试验系统，实现PD信号的产生与检测。并运用该系统，分别改变延迟光纤LD的长度进行灵敏度实验，探究PD时域信号和频域信号与延迟光纤LD的关系。

将光电探测器通电，光源调为合适的功率输出，开始试验。经由设置好参数的采集卡对PD信号进行采集，获得连续并带有包络的PD时域信号，如图4所示。

对系统采集到的110组PD信号的频率特性进行研究，通过快速傅里叶变换得到PD信号的频谱，如图5所示。实验室模拟的PD信号的频域波形范围约为6～40kHz，其中心频率在7kHz，因此，该实验方案能够对PD信号进行识别与检测。

为探究实验系统中不同的延迟光纤长度LD对PD信号的频率灵敏度的影响，将LD分别设定为2.014，4.051，6.193，12.353，14.318，18.319，26.671km，传感光纤长度为2km进行实验，对相同长度的延迟光纤LD做多次重复试验并进行平均，得到试验结果如表2所示。由表中数据绘制PD频域中心频率、中心频率强度在不同延迟光纤长度LD下的变化曲线，其统计结果如图6所示。

由图可知，在传感光纤长度为2km，且其他试验条件不变时，PD频域信号的中心频率随着延迟光纤LD长度的变化而变化。当延迟光纤LD为2～12.353km时，PD频域中心频率随着延迟光纤LD长度的增大而减小;在延迟光纤LD的长度大于14.318km时，PD频域信号中心频率趋于恒定值6.95kHz，与式（12）所述原理相符。当延迟光纤LD的长度为12～18km时，PD频域信号中心频率强度有最大值。

为进一步探究PD时域信号灵敏度与延迟光纤LD长度变化的关系，将传感光纤设定为0.5km，延迟光纤LD分别设定为2.014，4.051，6.193，12.353，14.318，18.319，26.671km，重复上述试验，得到时域信号幅值。对相同长度的延迟光纤LD多次重复试验并进行平均，实验统计结果如图7所示。

由图可知，针对不同长度的传感光纤，PD信号的时域信号幅值变化有相似的趋势。当延迟光纤LD长度为12.353km时，传感探头对PD信号时域响应的灵敏度较高。因此，基于干涉型Sagnac光纤传感技术的局部放电光纤法检测系统可以通过选择合适的延迟光纤LD长度，实现PD信号的识别与检测灵敏度的提高。

5 结束语

本文通过理论分析和试验验证，研究了延迟光纤LD对干涉型Sagnac光纤传感技术检测局部放电灵敏度的影响，试验结果表明当延迟光纤LD长度为2～12.353km时，PD频域信号的中心频率随着延迟光纤LD长度的增大而减小，当延迟光纤LD的长度大于14.318km时，PD频域信号的中心频率趋于恒定值;当延迟光纤LD的长度约为12～18km时，PD频域信号中心频率强度有最大值;当延迟光纤LD长度为12.353km时，传感探头对PD信号时域响应的灵敏度较高。该系统可应用于电力变压器等电力设备的PD检测。现有的试验方案与结果尚未实现PD信号的准确定位，下一步可以在光路上进行探索，把通过改变光源的脉冲宽度或将Sagnac干涉原理与光时域反射（OTDR）原理相结合进行PD信号检测与定位作为研究的重点。

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