局部放电超声的光纤散斑传感技术研究

Partial discharge measurement is an important mean to assess the health of insulation system. Optical fiber, as dielectric material, can be embedded within power equipment and immune to electromagnetic interference. The low attenuation of optical fiber also makes it possible to remotely sense the signal. In some application, such as the long distance cable system where the traditional methods cannot be used anymore, fiber optic sensing keeps a promising solution. Fiber optic sensor, based on the fiber used, can be categorized into single mode fiber sensor and multimode fiber sensor. Fiber speckle sensing by using multimode fiber avoids some problems of single mode fiber sensing system, such as polarization fading and phase quadrature. Thus, this proposal puts forward to use fiber speckle to measure the acoustic emission from partial discharge. The main test subjects are aimed at transformer oil-paper system, and cable solid insulation system. Through measuring the acoustic spectrum of partial discharge under these two defected systems and simulating the model of acoustic propagation, the complete mode of fiber speckle sensing for partial discharge can be concreted, modified on the existant theory of fiber speckle sensing in the field of optics. The manufacture and craftsmanship of sensing fiber, and the appropriate choice of system components, i.e. light source, coupling system and filtering system, will be researched. The complete sensing system will be configured in turn. Finally, the performance of the sensing system will be qualified by using standard acoustic source and artificial defect model generating partial discharge.

局部放电检测是评价电力设备绝缘系统健康状况的重要手段之一。光纤作为介电材料可置入电力设备内，不受电磁干扰，衰减小可完成远距离测量，在一些传统测试方法不再适用的场合，如长距离高压电缆，光纤测量局部放电超声具有良好的应用前景。本申请提出利用多模光纤散斑干涉法测量局部放电超声，可避免传统单模光纤传感相位、偏振不稳定等问题。项目研究中拟结合变压器油纸绝缘与电缆接头中典型缺陷的局部放电超声频谱特性、局部放电超声传播模型、及已有光纤散斑传感模型，建立完整的光纤散斑局部放电超声传感理论模型。研究光纤散斑局部放电检测系统中传感光纤的制作工艺及方法，光源、耦合单元、空间滤光器等各组件的参数要求，并设计与搭建相应的传感系统。利用标准超声源和人工制作变压器油纸绝缘系统和电缆接头典型缺陷验证该光纤传感系统的性能。

本项目提出利用多模光纤的散斑干涉技术检测变压器和电缆等电力设备中局部放电过程产生的超声波信号。光纤作为介电材料不受电磁干扰，衰减小，可内置入电力设备内以提高检测灵敏度，可完成远距离测量，在一些传统测试方法不再适用的场合，如长距离高压电缆，光纤测量局部放电超声具有良好的应用前景。研究按照三种不同的光纤传感理论展开，即多模光纤中光场散斑 (Speckle)干涉图谱的传感检测理论，基于Sagnac效应的单模光纤环路干涉传感原理，以及单模光纤中瑞利散射光干涉效应的相位增强型光时域反射技术(Φ-OTDR)用作超声传感，三者在传感理论上都有利用相位干涉的共通部分。通过研究光纤传感器在声场作用下的机械压力波-光波相位扰动计算模型对比分析了单模光纤和多模光纤在典型的局部放电超声波频段中的灵敏度频率响应特性，发现制作同一外形尺寸的光纤传感器，采用多模光纤的声光转换响应要低于采用单模光纤。通过构建光纤传感系统的超声校验平台以及利用典型的局部放电缺陷模型对Speckle多模光纤传感系统和Sagnac单模光纤环路传感系统的实验验证也证实了上述结论。作为实际应用，我们选择了Sagnac光纤干涉传感系统对变压器绕组油道内部缺陷引发的局部放电、采用内置于变压器绕组的光纤传感器来检测油中传播的超声波信号，对电缆接头中的应力锥错位缺陷和接地悬浮缺陷采用外置在接头屏蔽层的光纤传感器，进行固体绝缘中的局部放电超声检测的应用研究。另外，光纤传感的另一项突出优势在于分布式测量，Φ-OTDR分布式传感技术利用了光纤中瑞利散射光的本征干涉效应，对外界扰动的检测灵敏度很高，尤其适用于振动、超声波这类产生动态形变的状态检测。我们研究了光纤中瑞利散射光的概率统计模型以及验证了Φ-OTDR技术在实验室模拟超声源的长距离分布式定位检测能力，并对应变和温度变化做了实验标定。