CN113835002A - 一种电力电缆局部放电的分布式检测方法及其检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电力电缆局部放电的分布式检测方法及其检测系统，通过采用高相干度的连续激光检测传感光纤，使得检测后的背向瑞利散射光信号中包含故障的定位信息，并与连续激光进行相干耦合，抑制光路噪声，可以对电缆局部放电位置进行较高精度定位。所述系统包括：激光发射装置、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、声光调制装置、光波放大装置、光纤环形器、传感光纤、光电转换装置和电信号采集和数据处理装置；通过第一光纤耦合装置和第二光纤耦合装置对传感光纤的背向瑞利散射光与连续激光的本征参考光进行相干耦合，抑制光路噪声，减少检测的误差；背向瑞利散射光中包含故障的定位信息，实现了对电缆局部放电位置较高精度的定位。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种电力电缆局部放电的分布式检测方法及其检测系统。
背景技术
在电力系统中，各种高压电气设备的运行状态将直接决定整个系统的安全稳定性，而电力电缆局部放电是导致高压电气设备绝缘介质长期劣化，甚至发生击穿、火灾事故或导致设备永久损坏的主要原因。长期以来，电力电缆局部放电的检测对于高压设备的正常运行和故障预测具有十分重要的意义。
电力领域内对于局部放电检测已有长期大量的研究，但是近年来业内许多新技术的快速发展使得很多传统的局部放电检测技术变得不再适用。
现有技术中常用光纤传感技术进行电力电缆局部放电的检测，但现有技术中目前所见的光纤传感器大都采用连续光源发生干涉并解调超声扰动信息，其缺点是一台光纤传感系统中只能布置一个超声传感测点，因此很难从多点测量所得到的探测信号中辨识出每一个独立测点的干涉分量，而且探测信号中也不含有测点的位置信息，如何解决电力设备局部放电检测的远程多点分布式测量是一大技术难题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明实施例提供一种电力电缆局部放电的分布式检测方法及其检测系统，能够实现电力电缆局部放电的多点同时测量，实现电力电缆局部放电位置的高精度定位。
本发明一实施例提供一种电力电缆局部放电的分布式检测方法，采用一种电力电缆局部放电的分布式检测系统，所述系统包括：激光发射装置、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、声光调制装置、光波放大装置、光纤环形器、传感光纤、光电转换装置和电信号采集和数据处理装置；
所述传感光纤敷设于待检测的电力电缆上；
所述方法包括：
通过所述激光发射装置输出高相干度的连续激光；
通过所述第一光纤耦合器按照预设的分光比将所述连续激光分为第一路连续激光和第二路连续激光；
通过所述声光调制装置根据预先接入的脉冲信号源将所述第一路连续激光调制成脉冲激光；
通过所述光波放大装置将所述脉冲激光进行光放大；
通过所述光纤环形器将放大后的脉冲激光输出给所述传感光纤，并接收返回的背向瑞利散射光；
通过所述第二光纤耦合器对所述第二路连续激光和所述背向瑞利散射光进行干涉；
通过所述光电转换装置将干涉后光信号转化为电信号；
通过所述电信号采集和数据处理装置提取所述电信号的n组瑞利散射谱曲线，使用包络检测算法提取出n组瑞利散射谱曲线的包络线，对n组包络线做滑动平均处理，得到平滑后的波形曲线组，并对所述波形曲线组进行差分处理，得到峰值时间区间，计算得到所述电力电缆局部放电的定位区间。
优选地，所述通过所述电信号采集和数据处理装置提取所述电信号的n组瑞利散射谱曲线，使用包络检测算法提取出n组瑞利散射谱曲线的包络线，对n组包络线做滑动平均处理，得到平滑后的波形曲线组，并对所述波形曲线组进行差分处理，得到峰值时间区间，计算得到所述电力电缆局部放电的定位区间，具体包括，通过所述电信号采集和数据处理装置：
检测所述电信号中连续的n组瑞利散射谱曲线；
对n组瑞利散射谱曲线进行包络检测，提取出n组瑞利散射谱曲线的n组包络线，命名为曲线组ri；
对曲线组ri进行滑动平均处理，得到平滑后的波形曲线组Rj；
对所述波形曲线组Rj的第2组曲线至第
组曲线与第1组曲线做差分，得到新的差分曲线组ΔR；
通过分析所述差分曲线组ΔR的波峰，得到所述峰值时间区间，对所述峰值时间区间的区间值计算所述电力电缆局部放电的定位区间；
其中，ΔR＝Rk-R1，m为滑动平均处理的滑动平均步长，i＝1,2,…,n，
k＝2,…,n/m，n，m>0。
本发明实施例提供的一种电力电缆局部放电的分布式检测方法，采用高相干度的连续激光，使得探测后的背向瑞利散射光信号中含有散射光在不同散射中心之间的相位差信息，通过分路得到一部分连续光作为本征参考光，与背向瑞利散射光进行相干耦合，抑制光路噪声，提高检测弱信号的信噪比，可以发挥光纤传感光探测法高精度，抗干扰，高频响的特点，采用高相干度的激光源，使探测信号中包含故障的定位信息，可以对电缆局部放电位置进行较高精度定位。
本发明实施例还提供一种电力电缆局部放电的分布式检测系统，所述系统包括：激光发射装置、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、声光调制装置、光波放大装置、光纤环形器、传感光纤、光电转换装置和电信号采集和数据处理装置；
所述传感光纤敷设于待检测的电力电缆上；
所述传感光纤与所述光纤环形器的第二端口连接；
所述光纤环形器包括第一端口、第二端口和第三端口；
所述激光发射装置用于输出连续激光给所述第一光纤耦合器；
所述第一光纤耦合器用于将所述连续激光分为第一路连续激光和第二路连续激光，将所述第一路连续激光输出给所述声光调制装置，将第二路连续激光所述第二光纤耦合器；
所述声光调制装置用于将所述第一路连续激光调制成脉冲激光，并输出给所述光波放大装置；
所述光波放大装置用于将所述脉冲激光进行光放大，并输出给所述第一端口和所述光电转换装置；
所述光纤环形器用于将放大后的脉冲激光从所述第一端口传输到所述第二端口，并将与所述第二端口连接的所述传感光纤返回的背向瑞利散射光由所述第三端口传输给所述第二光纤耦合器；
所述传感光纤用于接收所述第二端口传输的脉冲激光，并根据所述电力电缆的局部放电产生背向瑞利散射光，并将所述背向瑞利散射光返回到所述第二端口；
所述第二光纤耦合器用于对接收的所述第二路连续激光和所述背向瑞利散射光进行干涉，并将干涉后的光波输出到所述光电转换装置；
所述光电转换装置用于将输入的光波转化为电信号，并将所述电信号输出给所述电信号采集及数据处理装置；
所述电信号采集和数据处理装置用于提取所述电信号的n组瑞利散射谱曲线，使用包络检测算法提取出n组瑞利散射谱曲线的包络线，对n组包络线做滑动平均处理，得到平滑后的波形曲线组，并对所述波形曲线组进行差分处理，得到峰值时间区间，计算得到所述电力电缆局部放电的定位区间。
作为一种优选实施方式，所述电信号采集和数据处理装置具体用于：
检测所述电信号中连续的n组瑞利散射谱曲线；
对n组瑞利散射谱曲线进行包络检测，提取出n组瑞利散射谱曲线的n组包络线，命名为曲线组ri；
对曲线组ri进行滑动平均处理，得到平滑后的波形曲线组Rj；
对所述波形曲线组Rj的第2组曲线至第
组曲线与第1组曲线做差分，得到新的差分曲线组ΔR；
通过分析所述差分曲线组ΔR的波峰，得到所述峰值时间区间，对所述峰值时间区间的区间值计算所述电力电缆局部放电的定位区间；
其中，ΔR＝Rk-R1，m为滑动平均处理的滑动平均步长，i＝1,2,…,n，
k＝2,…,n/m，n，m>0。
优选地，所述激光发射装置包括高相干度的窄带激光器或高相干度的单频激光器。
优选地，所述声光调制装置包括光纤耦合型声光调制器。
优选地，所述光波放大装置包括掺铒光纤放大器。
优选地，所述光电转换装置包括铟镓砷光电探测器和多档位可切换的内置电压放大器。
本发明提供的一种电力电缆局部放电的分布式检测方法及其检测系统，通过采用高相干度的连续激光检测传感光纤，使得检测后的背向瑞利散射光信号中包含故障的定位信息，并与连续激光进行相干耦合，抑制光路噪声，可以对电缆局部放电位置进行较高精度定位。所述系统包括：激光发射装置、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、声光调制装置、光波放大装置、光纤环形器、传感光纤、光电转换装置和电信号采集和数据处理装置；通过第一光纤耦合装置和第二光纤耦合装置对传感光纤的背向瑞利散射光与连续激光的本征参考光进行相干耦合，抑制光路噪声，减少检测的误差；背向瑞利散射光中包含故障的定位信息，实现了对电缆局部放电位置较高精度的定位。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种电力电缆局部放电的分布式检测系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种电力电缆局部放电的分布式检测方法的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的一种电力电缆局部放电的分布式检测方法的包络检测算法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种电力电缆局部放电的分布式检测系统，所述系统包括：激光发射装置、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、声光调制装置、光波放大装置、光纤环形器、传感光纤、光电转换装置和电信号采集和数据处理装置；
所述传感光纤敷设于待检测的电力电缆上；
所述传感光纤与所述光纤环形器的第二端口连接；
所述光纤环形器包括第一端口、第二端口和第三端口；
所述激光发射装置用于输出连续激光给所述第一光纤耦合器；
所述第一光纤耦合器用于将所述连续激光分为第一路连续激光和第二路连续激光，将所述第一路连续激光输出给所述声光调制装置，将第二路连续激光所述第二光纤耦合器；
所述声光调制装置用于将所述第一路连续激光调制成脉冲激光，并输出给所述光波放大装置；
所述光波放大装置用于将所述脉冲激光进行光放大，并输出给所述第一端口和所述光电转换装置；
所述光纤环形器用于将放大后的脉冲激光从所述第一端口传输到所述第二端口，并将与所述第二端口连接的所述传感光纤返回的背向瑞利散射光由所述第三端口传输给所述第二光纤耦合器；
所述传感光纤用于接收所述第二端口传输的脉冲激光，并根据所述电力电缆的局部放电产生背向瑞利散射光，并将所述背向瑞利散射光返回到所述第二端口；
所述第二光纤耦合器用于对接收的所述第二路连续激光和所述背向瑞利散射光进行干涉，并将干涉后的光波输出到所述光电转换装置；
所述光电转换装置用于将输入的光波转化为电信号，并将所述电信号输出给所述电信号采集及数据处理装置；
所述电信号采集和数据处理装置用于提取所述电信号的n组瑞利散射谱曲线，使用包络检测算法提取出n组瑞利散射谱曲线的包络线，对n组包络线做滑动平均处理，得到平滑后的波形曲线组，并对所述波形曲线组进行差分处理，得到峰值时间区间，计算得到所述电力电缆局部放电的定位区间。
在本实施例具体实施时，参见图1，是本发明实施例提供的一种电力电缆局部放电的分布式检测系统的结构示意图，所述系统包括：激光发射装置、光纤耦合器1、光纤耦合器1、声光调制装置、光波放大装置、光纤环形器、传感光纤、光电转换装置和电信号采集和数据处理装置；
所述传感光纤敷设于待检测的电力电缆上；
所述传感光纤与所述光纤环形器的第二端口连接；
所述光纤环形器包括端口1、端口2和端口3，光纤环形器的端口2与敷设于待检测的电力电缆上的传感光纤连接；
激光发射装置的输出端与光纤耦合器1的输入端连接；
光纤耦合器1的第一输出端与声光调制装置的输入端连接，光纤耦合器1的第二输出端与光纤耦合器2的第一输入端连接；
声光调制器的控制端接脉冲信号源，声光调制器的输出端与光波放大装置的输入端连接；
光波放大装置的输出端与光电转换装置的第一输入端和光纤环形器的端口1连接；
光纤环形器的端口2与待检测的电力电缆上敷设的传感光纤的输入端连接；光纤环形器的端口3与光纤耦合器2的第二输入端连接；
光纤耦合器2的输出端与光电转换装置的第二输入端连接；
光电转换装置的输出端与电信号采集和数据处理装置的输入端连接；
其中，激光发射装置用于输出连续激光给光纤耦合器1；
光纤耦合器1用于将连续激光分为第一路连续激光和第二路连续激光，将第一路连续激光输出给声光调制装置，将第二路连续激光光纤耦合器2；
声光调制装置用于将第一路连续激光调制成脉冲激光，并输出给光波放大装置；
光波放大装置用于将脉冲激光进行光放大，并输出给光纤环形器的端口1和光电转换装置；
光纤环形器用于将放大后的脉冲激光从端口1传输到端口2，并将与端口2连接的传感光纤返回的背向瑞利散射光由端口3传输给光纤耦合器2；
传感光纤用于接收端口2传输的脉冲激光，并根据电力电缆的局部放电产生背向瑞利散射光，并将背向瑞利散射光返回到端口2；
光纤耦合器2用于对接收的第二路连续激光和背向瑞利散射光进行干涉，并将干涉后的光波输出到光电转换装置；
光电转换装置用于将输入的光波转化为电信号，并将电信号输出给电信号采集及数据处理装置；
电信号采集和数据处理装置用于提取所述电信号的n组瑞利散射谱曲线，使用包络检测算法提取出n组瑞利散射谱曲线的包络线，对n组包络线做滑动平均处理，得到平滑后的波形曲线组，并对所述波形曲线组进行差分处理，得到峰值时间区间，计算得到所述电力电缆局部放电的定位区间。
通过第一光纤耦合装置和第二光纤耦合装置对传感光纤的背向瑞利散射光与连续激光的本征参考光进行相干耦合，抑制光路噪声，提高检测的弱信号的信噪比，减少检测的误差；通过激光发射装置发出高相干度的激光进行检测，使背向瑞利散射光中包含故障的定位信息，实现了对电缆局部放电位置较高精度的定位。
本发明提供的又一实施例中，所述电信号采集和数据处理装置具体用于：
检测所述电信号中连续的n组瑞利散射谱曲线；
对n组瑞利散射谱曲线进行包络检测，提取出n组瑞利散射谱曲线的n组包络线，命名为曲线组ri；
对曲线组ri进行滑动平均处理，得到平滑后的波形曲线组Rj；
对所述波形曲线组Rj的第2组曲线至第
组曲线与第1组曲线做差分，得到新的差分曲线组ΔR；
通过分析所述差分曲线组ΔR的波峰，得到所述峰值时间区间，对所述峰值时间区间的区间值计算所述电力电缆局部放电的定位区间；
其中，ΔR＝Rk-R1，m为滑动平均处理的滑动平均步长，i＝1,2,…,n，
k＝2,…,n/m，n，m>0。
在本实施例具体实施时，所述电信号采集和数据处理装置的具体工作过程为：
使用相干耦合连续测量所述电信号中的n组瑞利散射谱曲线，瑞利散射谱线波形的主要特征是动态载波频率的存在；
然后使用包络检测算法去除载波，并提取出n组瑞利散射谱曲线的n组包络线，命名为曲线组ri；所述包络检测算法具体为：对输入信号S(t)进行希尔伯特变换，乘以虚数单位j后与原输入信号求和，得到时域解析信号Z(t)；对时域解析信号Z(t)进行取模运算，乘以2得到包络解析信号Ap(t)，即对应解析信号的振幅。
然后对曲线组ri中的序列作滑动平均处理，用以消除测量白噪声。滑动平均步长取为m，得波形曲线组Rj，得到平滑处理后的
组波形曲线，
为n/m向下取整数。
对平滑曲线组Rj作差分处理，将第2至第
组曲线与第1组曲线做差分，得到新的差分曲线组ΔR＝Rk-R1，显示出背向瑞利散射曲线的相对变化；
其中，i＝1,2,…,n，
n，m>0。
差分曲线组会在峰值时间区间(t1，t2)内有一个显见的峰，这是由局部放电产生的声发射弹性波所致，用此时间区间值减去实际的触发时间t0，再乘以光速c并除以2，可得实际故障定位区间(d1，d2)，出发时间由具体的系统参数决定。
需要说明的是，本发明采用一个波峰对应的峰值时间区间(t1，t2)为例说明，故障定位区间的具体计算方法，当存在多个故障峰时，每一故障定位区间的计算方法相同，在此不做赘述。
在本发明提供的又一实施例中，所述激光发射装置包括高相干度的窄带激光器或高相干度的单频激光器。
所述声光调制装置包括光纤耦合型声光调制器。
所述光波放大装置包括掺铒光纤放大器。
所述光电转换装置包括铟镓砷光电探测器和多档位可切换的内置电压放大器。
所述电信号采集和数据处理装置采用多通道示波器或数据采集卡进行数字采样并进行信号处理。
本发明实施例提供的一种电力电缆局部放电的分布式检测系统，包括：激光发射装置、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、声光调制装置、光波放大装置、光纤环形器、传感光纤、光电转换装置和电信号采集和数据处理装置；通过第一光纤耦合装置和第二光纤耦合装置对传感光纤的背向瑞利散射光与连续激光的本征参考光进行相干耦合，抑制光路噪声，提高检测的弱信号的信噪比，减少检测的误差；通过激光发射装置发出高相干度的激光进行检测，使背向瑞利散射光中包含故障的定位信息，实现了对电缆局部放电位置较高精度的定位。
本发明实施例还提供一种电力电缆局部放电的分布式检测方法，采用一种电力电缆局部放电的分布式检测系统，所述系统包括：激光发射装置、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、声光调制装置、光波放大装置、光纤环形器、传感光纤、光电转换装置和电信号采集和数据处理装置；
所述传感光纤敷设于待检测的电力电缆上；
参见图2，是本发明实施例提供的一种电力电缆局部放电的分布式检测方法的流程示意图，所述方法包括步骤S1～S8：
S1，通过所述激光发射装置输出高相干度的连续激光；
S2，通过所述第一光纤耦合器按照预设的分光比将所述连续激光分为第一路连续激光和第二路连续激光；
S3，通过所述声光调制装置根据预先接入的脉冲信号源将所述第一路连续激光调制成脉冲激光；
S4，通过所述光波放大装置将所述脉冲激光进行光放大；
S5，通过所述光纤环形器将放大后的脉冲激光输出给所述传感光纤，并接收返回的背向瑞利散射光；
S6，通过所述第二光纤耦合器对所述第二路连续激光和所述背向瑞利散射光进行干涉；
S7，通过所述光电转换装置将干涉后光信号转化为电信号；
S8，通过所述电信号采集和数据处理装置提取所述电信号的n组瑞利散射谱曲线，使用包络检测算法提取出n组瑞利散射谱曲线的包络线，对n组包络线做滑动平均处理，得到平滑后的波形曲线组，并对所述波形曲线组进行差分处理，得到峰值时间区间，计算得到所述电力电缆局部放电的定位区间。
在本实施例具体实施时，激光发射装置输出高相干度的连续激光给所述光纤耦合器1；
光纤耦合器1按照预设的风光比，在本实施例中可为99:1，将连续激光分成两路：第一路连续激光和第二路连续激光，将第一路连续激光输入到声光调制装置，将第二路连续激光输入到光纤耦合器2；
声光调制装置根据预先接入的脉冲信号源生成脉冲电压驱动信号，将第一路连续激光调制成脉冲激光，并输出给所述光波放大装置；
光波放大装置将脉冲激光进行光放大，并输出给光纤环形器的端口1和光电转换装置；
光纤环形器将放大后的脉冲激光从端口1传输到端口2，并将与端口2连接的所述传感光纤返回的背向瑞利散射光由端口3传输给光纤耦合器2；
传感光纤用于接收光纤环形器的端口2传输的脉冲激光，并根据电力电缆的局部放电产生背向瑞利散射光，并将背向瑞利散射光返回到光纤环形器的端口2；
光纤耦合器2用于对接收的所述第二路连续激光和所述背向瑞利散射光进行干涉，并将干涉后的光波输出到所述光电转换装置；
光电转换装置用于将输入的光波转化为电信号，并将所述电信号输出给所述电信号采集及数据处理装置；
电信号采集和数据处理装置用于提取所述电信号的n组瑞利散射谱曲线，使用包络检测算法提取出n组瑞利散射谱曲线的包络线，对n组包络线做滑动平均处理，得到平滑后的波形曲线组，并对所述波形曲线组进行差分处理，得到峰值时间区间，计算得到所述电力电缆局部放电的定位区间。
在本发明提供的另一实施例中，所述步骤S8具体包括：
检测所述电信号中连续的n组瑞利散射谱曲线；
对n组瑞利散射谱曲线进行包络检测，提取出n组瑞利散射谱曲线的n组包络线，命名为曲线组ri；
对曲线组ri进行滑动平均处理，得到平滑后的波形曲线组Ri；
对所述波形曲线组Ri的第2组曲线至第
组曲线与第1组曲线做差分，得到新的差分曲线组ΔR；
通过分析所述差分曲线组ΔR的波峰，得到所述峰值时间区间，对所述峰值时间区间的区间值计算所述电力电缆局部放电的定位区间；
其中，ΔR＝Rk-R1，m为滑动平均处理的滑动平均步长，i＝1,2,…,n，
k＝2,…,n/m，n，m>0。
在本实施例具体实施时，使用相干耦合连续测量所述电信号中的n组瑞利散射谱曲线，瑞利散射谱线波形的主要特征是动态载波频率的存在；
然后使用包络检测算法去除载波，并提取出n组瑞利散射谱曲线的n组包络线，命名为曲线组ri；参见图3，是本发明实施例提供的一种电力电缆局部放电的分布式检测方法的包络检测算法流程示意图，所述包络检测算法具体为：
对输入信号S(t)进行希尔伯特变换(·)，乘以虚数单位j后与原输入信号求和，得到时域解析信号Z(t)；对时域解析信号Z(t)进行取模|·)|运算，乘以2得到包络解析信号Ap(t)，即对应解析信号的振幅。
然后对曲线组ri中的序列作滑动平均处理，用以消除测量白噪声。滑动平均步长取为m，得波形曲线组Rj，得到平滑处理后的
组波形曲线，
为n/m向下取整数。
对平滑曲线组Rj作差分处理，将第2至第
组曲线与第1组曲线做差分，得到新的差分曲线组ΔR＝Rk-R1，显示出背向瑞利散射曲线的相对变化；
其中，i＝1,2,…,n，
n，m>0。
差分曲线组会在峰值时间区间(t1，t2)内有一个显见的峰，这是由局部放电产生的声发射弹性波所致，用此时间区间值减去实际的触发时间t0，再乘以光速c并除以2，可得实际故障定位区间(d1，d2)，出发时间由具体的系统参数决定。
需要说明的是，本发明采用一个波峰对应的峰值时间区间(t1，t2)为例说明，故障定位区间的具体计算方法，当存在多个故障峰时，每一故障定位区间的计算方法相同，在此不做赘述。
本发明实施例提供的一种电力电缆局部放电的分布式检测方法，采用高相干度的连续激光，使得探测后的背向瑞利散射光信号中含有散射光在不同散射中心之间的相位差信息，通过分路得到一部分连续光作为本征参考光，与背向瑞利散射光进行相干耦合，抑制光路噪声，提高检测弱信号的信噪比，可以发挥光纤传感光探测法高精度，抗干扰，高频响的特点，采用高相干度的激光源，使探测信号中包含故障的定位信息，可以对电缆局部放电位置进行较高精度定位。
在本发明具体实施时，激光发射装置选用Thorlabs的型号为SFL1550S的外腔式单频激光器，工作波长是1550nm，窄带线宽典型值是50kHz，输出连续光功率为40mW，相干长度为4km。在本实施例的传输距离内应考虑干涉效应。
声光调制装置选用Gooch&HouseGo的型号为T-M200-0.1C2J-3-F2S的光纤耦合型声光调制器，工作波长为1550nm，由任意波形发生器作为脉冲信号源生成脉冲电压驱动信号，其脉冲宽度200ns，脉冲重复率50kHz，通过声光调制器可将激光器输出的连续激光调制成脉冲光波，脉冲上升沿10ns，插损大于5dB，并且脉冲光波会增加200MHz的上频移。
光波放大装置选用Thorlabs生产的型号为EDFA100S的掺铒光纤放大器台式设备，其工作波长为1530nm–1565nm，小信号增益可以达到30dB，即放大1000倍，饱和输出光功率为20dBm。
光电转换装置选用Thorlabs的型号为PDB435C-AC平衡光纤探测器，其工作波长为800nm-1700nm，光电转换系数为1.0A/W，其频响带宽达到了DC-350MHz，电压放大器的增益系数是104V/A。实验参数方面，脉冲调制信号的脉宽调整为100ns，脉冲重复周期选为20μs。
此实施例所用的传感光纤总长度为991米，其中在846米处安放一个光纤环(fibercoil)，并采用熔接手段接入传感光纤以降低接头插损。光纤环采用弯曲不敏感单模光纤绕制成松的圆环状，直径约6.4cm，圈数为25，则光纤环段的长度约为5米。振动源的选择是PZT压电致动器，选型为NEC公司的型号产品AE0505D08F，短时的最大驱动电压为150V，可以产生9.1±1.5μm的位移量。PZT压电致动器作为振动源紧固在振动台支架上，光纤环与振动源的压电陶瓷晶面接触胶粘，晶面尺寸是6.5mm×6.5mm。这样振动源引起的动态位移就能反映在光相位增量上。
在本发明提供的电力电缆局部放电的分布式检测系统具体使用时，首先按照图1所示连接各装置。
设置PZT致动器的驱动电压为峰峰值电压100Vpp，偏置电压50VDC的正弦波形，振动频率为1kHz。
使用相干检测法连续测量1000组瑞利散射谱曲线，其主要特征是动态载波200MHz频率的存在，利用包络检测算法去载波，提取出信号的包络线，得到含有瑞利背向散射光的强度信息。
对所有1000组测量谱线做包络检测。将得到的新曲线组命名为ri，然后对曲线组中的r1～r1000序列作滑动平均处理，用以消除测量白噪声，滑动平均步长取为10，将得到的新曲线组命名为Rj，得到平滑处理后的100组波形曲线。
对平滑曲线组Rj作差分处理。将第2至第100组曲线与第1组曲线做差分，得到新的差分曲线组ΔR＝Rk-R1，k＝2,…,100；显示出背向瑞利散射曲线的相对变化。
时间区间(10μs,11μs)内显见有一个峰，这表示的是光纤瑞利散射光受到外部振动信号调制后形成的动态波动，因为不同时刻的振动幅度不同，引起散射光的调制强度亦不相同，在依次作差分处理后，这种调制过程就被展现出来。
此波动区间应减去实际的触发时间在2.000μs，再乘以光纤中的光速并除以2，可得实际的定位区间落在[834m,842m]。另外，光纤环段的长度约为5米，被熔接在被测光纤(总长度为991米)的第846米至第851米位置区间上，所以光纤环段的定位误差为12米(起始位置)和9米(结束位置)。实验光路所用探测光脉冲的脉宽是100ns，对应10米光纤长度的空间分辨率，即背向瑞利散射谱线上的一点就表示的是光纤中的一段长度为10米的光纤空间分辨单元(fiber resolution cell)上产生的瑞利散射光的总和，因此，如果降低探测脉冲光的脉宽，一定可以有效的降低光纤环受扰动位置的定位误差。
本发明提供一种电力电缆局部放电的分布式检测方法及其检测系统，采用高相干度的连续激光，使得探测后的背向瑞利散射光信号中含有散射光在不同散射中心之间的相位差信息，通过分路得到一部分连续光作为本征参考光，与背向瑞利散射光进行相干耦合，抑制光路噪声，提高检测弱信号的信噪比，可以发挥光纤传感光探测法高精度，抗干扰，高频响的特点，采用高相干度的激光源，使探测信号中包含故障的定位信息，可以对电缆局部放电位置进行较高精度定位。所述系统包括：激光发射装置、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、声光调制装置、光波放大装置、光纤环形器、传感光纤、光电转换装置和电信号采集和数据处理装置；通过第一光纤耦合装置和第二光纤耦合装置对传感光纤的背向瑞利散射光与连续激光的本征参考光进行相干耦合，抑制光路噪声，提高检测的弱信号的信噪比，减少检测的误差；通过激光发射装置发出高相干度的激光进行检测，使背向瑞利散射光中包含故障的定位信息，实现了对电缆局部放电位置较高精度的定位。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种电力电缆局部放电的分布式检测方法，其特征在于，采用一种电力电缆局部放电的分布式检测系统，所述系统包括：激光发射装置、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、声光调制装置、光波放大装置、光纤环形器、传感光纤、光电转换装置和电信号采集和数据处理装置；
所述传感光纤敷设于待检测的电力电缆上；
所述方法包括：
通过所述激光发射装置输出高相干度的连续激光；
通过所述第一光纤耦合器按照预设的分光比将所述连续激光分为第一路连续激光和第二路连续激光；
通过所述声光调制装置根据预先接入的脉冲信号源将所述第一路连续激光调制成脉冲激光；
通过所述光波放大装置将所述脉冲激光进行光放大；
通过所述光纤环形器将放大后的脉冲激光输出给所述传感光纤，并接收返回的背向瑞利散射光；
通过所述第二光纤耦合器对所述第二路连续激光和所述背向瑞利散射光进行干涉；
通过所述光电转换装置将干涉后光信号转化为电信号；
通过所述电信号采集和数据处理装置提取所述电信号的n组瑞利散射谱曲线，使用包络检测算法提取出n组瑞利散射谱曲线的包络线，对n组包络线做滑动平均处理，得到平滑后的波形曲线组，并对所述波形曲线组进行差分处理，得到峰值时间区间，计算得到所述电力电缆局部放电的定位区间。
2.如权利要求1所述一种电力电缆局部放电的分布式检测方法，其特征在于，所述通过所述电信号采集和数据处理装置提取所述电信号的n组瑞利散射谱曲线，使用包络检测算法提取出n组瑞利散射谱曲线的包络线，对n组包络线做滑动平均处理，得到平滑后的波形曲线组，并对所述波形曲线组进行差分处理，得到峰值时间区间，计算得到所述电力电缆局部放电的定位区间，具体包括，通过所述电信号采集和数据处理装置：
检测所述电信号中连续的n组瑞利散射谱曲线；
对n组瑞利散射谱曲线进行包络检测，提取出n组瑞利散射谱曲线的n组包络线，命名为曲线组ri；
对曲线组ri进行滑动平均处理，得到平滑后的波形曲线组Rj；
对所述波形曲线组Rj的第2组曲线至第
组曲线与第1组曲线做差分，得到新的差分曲线组ΔR；
通过分析所述差分曲线组ΔR的波峰，得到所述峰值时间区间，对所述峰值时间区间的区间值计算所述电力电缆局部放电的定位区间；
其中，ΔR＝Rk-R1，m为滑动平均处理的滑动平均步长，i＝1,2,…,n，
k＝2,…,n/m，n，m>0。
3.一种电力电缆局部放电的分布式检测系统，其特征在于，所述系统包括：激光发射装置、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、声光调制装置、光波放大装置、光纤环形器、传感光纤、光电转换装置和电信号采集和数据处理装置；
所述传感光纤敷设于待检测的电力电缆上；
所述传感光纤与所述光纤环形器的第二端口连接；
所述光纤环形器包括第一端口、第二端口和第三端口；
所述激光发射装置用于输出连续激光给所述第一光纤耦合器；
所述第一光纤耦合器用于将所述连续激光分为第一路连续激光和第二路连续激光，将所述第一路连续激光输出给所述声光调制装置，将第二路连续激光所述第二光纤耦合器；
所述声光调制装置用于将所述第一路连续激光调制成脉冲激光，并输出给所述光波放大装置；
所述光波放大装置用于将所述脉冲激光进行光放大，并输出给所述第一端口和所述光电转换装置；
所述光纤环形器用于将放大后的脉冲激光从所述第一端口传输到所述第二端口，并将与所述第二端口连接的所述传感光纤返回的背向瑞利散射光由所述第三端口传输给所述第二光纤耦合器；
所述传感光纤用于接收所述第二端口传输的脉冲激光，并根据所述电力电缆的局部放电产生背向瑞利散射光，并将所述背向瑞利散射光返回到所述第二端口；
所述第二光纤耦合器用于对接收的所述第二路连续激光和所述背向瑞利散射光进行干涉，并将干涉后的光波输出到所述光电转换装置；
所述光电转换装置用于将输入的光波转化为电信号，并将所述电信号输出给所述电信号采集及数据处理装置；
所述电信号采集和数据处理装置用于提取所述电信号的n组瑞利散射谱曲线，使用包络检测算法提取出n组瑞利散射谱曲线的包络线，对n组包络线做滑动平均处理，得到平滑后的波形曲线组，并对所述波形曲线组进行差分处理，得到峰值时间区间，计算得到所述电力电缆局部放电的定位区间。
4.如权利要求3所述的电力电缆局部放电的分布式检测系统，其特征在于，所述电信号采集和数据处理装置具体用于：
检测所述电信号中连续的n组瑞利散射谱曲线；
对n组瑞利散射谱曲线进行包络检测，提取出n组瑞利散射谱曲线的n组包络线，命名为曲线组ri；
对曲线组ri进行滑动平均处理，得到平滑后的波形曲线组Rj；
对所述波形曲线组Rj的第2组曲线至第
组曲线与第1组曲线做差分，得到新的差分曲线组ΔR；
通过分析所述差分曲线组ΔR的波峰，得到所述峰值时间区间，对所述峰值时间区间的区间值计算所述电力电缆局部放电的定位区间；
其中，ΔR＝Rk-R1，m为滑动平均处理的滑动平均步长，i＝1,2,…,n，
k＝2,…,n/m，n，m>0。
5.如权利要求3所述的电力电缆局部放电的分布式检测系统，其特征在于，所述激光发射装置包括高相干度的窄带激光器或高相干度的单频激光器。
6.如权利要求3所述的电力电缆局部放电的分布式检测系统，其特征在于，所述声光调制装置包括光纤耦合型声光调制器。
7.如权利要求3所述的电力电缆局部放电的分布式检测系统，其特征在于，所述光波放大装置包括掺铒光纤放大器。
8.如权利要求3所述的电力电缆局部放电的分布式检测系统，其特征在于，所述光电转换装置包括铟镓砷光电探测器和多档位可切换的内置电压放大器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211224 |
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