CN114325277B - 一种海底电缆局部放电光传感单元及分布式传感系统 - Google Patents
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Abstract
一种海底电缆局部放电光传感单元及分布式传感系统。其中，该光传感单元为纤芯含等间隔弱反射点的单模光纤，用于传输传感光信号并感知电缆局放，弱反射点用于产生菲涅尔反射或布喇格反射，增加传感信号强度；该传感系统包括：光传感单元、可调谐激光器、声光调制器、信号发生器、掺铒光纤放大器、光纤耦合器、延迟光纤、光纤环形器、窄线宽激光器、光电探测器、数据采集卡和数据处理模块。本发明解决现有技术无法实现长距离海底电缆局放超声信号分布式传感的问题，通过采用具有弱反射点的光传感单元提高信噪比；通过多频时序脉冲调制提高系统长度带宽积；通过双脉冲延迟干涉和反正切算法检测信号相位变化，实现局放声信号分布式传感和还原。
Description
技术领域
本发明涉及光学传感系统领域，具体而言，涉及一种海底电缆局部放电光传感单元及分布式传感系统。
背景技术
海底电缆是海上电能输送的重要电力设备，承担着海上风电场电能外送、钻井平台供电、海岛供电能等重要任务。同时，海底电缆是制造最困难、综合电气和力学性能要求最高的电缆，一旦出现故障重复投资巨大。由于海底电缆的运行环境恶劣，长期使用后绝缘出现缺陷在所难免。局部放电检测是发现电缆早期绝缘缺陷的重要手段，能够指导海底电缆的运维与更换，对于保证其可靠运行、缩减投资具有重要意义。由于海底电缆敷设于海底，长度可达数十公里，因此目前用于陆上电缆局放检测的电磁学方法均无法使用。分布式光纤传感技术具有传感距离长、测点数量多、可以沿被测对象分布式敷设等优点，适用于海底电缆局部放电检测。
目前，已有基于海底电缆中集成的单模光纤单元进行分布式传感的研究。一方面，由于受到分布式光纤传感原理长度带宽积的限制只能够实现温度、锚害、渔网拖拽等产生的低频物理量检测。以60km长的海底电缆为例，采用传统的光纤分布式振动传感方法，检测频率上限仅为约800Hz，无法实现对局部放电所产生的高频声信号的传感。另一方面，目前海底电缆光纤传感是借助光单元内集成的用于通信的普通单模光纤实现的，传感信号来自光纤中的强度很低的后向瑞利散射或布里渊散射，其对于微弱声信号的灵敏度和信噪比无法满足长距离海底电缆局放传感的需求。
目前所见的局部放电声信号光纤传感方法一类为采用连续光源的光纤干涉仪，另一类是采用脉冲光的相位敏感光时域反射计（φ-OTDR）技术。前者虽然检测频带较高，不受长度带宽积的限制，但是无法实现分布式检测，不适用于海底电缆的需求。后者虽然能够实现对声音或振动信号的分布式传感，但是如前文所述，受限于长度带宽积，其检测频带无法满足长距离海底电缆局放声信号传感需求，目前只见于短距离陆地电缆的应用。
针对上述的长距离海底电缆局放声信号宽频带、高灵敏度传感问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明提供了一种海底电缆局部放电光传感单元及分布式传感系统，以解决现有技术无法实现对长距离海底电缆的局放超声信号进行分布式传感和定位的问题。
根据本发明的实施例的一个方面，提供了一种集成局部放电光传感单元的海底电缆，包括：光传感单元，采用纤芯中具有连续等间隔弱反射点的单模光纤，用于传输探测光脉冲、感知电缆局部放电并返回传感光信号；导体，用于承载电流；半导电屏蔽层，用于均匀导体与主绝缘、主绝缘与铅套之间的电场场强；交联聚乙烯绝缘，为高压导体与铅套之间的主绝缘，用于隔离导体的高电位与铅套的地电位；填充层，用于保持三芯电缆的空间位置关系，同时能够承载光传感单元；铅套，用于阻挡水分入侵，保护内部结构，增加电缆稳定性；绕包层，起到阻水膨胀作用；聚丙烯内衬层，用于防止电缆擦伤；钢铠，用于保证电缆的机械强度。
所述的光传感单元，采用纤芯中具有连续等间隔弱反射点的单模光纤，采用纤芯中具有连续等间隔弱反射点的单模光纤，用于传输探测光脉冲、感知电缆局部放电并返回传感光信号。弱反射点用于产生菲涅尔反射或者布喇格反射，增加传感信号强度。
所述的光传感单元，每个弱反射点的反射率为r，反射点间隔为
，纤芯直径为9
μm，包层直径为125μm，涂覆层直径250μm，涂覆层采用聚酰亚胺材质，用于增加光纤机械强
度。
可选地，所述的光传感单元中，纤芯弱反射点可以是采用飞秒激光连续刻写入单模光纤纤芯中的单一缺陷点，也可以是采用飞秒激光或相位掩模法连续刻写的弱反射光栅。
可选地，上述光传感单元采用聚乙烯护套，护套内填充纤膏，用于阻水和润滑。
可选地，上述导体根据海底电缆敷设需要，可以为单芯或三芯结构。
可选地，上述光传感单元至少布置在以下位置之一：对于三芯结构，布置于三相电缆中间的填充层中或任意两相电缆之间的外侧填充层中；对于单芯结构，布置于交联聚乙烯绝缘的边缘或聚丙烯内衬层中。
优选地，当上述光传感单元布置于上述聚丙烯内衬层中时，将内衬层其中一根或多根聚丙烯棒替换为光传感单元，且光传感单元直径略小于聚丙烯棒的直径，从而使光传感单元不直接受到外力挤压，保护内部的传感光纤。
根据本发明的实施例的另一方面，提供了一种海底电缆局部放电分布式传感系统，包括：上述光传感单元；可调谐激光器，用于产生可频移的窄线宽连续光；声光调制器，用于将连续光调制为脉冲光，同时对脉冲光引入频移；信号发生器，用于驱动声光调制器，控制脉冲光的宽度，触发可调谐激光器移频，触发数据采集卡采集信号；掺铒光纤放大器，用于对脉冲光功率进行放大；三个1×2光纤耦合器，用于光路分束与合并；延迟光纤，用于对脉冲光产生时延；光纤环形器，探测光从其去端口输入，从其2端口输出进入光传感单元，返回的光信号由其2端口输入，从其3端口输出；窄线宽激光器，用于产生窄线宽连续光；光电探测器，用于将光信号转化为电信号，输出至数据采集卡；数据采集卡，用于记录传感数据；数据处理模块，用于解调传感数据中的声信号相位信息，提取局放超声信号。
可选地，上述光传感单元长度根据海底电缆长度变化。
优选地，上述可调谐激光器，工作波长在1550nm附近，线宽不大于100kHz。每当触发端接收到脉冲信号，便以500kHz为步长对输出光进行移频，以100次为周期，每频移100次，重复上一周期的频移过程。
优选地，上述声光调制器的频移量为40MHz，上升时间和下降时间小于20ns，消光比大于40dB。
优选地，上述信号发生器发出的点脉冲信号宽度为100ns，分为三路，分别输出至可调谐激光器的触发端、声光调制器以及数据采集卡，电脉冲输出的时间间隔为6μs。
所述的掺铒光纤放大器，工作波段为1550nm波段，增益倍数根据光传感单元长度进行调节。
所述的1×2光纤耦合器，工作波段为1550nm，分光比为50:50。
所述的延迟光纤，采用1550nm的单模光纤，长度为100m。
所述的窄线宽激光器，输出波长为1550nm，线宽不大于3kHz。
优选地，上述光电探测器，工作频段为1550nm，带宽为150MHz。
优选地，上述数据采集卡，带宽为200MHz，采样率为1.25GHz。
所述的数据处理模块，采用快速傅里叶变换分离每个探测光脉冲产生的传感信号，采用希尔伯特变换和反正切算法解调相位，将每个脉冲借条得到的相位信号在时域上进行排列，用于分析海底电缆各个位置声信号随时间的变化情况。
与现有技术相比，本发明提供的一种海底电缆局部放电光传感单元采用纤芯中具
有连续等间隔弱反射点的单模光纤，能够显著提高长距离海底电缆局部放电分布式光纤传
感的信噪比；本发明提供的一种海底电缆局部放电分布式传感系统采用多频时序脉冲调制
方法，将传统分布式光纤传感的单一探测脉冲增加为每个周期N个脉冲，且脉冲光频不同，
能够将系统对声信号的检测频带提高至现有技术的N倍，达到数十公里长度海底电缆局部
放电超声信号的传感需求；本发明提供的一种海底电缆局部放电分布式传感系统采用双脉
冲延迟干涉方法，将注入光传感单元的脉冲光分为两个时间间隔
的脉冲，使两个脉冲的
空间间隔恰好为光传感单元中弱反射点间隔的2倍，两个脉冲产生在相邻两个弱反射点处
产生的反射信号恰好能够发生干涉，从而反映两个弱反射点之间局放声信号产生的传感光
相位信息，实现对长距离海底电缆局放声信号的分布式传感和还原，及时发现海底电缆中
潜在的绝缘缺陷。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中。
图1是根据本发明实施例的两种可选的局部放电光纤分布式传感的海底电缆的截面结构示意图。
图2是海底电缆局部放电分布式光纤传感系统示意图。
图3是探测光脉冲序列与弱反射点空间关系示意图。
图4是多频探测光脉冲序列示意图。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：本发明实施例提供了一种局部放电光纤分布式传感的海底电缆，其结构如图1所示：1为光传感单元，用于传输探测光脉冲并返回传感光信号；2为导体，用于承载电流；3为半导电屏蔽层，用于均匀导体与主绝缘、主绝缘与铅套之间的电场场强；4为交联聚乙烯绝缘，为高压导体与铅套之间的主绝缘，用于隔离导体的高电位与铅套的地电位；5为填充层，用于保持三芯电缆的空间位置关系，同时能够承载光传感单元；6为铅套，用于阻挡水分入侵，保护内部结构，增加电缆稳定性；7为绕包层，起到阻水膨胀作用；8为聚丙烯内衬层，用于防止电缆擦伤；9为钢铠，用于保证电缆的机械强度。
作为本发明技术方案所能够实现的技术效果之一，通过本发明实施例提供的海底电缆设计，能够在保证其电能输送能力和机械强度性能的同时，实现利用光传感单元1对局部放电信号产生的声信号进行分布式传感和还原。
光传感单元1中，采用纤芯具有连续等间隔弱反射点的单模光纤，用于传输探测光
脉冲并返回传感光信号。弱反射点用于产生菲涅尔反射，增加传感信号强度。每个弱反射点
的反射率为r，反射点间隔为
，反射点采用飞秒激光连续刻写入单模光纤的纤芯中；纤
芯直径为9μm，纤芯折射率n 0为1.5，包层直径为125μm，涂覆层直径250μm，涂覆层采用聚酰
亚胺材质，用于增加光纤机械强度。光传感单元的传感光纤布置在直径为2mm的聚乙烯护套
中，护套内填充纤膏，用于阻水和润滑。
可选地，所述的光传感单元1中，纤芯弱反射点可以是采用飞秒激光连续刻写入单模光纤纤芯中的单一缺陷点，也可以是采用飞秒激光或相位掩模法连续刻写的弱反射光栅。
光传感单元1可以布置在填充层5中，也可以替换聚丙烯内衬层8中的一根或多根聚丙烯棒。当采用第二种布置方式时，聚丙烯棒的直径应大于聚乙烯护套的直径，即大于2mm，具体直径根据海底电缆施工要求决定。
值得注意的是，本发明实施例中除光传感单元1外的其他结构，可根据海底电缆制造工艺和施工要求调整尺寸和所用材料，不作为本发明所保护的范围。
实施例2：本发明实施例提供了一种海底电缆局部放电分布式传感系统，其组成与连接关系如图2所示：可调谐激光器10用于产生可频移的窄线宽连续光，其光输出端口与声光调制器11的输入端相连，声光调制器11用于将连续光调制为矩形脉冲光，同时对脉冲光引入频移，其输出端口与掺铒光纤放大器13的输入端相连，掺铒光纤放大器13用于对脉冲光功率进行放大，其输出端与第一1×2耦合器14相连，光脉冲由其掺铒光纤放大器13放大输出后进入第一1×2耦合器14的两臂中，其中第一臂与第二1×2耦合器15的第一臂直接相连，第二臂经过延迟光纤16后与第二1×2耦合器15的第二臂相连；第二1×2耦合器15的输出与光纤环形器17的1端口相连，探测光脉冲由1端口输入，由2端口输出后进入光传感单元1的传感光纤中，传感光纤中反射回的传感光信号由2端口进入光纤环形器17后从3端口输出，窄线宽激光器19输出的连续光与光纤环形器173端口输出的传感光信号在第三1×2耦合器18处发生混频，混频光由光电探测器20探测并转化为电信号；光电探测器20输出的电信号由数据采集卡21采集，最后由数据处理模块22解调数据中的局放声信号相位信息，给出局放定位；信号发生器12用于输出矩形电脉冲，其输出端与可调谐激光器10的触发端、声光调制器11的驱动器输入端及数据采集卡21的触发端相连，用于触发可调谐激光器10的频移，驱动声光调制器11的调制以及触发数据采集卡21的采集。
具体地，上述海底电缆局部放电分布式光纤传感系统的工作方式如下。
信号发生器12向可调谐激光器10、声光调制器11及数据采集卡21输出宽度为
的矩形电脉冲，脉冲之间的时间间隔为
；可调谐激光器10以步进模式工作，输出的起始
波长为1550nm，每当接收到一个电脉冲，所输出的光频率步进地增加
，每N个脉冲为一
个重复周期T，
；每个重复周期内N个脉冲的总频移量为
，
；声光调制器11在信号发生器12的驱动下，将可调谐激光器10发出的连续光调制成脉宽为
的矩形脉冲光，并引入频移
；掺铒光纤放大器13将脉冲光功率进行放大，具体增益
根据光传感单元1的长度确定。
光脉冲经过第一1×2耦合器被分为两个脉冲，其中一个脉冲经过长度为
的延
迟光纤16，与另一个脉冲之间产生时延
，两个脉冲经过第二1×2耦合器15后先后进入
光传感单元1中；由于每个脉冲重复周期T内声光调制器输出N个不同频率的光脉冲，因此一
个周期T内光传感单元中有两个数量为N的脉冲序列，每个序列有N个频率以
递进的光
脉冲，相同频率脉冲之间的时间间隔均为
，空间间隔均为
。
根据分布式光纤传感原理，当两个脉冲空间间隔为
时，前序脉冲在传感光纤
处的反射光与后序脉冲在L处的反射光发生干涉，能够反映间隔
距离内传感光
纤受到的扰动引起的相位变化。任意两个同频率的光脉冲反射光的干涉信号经环形器17的
3端口输出后与窄线宽激光器19输出的1550nm波长激光在第三1×2耦合器18处发生混频，
产生拍频信号，其中每个脉冲重复周期内，第n对（1≤n≤N）同频率光脉冲与窄线宽激光器
19输出的1550nm波长激光混频后产生的拍频频率为
。
光电探测器20的带宽为
，将拍频光信号转化为电信号，由带宽为
、采样
率为
的数据采集卡21通过交流耦合模式采集；数据处理模块22首先对采集到的电
信号
进行希尔伯特变换，生成正交信号
，然后通过下式求得每对光脉冲干涉
光中的包含的局放声信号相位信息：
式中
为第m个脉冲重复周期内第n对脉冲干涉光所携带的相位信息。数据处
理模块22将所有的相位信息
由时域转化到距离域，并按照脉冲顺序排列，即可得到整
根海底电缆各处的受扰动情况，根据扰动的时频特征和距离域信息即可实现对海底电缆局
部放电的分布式传感和还原。
优选地，光传感单元1的纤芯折射率n 0为1.5，弱反射点间隔为50m；信号发生器12
输出的矩形电脉冲宽度
为100ns，即图3、图4中所示的每个光脉冲的脉宽
也为100ns，
脉冲之间的时间间隔
为6μs；可调谐激光器10每次移频量
为500kHz，重复周期T为
600μs，每个周期内的频移脉冲数N为100个，总频移量
为49.5kHz；声光调制器11引入的
频移量
为40MHz，延迟光纤16的长度
为100m，即注入光传感单元1中的两个脉冲
序列间，相同频率的脉冲空间间隔为100m，时间间隔
为500ns；光电探测器20的带宽
为150MHz，数据采集卡21的带宽
为200MHz、采样率
为1.25GHz。
所述的一种海底电缆局部放电分布式传感系统，以长度为60km的海底电缆为例，采用传统的分布式光纤传感系统，声信号检测带宽仅为800Hz，本发明提供的传感系统检测带宽可达80kHz，信噪比提高20dB以上。
Claims (3)
1.一种海底电缆局部放电分布式传感系统，其特征在于，包括光传感单元(1)、可调谐激光器(10)、声光调制器(11)、信号发生器(12)、掺铒光纤放大器(13)、第一1×2光纤耦合器(14)、第二1×2光纤耦合器(15)、延迟光纤(16)、光纤环形器(17)、第三1×2光纤耦合器(18)、窄线宽激光器(19)、光电探测器(20)、数据采集卡(21)及数据处理模块(22)，其中，
所述的可调谐激光器(10)用于产生可频移的窄线宽连续光，其光输出端口与声光调制器(11)的输入端相连，声光调制器(11)用于将连续光调制为矩形脉冲光，同时对脉冲光引入频移，其输出端口与掺铒光纤放大器(13)的输入端相连，掺铒光纤放大器(13)用于对脉冲光功率进行放大，其输出端与第一1×2光纤耦合器(14)相连，光脉冲由掺铒光纤放大器(13)放大输出后进入第一1×2光纤耦合器(14)的两臂中，其中第一臂与第二1×2光纤耦合器(15)的第一臂直接相连，第二臂经过延迟光纤(16)后与第二1×2光纤耦合器(15)的第二臂相连，第二1×2光纤耦合器(15)的输出与光纤环形器(17)的1端口相连，探测光脉冲由1端口输入，由2端口输出后进入光传感单元(1)的传感光纤中，传感光纤中反射回的传感光信号由2端口进入光纤环形器(17)后从3端口输出，窄线宽激光器(19)输出的连续光与光纤环形器(17)的3端口输出的传感光信号在第三1×2光纤耦合器(18)处发生混频，混频光由光电探测器(20)探测并转化为电信号，光电探测器(20)输出的电信号由数据采集卡(21)采集，最后由数据处理模块(22)解调数据中的局部放电声信号相位信息，给出局部放电定位，信号发生器(12)用于输出矩形电脉冲，其输出端与可调谐激光器(10)的触发端、声光调制器(11)的驱动器输入端及数据采集卡(21)的触发端相连，用于触发可调谐激光器(10)的频移，驱动声光调制器(11)的调制以及触发数据采集卡(21)的采集；
所述的信号发生器(12)向可调谐激光器(10)、声光调制器(11)及数据采集卡(21)输出宽度为tP的矩形电脉冲，脉冲的时间间隔为TP，可调谐激光器(10)以步进模式工作，每当触发端接收到一个电脉冲，可调谐激光器(10)输出的光频率步进地增加ΔfS，每N个脉冲为一个脉冲重复周期T，声光调制器(11)每当接收到信号发生器(12)的一个矩形电脉冲，将可调谐激光器(10)发出的连续光调制成一个脉宽为tP的矩形脉冲光，并引入频移ΔfA；
所述的声光调制器(11)调制出的光脉冲经过第一1×2光纤耦合器(14)后被分为两个脉冲，其中一个脉冲经过长度为光传感单元(1)中弱反射点空间间隔2倍的延迟光纤(16)与另一个光脉冲产生时延τP，两个脉冲经过第二1×2光纤耦合器(15)后先后进入光传感单元(1)，声光调制器(11)在每个脉冲重复周期T内，等间隔地输出N个不同频率的光脉冲，其中第n个光脉冲的频移量为ΔfA+(n-1)ΔfS；
所述的光传感单元(1)中在每个周期内有两个脉冲数量为N的脉冲序列，每个脉冲序列中第n个光脉冲的频移量为ΔfA+(n-1)ΔfS，相同频率脉冲之间的时间间隔均为τP，空间间隔均为光传感单元(1)弱反射点空间间隔的2倍。
2.根据权利要求1所述的一种海底电缆局部放电分布式传感系统，其特征在于，所述的光传感单元(1)采用纤芯中具有连续等间隔弱反射点的单模光纤，用于传输探测光脉冲、感知电缆局部放电和返回传感光信号，弱反射点用于产生菲涅尔反射或者布喇格反射，增加传感信号强度，弱反射点间隔为50m，纤芯直径为9μm，包层直径为125μm，涂覆层直径250μm，涂覆层采用聚酰亚胺材质，用于增加光纤机械强度，光传感单元(1)的传感光纤布置在聚乙烯护套中，护套内填充纤膏，用于阻水和润滑。
3.根据权利要求1所述的一种海底电缆局部放电分布式传感系统，其特征在于，所述的数据处理模块(22)首先对采集到的电信号进行希尔伯特变换，生成正交信号，然后利用反正切算法求得每对光脉冲干涉光中的包含的局放声信号相位信息，最后将所有的相位信息由时域转化到距离域，并按照脉冲顺序排列，得到整根海底电缆各处的受扰动情况，根据扰动的时频特征和距离域信息实现对海底电缆局部放电的分布式传感和还原。
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