基于3×3耦合器相位解调的φ-OTDR方法用于局部放电的分析

《Optical Fiber Technology》：Analysis of partial discharge using φ-OTDR based on 3 × 3 coupler phase demodulation

本文采用基于3×3耦合器相位解调的φ-OTDR系统，测量并分析表面与电晕放电特性，对比脉冲电流法结果一致，定位误差2米，频谱显示表面放电频域37-42kHz，电晕放电30kHz附近，验证系统准确性与分布式测量能力。

　　

向和|传鹏|张建忠|雷志鹏|马哲|王廷宇|张明江

教育部与山西省联合重点实验室——先进传感器与智能控制系统，太原理工大学，中国太原030024

摘要

本文采用基于3×3耦合器相位解调的相位敏感光时域反射仪（φ-OTDR）来测量局部放电（PD）并分析其放电特性。实验在四个电压水平下测量了表面放电和电晕放电，并使用迈克尔逊干涉仪结合反正切解调算法对PD信号进行解调。实验结果表明，φ-OTDR方法在时域信号、相位信息、放电强度以及表面放电和电晕放电的放电次数方面与标准脉冲电流方法一致，充分证明了φ-OTDR方法的测量准确性。频谱分析显示，表面放电信号主要分布在37 kHz至42 kHz之间，而电晕放电信号则集中在30 kHz附近。此外，φ-OTDR方法成功实现了表面放电和电晕放电的分布式测量和定位，定位误差为2米。

引言

局部放电（PD）是高压电气设备中的常见问题，会导致绝缘材料迅速开裂，甚至引发整个电力系统的故障[1]、[2]。因此，实时准确地确定PD的位置对于确保电力系统的安全运行具有重要意义[3]、[4]。

目前有许多PD监测方法，例如脉冲电流法[5]、[6]、超高频（UHF）法[7]、[8]和光子计数法[9]。然而，脉冲电流法容易受到电磁干扰的影响，不适合在线测量；UHF法受有源元件不稳定性和校准成本高的限制；光子计数法基于光电倍增管，存在光电元件饱和和对环境光干扰敏感的问题。

相比之下，光纤传感技术在PD测量中具有独特的优势，因为它具有很强的抗电磁干扰能力和对现场操作条件的免疫力。

使用装有隔膜的法布里-珀罗传感器来测量PD[10]；基于迈克尔逊干涉仪和单模光纤的全光纤光学传感器被开发用于检测GIS系统和电力变压器中的PD[11]、[12]；萨格纳克干涉仪光纤传感器在变压器中的PD检测方面表现出比传统PZT声学传感器更高的灵敏度和频率响应范围[13]，并且研究了其监测位置的效果[14]；马赫-曾德尔干涉仪通过将放电引起的振动转换为感测光的相位变化来测量PD[15]；带有3×3耦合器的马赫-曾德尔干涉仪提高了光纤传感系统的灵敏度，并能够测量间隙放电现象[16]。然而，上述光纤传感系统都是基于固定位置的点式测量方法，存在局限性。

为了解决点式测量方法的局限性，已经开发了分布式光纤传感技术，可以实现沿传感光纤的连续PD测量。

萨格纳克干涉仪结构在电缆中测量多点放电，定位误差小于80米[17]。然而，所提出的分布式光纤传感方案受到其检测结构的限制，无法实现PD的解调和定位。相干光时域反射（COTDR）被用于多处高压电缆接头的PD测量[18]以及电机和电缆中PD的检测，定位精度达到50米[19]；但是，监测信号的频率响应范围较窄，信号质量较低。采用频分复用的COTDR技术可以监测电缆上的局部放电信号，频率响应范围达到100 kHz[20]；构建了双频脉冲COTDR（DFP-COTDR）系统以实现多点放电检测[21]。COTDR系统不仅可以监测PD，相位敏感光时域反射仪（φ-OTDR）还能准确提取振动波形、频率和相位，从而实现精确的PD定位。例如，φ-OTDR系统被用于测量电力电缆[22]和气体绝缘开关设备（GIS）[23]中的多点PD；此外，基于3×3耦合器相位解调的φ-OTDR系统结合卷积神经网络（CNN）用于分类电力电缆中的三种类型的PD[24]。然而，这些解决方案主要集中在PD的分布式测量和分类上，而没有对PD特性进行详细分析。

本文提出，基于3×3耦合器相位解调的φ-OTDR系统能够实现PD的测量、分析和定位。在本研究中，使用迈克尔逊干涉仪结合反正切解调算法精确解调表面放电和电晕放电信号；随后，基于φ-OTDR系统的测量结果，利用脉冲电流方法进一步分析放电特性；最后，通过飞行时间和差分定位方法实现PD的分布式测量和定位。

技术细节

原理

如图1所示，当高度相干的探测脉冲注入传感光纤时，脉冲与光纤中的不均匀散射点相互作用，在不同位置激发瑞利后向散射（RBS）光。当RBS光通过3×3耦合器时，它被分成三束光，其中两束光进入迈克尔逊干涉仪（MI）的两个臂。这两束光在法拉第旋转镜（FRM）的作用下反射后重新汇聚

实验与结果

图2(a)展示了基于φ-OTDR系统的放电测量装置。光源为波长为1550.12 nm、线宽小于3 kHz的光纤激光器。激光器发出的连续光通过声光调制器（AOM）调制成一系列光脉冲，其消光比高于50 dB。光脉冲的宽度和上升时间分别为100 ns和小于10 ns。生成的光脉冲通过掺铒光纤放大器进行放大

结论

总之，本文讨论并验证了使用基于3×3耦合器相位解调的φ-OTDR系统来测量和定位局部放电信号的可行性。通过φ-OTDR系统和脉冲电流方法测量了四个电压水平下的表面放电和电晕放电，并进行了比较，以确保实验结果的准确性。放电特性的分析表明，两种方法的结果在时域曲线方面是一致的

资助

本研究得到了国家自然科学基金（NSFC）项目（编号62075153、62075151和62205237）的支持；部分得到了山西省重点研发项目（编号202102150101004）的支持；部分得到了山西省中央引导地方科技发展基金项目（编号YDZJSX20231A019）的支持；还得到了山西省基础研究计划（Luan）项目（编号202,403,011,241,001）和自然科学基金的支持

作者贡献声明

向和：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿。传鹏：方法学研究，数据管理。张建忠：验证。雷志鹏：验证。马哲：验证。王廷宇：验证。张明江：验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。