一种基于光纤的GIL局部放电超声信号检测系统的制作方法

本发明涉及光学传感，具体涉及一种基于光纤的gil局部放电超声信号检测系统。

背景技术：

1、气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated transmission lines，gil)具有输送容量大、传输损耗小、安全性能高、对环境破坏小等优点，在特殊地理环境及大容量远距离输电领域被广泛应用。然而，gil中需要使用大量的盆式绝缘子，这也是绝缘薄弱部位之一。一旦出现绝缘故障，可能会危及电力系统的运行安全。局部放电作为电气设备绝缘故障的主要前兆，其及时检测对设备安全和供电可靠性具有重要意义。

2、局部放电超声波检测法是一种绝缘故障早期检测的有效传感手段，用以发现gil盆式绝缘子部位的早期局部放电。传统的局部放电声波法检测通常使用压电陶瓷(pzt)传感器，将其紧贴于gil外部，以检测局部放电产生的声波。虽然这种方法操作简便、技术成熟，但灵敏度较低，且容易受到现场环境噪声的干扰。

3、近年来，光纤超声传感技术受到研究人员的关注。相比于pzt传感器，光纤超声传感器绝缘性能更佳、抗电磁干扰性能更优异、灵敏度更高，更适用于检测gil局部放电超声信号。但光纤超声传感技术具有高灵敏度的同时也更易受环境干扰，且超声信息调制在光频之上，难以实时解调获得。

4、因此，光纤局部放电超声实时解调及降噪技术及gil局部放电超声信号检测具有重要意义。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于光纤的gil局部放电超声信号检测系统，解决基于光纤干涉仪超声检测系统难以实时解调超声波形和易受噪声影响的问题。

2、本发明提供的基于光纤的gil局部放电超声信号检测系统，包括光纤超声解调系统和光纤超声传感器；

3、所述光纤超声解调系统用于将gil超声信号注入所述光纤超声传感器；

4、所述光纤超声传感器包括尼龙芯轴、四极对称光纤与法拉第旋镜，用于将所述gil超声信号转换为光纤的长度变化，得到光纤中传输光的相位变化，并通过所述法拉第旋镜将携带超声信息的反射光发送给所述光纤超声解调系统；

5、所述光纤超声解调系统还用于通过解调所述反射光与参考光信号之间的相位差，复原gil超声信号。

6、在一种可能的实现方式中，所述四极对称光纤环缠绕在尼龙芯轴上，所述尼龙芯轴为一个底面为曲面的圆柱型结构。

7、在一种可能的实现方式中，所述尼龙芯轴贴于gil表面，将gil的超声信号转换为所述四极对称光纤环中光纤的长度变化；以及

8、所述尼龙芯轴的谐振频率与gil超声信号的频率范围重叠。

9、在一种可能的实现方式中，所述光纤超声解调系统包括：窄带激光器、环形器、声光调制器、功率分配器、射频驱动器、耦合器、平衡光电探测器和基于同步参考信号的光纤超声解调电路。

10、在一种可能的实现方式中，所述光纤超声解调电路包括：电压限幅模块、信号混合模块、相位比较模块、相位增益模块和相位差输出模块；其中，

11、所述电压限幅模块用于将输入电压限制在预设电压范围；

12、所述信号混合模块用于接收反射光和参考光信号；

13、所述相位比较模块用于比较反射光和参考光信号的相位；

14、所述相位增益模块用于计算反射光和参考光信号的零点时间差，以反映反射光和参考光信号的相位差；

15、所述相位差输出模块用于输出反射光和参考光信号的相位差，即局放超声信号波形。

16、在一种可能的实现方式中，所述光纤超声解调电路用于对比反射光与参考光信号，并输出反射光与参考光信号的相位差，即局放超声信号波形；以及对所述局放超声信号波形进行实时相位解调，从而复原gil局放超声信号。

17、在一种可能的实现方式中，所述窄带激光器用于输出gil超声信号；

18、所述耦合器用于按照预设功率比将gil超声信号划分为参考光信号和标准正弦参考信号；

19、所述环形器用于将参考光信号传输给光纤超声传感器；

20、所述射频驱动器用于输出高频正弦电信号；

21、所述声光调制器用于被所述高频正弦电信号驱动，通过声光调制原理给参考光纤的传输光附加频移，与所述光纤超声传感器的法拉第旋镜返回的反射光形成频率差，构成拍频干涉；

22、所述平衡光电探测器用于使所述反射光与参考光信号发生干涉，并进行光电转换；

23、所述光纤超声解调电路用于根据标准正弦参考信号对光电转换后的反射光与参考光信号进行解调与降噪，以及计算反射光与参考光信号的相位差，实现高灵敏度超声信号实时检测。

24、在一种可能的实现方式中，所述高频正弦电信号经过所述功率分配器，给所述声光调制器提供驱动电信号，以及经过衰减后给所述光纤超声解调电路提供标准正弦参考信号。

25、在一种可能的实现方式中，所述反射光表示为如下公式：：

26、

27、其中，i(t1)为反射光的时域光电流信号，idc为光电流的直流分量，iac为光电流交流分量的幅值，f1为反射光的频率，t为时间变量，为初相位，为超声信号引起的反射光相位变化。

28、在一种可能的实现方式中，所述参考光信号表示为如下公式：

29、

30、其中，i(t2)为参考光信号的时域光电流信号，c为光电流的幅值，f2为声光调制器的频移量，t为时间变量，为声光调制器引入的相位波动。

31、本发明提供的基于光纤的gil局部放电超声信号检测系统，具有以下技术效果：

32、(1)提高灵敏度：相比传统的超声波法使用的压电陶瓷换能器(pzt)，本发明采用基于同步参考信号的光纤超声解调电路的相位解调方法，有效提高了超声波传感器的灵敏度。通过直接解调干涉信号和参考信号，获得相位差信号，无需进行数字信号处理，减少了信号损失和噪声干扰，从而实现对微弱局部放电信号的准确检测。

33、(2)高可靠性：本发明的相位解调方法和电路采用基于同步参考信号的光纤超声解调电路，该芯片具有较高的稳定性和可靠性。通过持续计算输入信号的零点时间差，准确反映输入信号的相位差，避免了传统方法中数字信号处理过程中可能出现的误差和不稳定性。本发明具有更好的抗环境干扰能力，能够有效抑制环境噪声对局部放电信号的影响，提高了检测的准确性和可靠性。

34、(3)省时省力：相比传统的相位解调方法中需要进行高采样率的数据采集和复杂的数字信号处理，本发明的相位解调方法直接输出超声波形，无需进行数字信号处理，简化了检测过程，节省了时间和人力成本。

35、综上所述，本发明通过基于同步参考信号的光纤超声解调电路的相位解调方法及电路，实现了对gil局部放电超声信号的高灵敏度和可靠检测，具有提高检测效果、节省时间和人力成本的优点。

技术特征：

1.一种基于光纤的gil局部放电超声信号检测系统，其特征在于，，包括光纤超声解调系统和光纤超声传感器；

2.根据权利要求1所述的gil局部放电超声信号检测系统，其特征在于，所述四极对称光纤环缠绕在尼龙芯轴上，所述尼龙芯轴为一个底面为曲面的圆柱型结构。

3.根据权利要求2所述的gil局部放电超声信号检测系统，其特征在于，所述尼龙芯轴贴于gil表面，将gil的超声信号转换为所述四极对称光纤环中光纤的长度变化；以及

4.根据权利要求1所述的gil局部放电超声信号检测系统，其特征在于，所述光纤超声解调系统包括：窄带激光器、环形器、声光调制器、功率分配器、射频驱动器、耦合器、平衡光电探测器和基于同步参考信号的光纤超声解调电路。

5.根据权利要求4所述的gil局部放电超声信号检测系统，其特征在于，所述光纤超声解调电路包括：电压限幅模块、信号混合模块、相位比较模块、相位增益模块和相位差输出模块；其中，

6.根据权利要求4所述的gil局部放电超声信号检测系统，其特征在于，所述光纤超声解调电路用于对比反射光与参考光信号，并输出反射光与参考光信号的相位差，即局放超声信号波形；以及对所述局放超声信号波形进行实时相位解调，从而复原gil局放超声信号。

7.根据权利要求4所述的gil局部放电超声信号检测系统，其特征在于，所述窄带激光器用于输出gil超声信号；

8.根据权利要求7所述的gil局部放电超声信号检测系统，其特征在于，所述高频正弦电信号经过所述功率分配器，给所述声光调制器提供驱动电信号，以及经过衰减后给所述光纤超声解调电路提供标准正弦参考信号。

9.根据权利要求1所述的gil局部放电超声信号检测系统，其特征在于，所述反射光表示为如下公式：

10.根据权利要求1所述的gil局部放电超声信号检测系统，其特征在于，所述参考光信号表示为如下公式：

技术总结
本发明涉及光学传感技术领域，具体公开了一种基于光纤的GIL局部放电超声信号检测系统，包括：光纤超声解调系统和光纤超声传感器；光纤超声解调系统用于将GIL超声信号注入光纤超声传感器；光纤超声传感器包括尼龙芯轴、四极对称光纤与法拉第旋镜，用于将GIL超声信号转换为光纤的长度变化，得到光纤中传输光的相位变化，并通过法拉第旋镜将携带超声信息的反射光发送给光纤超声解调系统；光纤超声解调系统还用于通过解调反射光与参考光信号之间的相位差，复原GIL超声信号。本发明提供的基于光纤的GIL局部放电超声信号检测系统，能够解决基于光纤干涉仪超声检测系统难以实时解调超声波形和易受噪声影响的问题。

技术研发人员：董曼玲,郑伟,辛伟峰,张卓,詹振宇,马云瑞,郭磊,杨知非,刘孜耕,王栋,马德英,付海金,陈泰羽
受保护的技术使用者：国网河南省电力公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17