基于Sagnac干涉仪的多点局部放电检测系统

卞晓亮,江俊杰,童 欣,杨 磊,彭扬帆,严庆刚

(1.国家电网上海市电力公司崇明供电分公司,上海 202150;2.上海交通大学信息与电气工程学院,上海 200051)

1 引 言

超声检测已广泛应用于电力设备健康监测[1-2]、石油勘探[3]和生物医学诊断[4]等领域。传统的声学检测方法通常是基于电容式的传感器[5],它们通常需要复杂的电子元件或电路来读取和处理信号,不适合远程检测;另外传统的压电超声传感器的频率范围很窄且信噪比较低,无法检测高频率声波信号。光纤声传感器由于其不受电磁干扰、传输损耗低、灵敏度高和适应恶劣环境等优点,已被用作电声传感器的优秀替代品。

自从Bucaro等人于1977年首次报道了使用光纤Mach-Zehnder干涉仪进行声检测以来[6],光纤干涉传感器已成为声学测量的重要传感技术[2-8]。Hocker等人通过将Mach-Zehnder干涉仪的传感臂嵌入到与二氧化硅相比具有更低弹性模量的复合结构中,将灵敏度提高了两个数量级[9]。其他干涉仪配置,如Michelson干涉仪[10]、Sagnac干涉仪[11]和Fabry-Perot干涉仪[7]也已用于超声检测。与Mach-Zehnder干涉仪相比,Fabry-Perot干涉仪是一种反射式点传感器,适用于空间有限的应用,较短的腔长也降低了对其他被测对象的交叉灵敏度[12]。Beard等人在光纤端面上镀一薄层透明聚合物构建了一个Fabry-Perot传感腔,当受到超声波调制时,其厚度会发生变化[13]。光纤声传感器在局部放电检测领域具有独特的优势,因此受到众多学者的关注。2014年,王伟等人提出了一种基Fabry-Perot的声传感器,该传感器的本征频率为101.5 kHz,灵敏度为60 nm/kPa,并验证了局部放电电荷量与局放超声信号幅值之间的关系[14]。随后,Zhang等人在2016年将Michelson干涉仪与圆柱形弹性体相结合。实现了灵敏度1.7 rad/mPa的局部放电的声探测,且能够实现高达150 kHz的高频响应[15]。然而,这些方案都只能对局部放电进行单点测量,难以有效监测整个局部放电故障的情况。

为解决这一问题,2019年,武汉理工大学研究团队介绍了一种用于电力电缆局部放电检测的弱光纤布拉格光栅阵列OTDR系统,并结合卷积神经网络模型的事件识别方法,实现了对不同放电类型的识别和分类[16]。另外,陈浩等人通过利用相位敏感型光时域反射仪对电缆接头中的局部放电进行研究,将多个光纤环传感器安装在特定的超声监测点上,验证了Φ-OTDR系统在局部放电中的分布式定位检测能力[17]。然而,尽管这些方案实现了多点探测,但实验需要结构复杂且成本高昂。因此,开发一种简单、成本低的光纤多点局部放电检测系统具有重要意义。Sagnac干涉仪被证明对缓慢的环境干扰不敏感,并已广泛应用于陀螺仪[18]、水听器[19]、声表面波检测器[20]和光学开关[21]。通过使用3×3定向耦合器[22]或在Sagnac环路中放置移频器或相位调制器[23],可以实现干涉仪在正交相位偏置周围的稳定操作。与MZI的主动零差或FPI的激光频率主动调谐相比,Sagnac干涉仪是被动和全光学的,无需向单个传感器提供电反馈。

本文提出了一种用于超声和多点检测的表面粘结型光纤传感器,表面粘结的单模光纤臂用于超声测量,并具备多个点超声源的检测能力。然后介绍了传感系统的的原理,利用Nd∶YAG激光激发表面波,高频超声信号由声源发出,使用表面粘结光纤Sagnac传感器在钢试样进行了实验验证。另外还验证了该Sagnac传感器对超声波的多点检测能力。

2 传感原理

图1所示为该传感系统的示意图(其中PC1、PC2表示偏振控制器,固体结构为钢板),分别由光源、隔离器、光纤耦合器、相位调制器、光纤延迟线和光纤偏振控制器组成。从光源发出的光经过单模光纤到达2×2定向耦合器,然后被分为顺时针和逆时针两路光束,从而构成Sagnac干涉仪。由于光纤延迟线的存在,顺时针和逆时光束将在不同的时间通过超声传感区,由于声波信息的调制,相位将发生相应的变化,最终由光电探测器接收。假设耦合器耦合系数为理想值0.5,则干涉仪输出的顺时针和逆时针光束的光场可以分别表示为:

(1)

图1 检测系统结构示意图

(2)

式中,φ1和φ2分别是顺时针和逆时针的光束的相位;φs是超声传感区引起的相位变化;t1和t2分别是光束从传感点通过干涉仪长臂和短臂传播到光电探测器所需的时间。因此可以得到干涉仪的输出光强为:

I=E12+E22+2(E12×E22)

(t-t2)]}

(3)

如果顺时针和逆时针光束之间的静态相位差表示为φ3,动态相位差表示为Δφs,则公式(3)可表示如下:

(4)

其中,I0是光源的输入强度。如果假设超声引起的相位变化φs=φs0cos(ωut),则相位差Δφs可以表示为:

(5)

(6)

可以看出,干涉强度的交流分量与超声波信号的相位变化成正比。通过调整光纤延迟线的长度,可以使Sagnac环路的频率等于超声频率[9,12],因此在单一频率及其奇次谐波下,ωutrel=π条件很容易满足。正交相位差是通过使用光纤偏振控制器PC2控制环路中的双折射来实现的。Sagnac环路中的PZT环形相位调制器和光纤偏振控制器,以确认静态相位偏置状态。干涉仪输出的条纹对比度:

(7)

根据公式(4)和(7),可以发现干涉仪输出的条纹可见度为1.0,这意味着干涉仪的最小光强度值为零,光纤Sagnac传感器具有最大的对比度。当条纹可见度为1.0且相位正交时,小振幅超声时干涉仪输出信号强度达到最大值。本文中的表面粘结光纤Sagnac传感器在环路外没有额外光学损耗,因此低功率光源足以检测小振幅超声波。通常,输出条纹对比度取决于偏振输入状态,因此另一个偏振控制器PC1如图所示1,安装在输入光纤臂中,便于控制实现最大对比度。

3 实验和讨论

在图1所示的示意图中,使用普通的单模光纤和耦合系数为0.5的光纤耦合器,光源的功率为5 mW,波长为1550 nm。系统总路径长度差由ωutrel=π的关系确定,为了在1.0 MHz左右的频率下获得最佳响应,因此Sagnac环路中的光纤延迟线长度设置为100 m。对于峰-峰值2π范围内的相位调制,光纤缠绕在圆筒型压电陶瓷上,电压通过信号发生器施加在圆筒型压电陶瓷上。偏振控制器用于将Sagna干涉仪置于正交工作点,干涉信号的强度由光电探测器(Thorlabs PDB450C)获得,然后由上位机进行处理。

图2(c)所示为π/2相位差时,在峰-峰值2π相位调制条件下获得的干涉谱。与图2(a)中所示的输出信号进行比较,可以了解到通过控制偏振控制器可以使Sagnac干涉仪在正交工作点。图2(b)所示为在圆筒型压电陶瓷施加的电压。值的注意的是,图2(c)表示由直流电压表示的输出信号,这表明本实验中的光纤Sagnac传感器的输出条纹对比度为0.98,接近最大对比度1.0,该结果与从公式(4)和(7)中得到的估计值吻合良好。由于光纤耦合器的分光比可能与理想的0.5有一定的偏差,因此无法得到理想的1.0的可见度。传感区域使用长度为20 mm的裸光纤,以提高对声波检测的灵敏度。图3(a)所示为功率100 mJ的Nd∶YAG激光脉冲的Q开关触发信号;图3(b)所示为光纤Sagnac传感器检测到的表面声波。图3(c)显示了检测到的表面声波信号的幅值谱;主频为3.027 MHz,比Sagnac环的固有频率大近3倍,且Sagnac干涉仪在其环路基频的奇数倍处具有最大响应度,因此检测到的信号保持在最大响应度附近。

图2 相位差和输出相应的关系

图3 实验结果

同时我们搭建了模拟局部放电环境的实验平台,其中声音传播介质是 10 号的变压绝缘油,如图所示4(a)。放电声源与传感器距离为15 cm,在信号发生器的驱动下,依次释放100 kH,120 kHz,140 kHz,160 kHz,180 kHz,200 kHz的声信号,该频率范围与实际局部放电声频率类似。传感器接收到被光电探测器接收,并由上位记进行处理,得到的频谱图如图4(b)所示,传感系统探测声频率与释放的声频率吻合,且信噪比均高于40 dB,最高可达80 dB,表明该传感系统的有效性。

图4 局部放电试验检测装置及结果

电力设备运行现场环境复杂,充斥着各种复杂的背景噪声。该局部放电检测传感需要面对设备低频振动、外部气流扰动、可听声波扰动以及环境温度变化等多样的背景噪声。这些噪声普遍保持在20 kHz以下水平[10]。为了验证该检测系统在低频噪音下的检测能力,在检测100 kHz超声信号的时,同时释放幅值是检测信号1.5倍,频率分别为5 kHz、10 kHz和15 kHz的低频声信号作为低频噪音。实验结果如图5所示。图5(a)为在100 kHz声信号下且含有低频噪音的频谱图;图5(b)是经过滤波处理后得到的超生信号;图5(c)对应的频谱图。从实验结果可以看出,当有低频噪音干扰时,该系统仍然能够对超声信号进行检测。检测结果中仍含有低频噪声,可能是系统本身噪音或者示波器等仪器导致,可以通过信号处理算法进一步优化。

图5 当有多个低频噪音时的超声检测结果

该系统多点超声检测的另一种配置如图6(a)所示,传感光纤以70 mm等间隔放置,传播的超声波依次与粘结在钢板表面上的每根传感光线相遇。图6(b)表示假设传感区域中的传感光纤展开时的情况,这样可以避免等间隔的排布对每个传感臂检测信号的叠加影响。在表面声波检测的情况下,每个传感臂的间隔应大于波列的总长度。利用厚度为0.5 mm的钢板进行了传感系统的多点检测实验,用Nd∶YAG激光照射薄钢板激发的兰姆波可以在板的整个厚度上长距离传播。

图6 多点超声检测系统另配置结构图

图7显示了连接在钢板上的传感臂在三个点检测到的表面波。可以看出该表面粘结型光纤传感器可以检测到由周期性压力诱导的折射率变化产生的任何相位变化。本中配置的光纤Sagnac传感器的优点是,系统配置非常简单,并且通过控制Sagnach环路的双频很容易调整相位偏差。该传感器可用于现场监测传统探测无法实现的室温结构,同时可通过高功率脉冲激光产生超声波。

图7 环路中具有三个传感臂的光纤 Sagnac传感器

4 结 论

本文提出了一种基于表面粘结光纤Sagnac干涉仪的局部放电超声检测系统。该传感系统的传感臂仅为粘结在钢板表面的裸光纤,可通过按适当间隔折叠传感臂来检测多个点的超声波,且传感器的输出条纹对比度为1.0,通过调整Sagnac环路的双折射,可以轻松获得最佳灵敏度的正交相位点。通过在钢板表面和绝缘油中的声检测实验,证明了该系统的有效性,在100 kHz～200 kHz频率范围内具有较的高信噪比。该检测系统结构简单成本低廉,高频响应良好,在实际工程应用中具有广泛的前景。