光纤传感器在局部放电检测中的应用

1 光纤传感器的结构

光纤传感器的结构相对比较简单，在制作及安装方面十分容易实现，而且直接光测法所存在的缺陷，光纤传感器均能加以克服，因此在局部放电检测中比较适用。

1.1 波长的选择

光源发出基本光强，起偏器将光束转换为线偏振光，受到磁场的作用后进行方位角旋转，再通过检偏器入射至光探测器中，这个过程中起偏器和检偏器间的夹角成45°，从而光探测器就会接收到光强。

光纤传感器传感头的材料为逆磁性介质，其Verdet常数与波长的关系成反比关系，即波长越大其值越小，因此在选择波长时最好不要太长。如果波长不超过500nm，逆磁性介质的吸光性比较强，光缆的光散射损耗就会越来越大，由于单模光纤中心的玻璃芯比较细，通常只有10μm左右，只能传送1种模式的光，所以模间色散比较小。当波长处于1.31μm时，单模光纤的波导色散及材料色散分别为一负、一正，大小也一样，其单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，通常波长与光纤损耗成反比关系，而1.31μm的波长恰好适合光纤的低损耗窗口，因此该区就是一个比较理想的工作窗口。

1.2 光路的连接

由于光路中每个部分需要进行紧密的连接，在系统全封闭的状态下，将光路损耗降至最低，并且不容易受到外部光的干扰。光纤连接方式有2种：永久性融焊连接和活动连接。

光纤活动连接器是一种无源光器件，利用它可以实现光纤之间的活动连接，此外它还可以把光纤和有源器件以及其他的无源器件、系统、相关的仪表等连接起来。从某种角度而言，活动连接器是光纤领域应用最广泛的、不可或缺的基础元件。活动连接器由1个中心对准部件及2个带根尾纤的插入件组成。当高精度衬套的外径中心以及光纤芯子中心一致时，光纤套筒的内表面精度相对较高，从其两端插入，从而使得两端和光纤对接。这种结构便于2根光纤端面的清洁。

光纤转换器是通过插头来实现插拔的，连接器的插头由插针体以及其他的外部机械零件组成。在转换器插入2个插头后即可实现光纤的对接，并且插头的机械结构还可以保护光纤。将光纤接头连接在一起并使光纤接通的器件即为转换器，俗称法兰盘。活动连接器的插体端面呈弧形，反射比较小，由2个插针体以及1个法兰盘组成，其中插针体带有尾纤单心光缆，螺纹固定。法兰盘具有相应弹性的C型插孔，可以提高2个光纤连接的精度及准直度，适用于单模光纤连接器。

2 光纤传感器的数学模型

一束线偏振光在诸如晶体或者光纤玻璃等介质中进行传播时，受到外磁场的作用，其偏振面会出现旋转，且旋转的角度受到多种因素的影响，比如磁场的强度、磁光材料中光和磁场发生作用的长度、介质的特性、环境温度以及光源的波长等。这种现象所反映的是具有磁矩的物质和光波间的互相作用，称为Faraday磁光效应。磁光效应的经验公式表达如下：

φ＝VLHi

式中，Hi为i介质中磁场的作用强度；V为Verdet常数；L为光程，即线偏振光在光纤中通过的距离。

Verdet常数所表示的是介质磁旋光能力，一般需经过相关的试测量出来。偏振光会受到磁场的作用，其发生偏转角度的大小各不相同，光纤传感器正是利用偏振光的这一特性，通过其偏转角的检测，实现局部放电电流值的测量。不过这一偏振角无法直接测出，需要先对偏振光光强进行测量。琼斯矢量法提出，任意偏振光的琼斯矢量均可分解为特定的2个偏振光琼斯矢量叠加的形式，而且任意偏振态均能用2个特定的正交偏振琼斯矢量线性组合（A、B）表示，即二者为对应关系。所以对于任意偏振光而言，可以利用一对正交左旋圆偏振光及右旋圆偏振光，表达如下式。

在单色偏振光经过偏振器后，状态会有所改变，此时如果输入及输出偏振光分别用E1及E2表示，可以通过下面变换矩阵表示线性光偏振器的作用。

其中琼斯矩阵T为：

如果偏振光先后需要通过n个一系列的偏振器，该过程中的n个偏振器可以等效为同一个。光纤传感器的结构为偏振光依次通过旋光元件及检偏器，等效为偏振器的级联形式。设θ为输入光纤传感器线偏振光的方位角，建立起X，Y平面坐标系，此时入射光在其中的分量分别表示为X1及Y1，其在线偏振器透光轴方向投影后，入射光经过线偏振器，其所沿着透光轴方向的分量分别为X1cosθ和Y1sinθ，该2分量的组合在坐标中再次投影可得出射光的2个分量，即X2与Y2，分别采用下式进行表达：

由上述公式即可得出偏振器的琼斯矩阵如下式：

为了能够射出最大的偏振光光强，可以把起偏器以及检偏器的夹角设置为45°，数学上等效为琼斯矩阵的连乘，表达式如下：

输入线偏振光的光强为J1，琼斯矩阵表示为：

检偏器与入射光的偏振方向成±45°夹角，其琼斯矩阵则表达如下式：

当法拉第旋光元件只有旋光性没有线性双折射时，设旋光角φ，则它的琼斯矩阵可以表示如下：

最终，可以得出输出光强的表达式为：

通过上述计算分析可知，输出光强和Faraday的旋转角有着密切的关系：如果Faraday比较小，则输出光强中交变部分与其呈线性关系。尽管Faraday旋光元件中存在线性双折射，会对琼斯矩阵产生影响，但是由于Faraday旋转一般不会超过1°，因此可以认为：sin2φ≈2φ，即输出光强可表达为：

最终，可以获取介质上磁场强度作用的大小，并测出电流值。

3 传感器局部放电测量试验及结果分析

在实际运行过程中，电缆绝缘的缺陷是导致电缆局部放电的主要原因，其缺陷类型包括气隙、金属毛刺以及其他的杂质等。分别模拟电力电缆中气隙放电、沿面放电以及表面放电等缺陷，实现光纤传感器对局部放电信号传感性能的检测。由试验结果可知，针对上述3种典型缺陷模型局部放电信号，利用光纤传感器进行采集及提取，其干扰幅值与局放信号幅值相比要小很多，而且测得的局放信号有很陡的上升沿及下降沿。由此可见，光纤传感器在测量局放小信号的过程中有较高的灵敏度。