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。本发明专利技术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。和还原。和还原。
【技术实现步骤摘要】
一种海底电缆局部放电光传感单元及分布式传感系统
[0001]本专利技术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。
技术介绍
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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
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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。
[0005]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。
技术实现思路
[0006]本专利技术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。
[0007]根据本专利技术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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]根据本专利技术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
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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。
[0016]可选地，上述光传感单元长度根据海底电缆长度变化。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]所述的1
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2光纤耦合器，工作波段为1550nm，分光比为50:50。
[0022]所述的延迟光纤，采用1550nm的单模光纤，长度为100m。
[0023]所述的窄线宽激光器，输出波长为1550nm，线宽不大于3kHz。
[0024]优选地，上述光电探测器，工作频段为1550nm，带宽为150MHz。
[0025]优选地，上述数据采集卡，带宽为200MHz，采样率为1.25GHz。
[0026]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。
[0027]与现有技术相比，本专利技术提供本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种海底电缆局部放电光传感单元，其特征在于，该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，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。2.根据权利要求1所述的一种海底电缆局部放电光传感单元，其特征在于，所述的光传感单元（1）中的弱反射点采用以下两种方式中的一种制备：方式一：采用飞秒激光在单模光纤的纤芯中制造连续等间隔的缺陷点，使之成为弱反射点；方式二：采用飞秒激光在单模光纤纤芯上连续刻写波长相同的等间隔的弱反射光纤布喇格光栅阵列，使之成为弱反射点。3.一种海底电缆局部放电分布式传感系统，其特征在于，包括如权利要求1所述的海底电缆局部放电光传感单元，还包括可调谐激光器（10）、声光调制器（11）、信号发生器（12）、掺铒光纤放大器（13）、第一1
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2光纤耦合器（14）、第二1
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2光纤耦合器（15）、延迟光纤（16）、光纤环形器（17）、第三1
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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），所述可调谐激光器（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
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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
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2耦合器（14）的两臂中，其中第一臂与第二1
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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
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2耦合器（15）的第二臂相连；第二1
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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（17）3端口输出的传感光信号在第三1
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2耦合器（18）处发生混频，混频光由光电探测器（20）...
【专利技术属性】
技术研发人员：马国明，秦炜淇，王思涵，郭腾俊，郭陟峰，史荣斌，杜厚贤，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：
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