CN117192313B - 检测气体绝缘开关设备局部放电的光纤传感*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种检测气体绝缘开关设备局部放电的光纤传感***，包括：第一耦合器将激光器发射的激光分为检测光和参考光；光纤传感器利用检测光对超声信号进行检测，得到超声调制光；第二耦合器对超声调制光和经过压电陶瓷光相位调制器与低频噪声抑制模块共同调制后的参考光进行干涉，并将干涉光分为第一干涉光和第二干涉光；平衡光电探测器对第一干涉光和第二干涉光进行光电转换，得到与超声信号对应的交流电压信号；噪声反馈模块对交流电压信号进行第一预定频率的滤波，得到环境噪声电压信号；压电陶瓷光相位调制器根据环境噪声电压信号，对参考光的相位进行第一调制；低频噪声抑制模块根据环境噪声电压信号，对参考光的相位进行第二调制。

Description

检测气体绝缘开关设备局部放电的光纤传感***

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域和局部放电测量技术领域，尤其涉及一种检测气体绝缘开关设备局部放电的光纤传感***。

背景技术

气体绝缘开关设备（Gas Insualation Switchgear，GIS）以其结构紧凑、不易受到外界环境影响、可扩展性强、运行可靠性高、检修维护方便等优点成为高压电力***中的主流设备。

大量GIS故障案例表明：GIS生产和安装过程中产生的金属微粒是降低GIS绝缘水平的主要原因，而随着GIS绝缘水平的降低，会引起较多GIS绝缘故障。在GIS运行过程中，金属微粒会吸附于GIS绝缘子表面，造成GIS绝缘子沿面电场畸变，引发局部放电。局部放电是发生绝缘故障的重要征兆和表现形式，因此，可以通过检测金属微粒造成的GIS局部放电来诊断和评估GIS内部绝缘状态，实现绝缘故障预警，提高GIS的运行可靠性。

相关技术，通过检测GIS局部放电产生的不同物理量，实现对GIS局部放电现象的检测。目前局部放电的检测方法主要有：脉冲电流法、特高频法、光测法、声测法。其中，脉冲电流法检测下限极低，现场干扰大，无法在GIS现场进行检测；光测法需要在GIS腔体上开孔安装光电二极管，破坏GIS结构；特高频法依赖于特高频内置或外置传感器，现场干扰大；超声波法使用的传感器安装在GIS外壳，现场应用简单快捷，但在现场测验中，GIS设备运行现场环境复杂，***噪声来源多样，影响检测***稳定性。因此，亟待找到一种抗环境干扰的，检测***较稳定的，能够提高检测到的GIS局部放电的精确度的方法。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种检测气体绝缘开关设备局部放电的光纤传感***。

本发明提供了一种检测气体绝缘开关设备局部放电的光纤传感***，包括：

激光器，用于发射预定波长的激光；

第一耦合器，用于将上述激光分为功率相同的检测光和参考光；

光纤传感器，用于利用上述检测光对绝缘开关设备局部放电产生的超声信号进行检测，得到超声调制光；

第二耦合器，用于对上述超声调制光和经过压电陶瓷光相位调制器与低频噪声抑制模块共同调制相位频率后的参考光进行干涉，并将干涉得到的干涉光分为功率相同的第一干涉光和第二干涉光；

平衡光电探测器，用于对上述第一干涉光和上述第二干涉光进行光电转换，得到与上述超声信号对应的交流电压信号，以使上述光纤传感***根据上述交流电压信号，得到上述超声信号；

噪声反馈模块，用于对上述交流电压信号进行第一预定频率的滤波，得到环境噪声电压信号，其中，上述环境噪声电压信号表征与上述绝缘开关设备所处环境中的噪声信号对应的电压信号；

压电陶瓷光相位调制器，接入用于传输上述参考光的参考光纤中，根据上述环境噪声电压信号，对上述参考光的相位进行第一调制，使经过第一调制的参考光的相位中增加第一频率相位，其中，上述第一频率相位表征与第二频率相位的幅值及频率相同且传播方向相反的相位，上述第二频率相位表征大于等于第二预定频率且小于等于第一预定频率的环境噪声使上述检测光的相位增加的相位量；

低频噪声抑制模块，接入用于传输上述参考光的参考光纤中，根据上述环境噪声电压信号，对上述参考光的相位进行第二调制，使经过第二调制的上述参考光的相位中增加第三频率相位，其中，上述第三频率相位与第四频率相位的频率相同及传播方向相反，上述第三频率相位是根据上述第四频率相位和预定相位确定的，上述第四频率相位表征小于第二预定频率的环境噪声使上述检测光的相位增加的相位量。

根据本发明的实施例，上述低频噪声抑制模块包括：

电压比较器，用于将上述环境噪声电压信号与预定电压进行比较，并输出与上述预定电压对应的二进制信号；

单片机控制器，用于根据上述二进制信号，以第三预定频率输出至少一个八位的二进制数；

数模转换器，用于将上述至少一个八位的二进制数分别转换为初始驱动电压信号，得到至少一个初始驱动电压信号；

电机驱动子模块，用于将上述至少一个初始驱动电压信号分别放大预定倍数，得到至少一个目标驱动电压信号；

电机驱动可伸缩光纤丝杠，接入用于传输上述参考光的参考光纤中，用于根据上述至少一个目标驱动电压信号，对上述参考光纤的长度进行调节，以使调节后的上述参考光的相位中增加上述第三频率相位。

根据本发明的实施例，上述预定电压包括第一预定电压和第二预定电压，第一预定电压小于第二预定电压，上述电压比较器还用于通过以下操作实现上述将上述环境噪声电压信号与预定电压进行比较，并输出与上述预定电压对应的二进制信号：

在上述环境噪声电压信号大于第二预定电压的情况下，输出第一二进制信号；

在上述环境噪声电压信号小于第一预定电压的情况下，输出第二二进制信号；

在上述环境噪声电压信号大于等于上述第一预定电压且小于等于第二预定电压的情况下，输出第三二进制信号。

根据本发明的实施例，上述单片机控制器还用于通过以下操作实现上述根据上述二进制信号，以第三预定频率输出至少一个八位的二进制数：

在上述二进制信号为第一二进制信号的情况下，以第三预定频率依次输出与第一数值范围包括的至少一个数值分别对应的八位二进制数；

在上述二进制信号为第二二进制信号的情况下，以第三预定频率依次输出与第二数值范围包括的至少一个数值分别对应的八位二进制数；

在上述二进制信号为第三二进制信号的情况下，以第三预定频率输出与第三数值范围包括的至少一个数值分别对应的八位二进制数。

根据本发明的实施例，上述数模转换器还用于通过以下操作实现上述将上述至少一个八位的二进制数分别转换为初始驱动电压信号，得到至少一个初始驱动电压信号：

将上述至少一个八位的二进制数线性映射到数值大小在第四数值范围内的驱动电压信号，得到至少一个初始驱动电压信号，其中，上述至少一个八位的二进制数中的最大值与上述第四数值范围中的最大值相对应，上述至少一个八位的二进制数中的最小值与上述第四数值范围中的最小值相对应。

根据本发明的实施例，噪声反馈模块包括：

低通滤波器，用于对上述交流电压信号进行第一预定频率的低通滤波，得到初始环境噪声电压信号；

积分器，用于对上述初始环境噪声电压信号进行累加处理，得到截止频率为上述第一预定频率的上述环境噪声电压信号。

根据本发明的实施例，上述第一预定电压为-2V，上述第二预定电压为2V。

根据本发明的实施例，上述预定倍数为20倍，上述第三预定频率为1个/1us。

根据本发明的实施例，上述第一预定频率为10kHz，上述第二预定频率为10Hz。

根据本发明的实施例，将上述光纤传感***中除上述光纤传感器以外的各个器件及模块使用5mm厚的铝板进行封装处理，上述光纤传感器为环氧树脂封装的直径为5厘米的圆柱形光纤传感器。

根据本发明的实施例，通过压电陶瓷光相位调制器，对参考光的相位进行第一调制，使经过第一调制的参考光的相位中增加第一频率相位，低频噪声抑制模块，对参考光的相位进行第二调制，使经过第二调制的参考光的相位中增加第三频率相位，使得第二耦合器在对超声调制光和经过压电陶瓷光相位调制器与低频噪声抑制模块共同调制相位频率后的参考光进行干涉后，可以滤除超声调制光信号中的与环境噪声对应的光信号，抑制环境噪声对超声调制光信号的影响，使得到的第一干涉光和第二干涉光不包括与环境噪声对应的光信号，进而后续平衡光电探测器，对第一干涉光和第二干涉光进行光电转换后，可以得到不受环境噪声影响的与超声信号对应的交流电压信号，使得光纤传感***工作在稳定状态，进而后续可以根据该稳定的交流电压信号得到不受环境影响的超声信号以及根据超声信号，解析到不受环境噪声影响的超声绝缘开关设备局部放电信号，可以得到精度较高的局部放电信号。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述内容以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的检测气体绝缘开关设备局部放电的光纤传感***的示意图；

图2示出了根据本发明实施例的控制单片机控制器输出与预定电压对应的二进制信号的流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B和C中至少一个的***”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的***等）。

GIS生产和安装过程中产生的金属微粒是降低GIS绝缘水平的主要原因，而随着GIS绝缘水平的降低，会引起较多GIS绝缘故障。在GIS运行过程中，金属微粒会吸附于GIS绝缘子表面，造成GIS绝缘子沿面电场畸变，引发局部放电。局部放电是发生绝缘故障的重要征兆和表现形式，因此，可以通过检测金属微粒造成的GIS局部放电来诊断和评估GIS内部绝缘状态，实现绝缘故障预警，提高GIS的运行可靠性。

相关技术，通过检测GIS局部放电产生的不同物理量，实现对GIS局部放电现象的检测。但在现场测验中，GIS设备运行现场环境复杂，***噪声来源多样，会影响检测***稳定性。因此，亟待找到一种抗环境干扰的，检测***较稳定的，能够提高检测到的GIS局部放电的精确度的方法。

为了至少部分地解决相关技术中存在的技术问题，本发明的实施例提供了一种检测气体绝缘开关设备局部放电的光纤传感***，可以应用于光纤传感技术领域和局部放电测量技术领域。

以下将基于图1和图2对本发明实施例的检测气体绝缘开关设备局部放电的光纤传感***进行详细描述。

图1示出了根据本发明实施例的检测气体绝缘开关设备局部放电的光纤传感***的示意图。

如图1所示，检测气体绝缘开关设备局部放电的光纤传感***包括：激光器1、第一耦合器2、光纤传感器3、第二耦合器4、平衡光电探测器5、噪声反馈模块6、压电陶瓷光相位调制器7、和低频噪声抑制模块8。

激光器1，用于发射预定波长的激光。

根据本发明的实施例，预定波长可以根据实际情况进行选择，在此不作限定。例如预定波长可以为1310nm或1550nm。

例如，本发明实施例提供的光纤传感***可以基于1550nm的激光对GIS的局部放电进行检测。

第一耦合器2，用于将激光分为功率相同的检测光和参考光。

根据本发明的实施例，第一耦合器2可以为2×2耦合器。

根据本发明的实施例，激光器1与第一耦合器2之间，利用用于传输激光的光纤进行连接。

根据本发明的实施例，还可以在用于传输激光的光纤与激光器1之间增加一个光隔离器，用于抑制光纤线路中从光纤远端端面或第一耦合器2界面等处产生的反射光返回激光器，从而保证激光器工作状态的稳定，降低光纤传感***因反射光引起的噪声。

光纤传感器3，用于利用检测光对绝缘开关设备局部放电产生的超声信号进行检测，得到超声调制光。

根据本发明的实施例，光纤传感器3与第一耦合器2之间，利用用于传输检测光的传感光纤进行连接。

根据本发明的实施例，高灵敏度的光纤传感器3安装在需要检测的GIS腔体上且接触面抹上了超声耦合剂。光纤传感器3在接收到检测光后，气体绝缘开关设备局部放电产生的超声信号会对光纤传感器3中的检测光进行调制，使得调制后的光纤传感器3中的检测光的相位发生偏移，得到超声调制光。

第二耦合器4，用于对超声调制光和经过压电陶瓷光相位调制器7与低频噪声抑制模块8共同调制相位频率后的参考光进行干涉，并将干涉得到的干涉光分为功率相同的第一干涉光和第二干涉光。

根据本发明的实施例，第二耦合器4可以为2×2耦合器。

根据本发明的实施例，第二耦合器4与光纤传感器3之间，利用用于传输超声调制光的传感光纤进行连接。第二耦合器4与第一耦合器2之间，利用用于传输参考光的参考光纤进行连接。

平衡光电探测器5，用于对第一干涉光和第二干涉光进行光电转换，得到与超声信号对应的交流电压信号，以使光纤传感***根据交流电压信号，得到超声信号。

根据本发明的实施例，平衡光电探测器5与第二耦合器4之间，利用分别用于传输第一干涉光和第二干涉光的光纤进行连接。

根据本发明的实施例，平衡光电探测器5可以对第一干涉光和第二干涉光分别进行光电转换后，再对转换后的与第一干涉光和第二干涉光分别对应的输出信号进行差分放大，消除直流分量，得到与超声信号对应的交流电压信号。

根据本发明的实施例，图1中的光纤传感***还可以包括带通滤波器、数字示波器和上位机。在得到交流电压信号后，带通滤波器可以对交流电压信号进行10kHz~80kHz的带通滤波，然后再由数字示波器采集，由上位机记录分析后即可测量得到超声信号，进而可以根据超声信号确定绝缘开关设备存在局部放电及绝缘开关设备的局部放电量。

噪声反馈模块6，用于对交流电压信号进行第一预定频率的滤波，得到环境噪声电压信号，其中，环境噪声电压信号表征与绝缘开关设备所处环境中的噪声信号对应的电压信号。

根据本发明的实施例，噪声反馈模块6主要用于对交流电压信号进行低通滤波，得到交流电压信号中小于等于第一预定频率的交流电压信号。

压电陶瓷光相位调制器7，接入用于传输参考光的参考光纤中，根据环境噪声电压信号，对参考光的相位进行第一调制，使经过第一调制的参考光的相位中增加第一频率相位，其中，第一频率相位表征与第二频率相位的幅值及频率相同且传播方向相反的相位，第二频率相位表征大于等于第二预定频率且小于等于第一预定频率的环境噪声使检测光的相位增加的相位量。

根据本发明的实施例，参考光纤缠绕在压电陶瓷光相位调制器7中的压电陶瓷上，在向压电陶瓷光相位调制器7施加环境噪声电压信号的情况下，压电陶瓷光相位调制器7会产生形变，引起压电陶瓷光相位调制器7上缠绕的参考光纤内部折射率以及长度改变，从而实现对参考光的相位进行第一调制，使经过第一调制的参考光的相位中增加第一频率相位。

根据本发明的实施例，由于压电陶瓷光相位调制器7，接入用于传输参考光的参考光纤中，根据环境噪声电压信号，对参考光的相位进行第一调制，使经过第一调制的参考光的相位中增加第一频率相位，第一频率相位表征与第二频率相位的幅值及频率相同且传播方向相反的相位，第二频率相位表征大于等于第二预定频率且小于等于第一预定频率的环境噪声使检测光的相位增加的相位量，使得第二耦合器4在对超声调制光和经过压电陶瓷光相位调制器7调制相位频率后的参考光进行干涉后，使得经过压电陶瓷光相位调制器7调制相位频率后的参考光的相位可以抵消超声调制光中环境噪声信号中的高频信号引起的相位偏移，抑制环境噪声信号中的高频信号对光纤传感***的影响。

根据本发明的实施例，压电陶瓷光相位调制器7可以实现对环境噪声信号中的高频噪声信号的抑制，压电陶瓷光相位调制器7具有响应时间短（几个微秒）、相位调节精确等特点，可以有效实现特别针对高频信号的小幅度相位调整。

低频噪声抑制模块8，接入用于传输参考光的参考光纤中，根据环境噪声电压信号，对参考光的相位进行第二调制，使经过第二调制的参考光的相位中增加第三频率相位，其中，第三频率相位与第四频率相位的频率相同及传播方向相反，第三频率相位是根据第四频率相位和预定相位确定的，第四频率相位表征小于第二预定频率的环境噪声使检测光的相位增加的相位量。

根据本发明的实施例，预定相位可以根据实际情况进行选择，在此不作限定。例如，预定相位可以为0.5π。

根据本发明的实施例，由于压电陶瓷光相位调制器7中的压电陶瓷对于低频激励信号响应差，并存在迟滞效应，使得压电陶瓷光相位调制器7的输入电压信号，即环境噪声电压信号，与输出相位调制量，即第一频率相位，之间不是标准的线性关系。在与高低频噪声信号分别对应的电压信号的共同作用下，即在环境噪声电压信号的作用下，压电陶瓷光相位调制器7会累积低频相位调制量偏差，仅依靠其自身的反馈调节无法消除，进而会导致光栅传感***整体输出的交流电压信号的相位工作点控制失效，影响光纤传感***的稳定性。

根据本发明的实施例，可以将第三频率相位作为压电陶瓷光相位调制器7累积的低频相位调制量偏差。而由于低频噪声抑制模块8可以对参考光的相位进行第二调制，使经过第二调制的参考光的相位中增加第三频率相位，第三频率相位与第四频率相位的频率相同及传播方向相反，第三频率相位是根据第四频率相位和预定相位确定的，第四频率相位表征小于第二预定频率的环境噪声使检测光的相位增加的相位量。在利用第二耦合器将超声调制光和经过压电陶瓷光相位调制器与低频噪声抑制模块共同调制相位频率后的参考光进行干涉后，可以实现利用低频噪声抑制模块8，消除高频噪声抑制模块累积的低频相位误差，并使光纤传感***稳定工作在正交工作点。

根据本发明的实施例，通过压电陶瓷光相位调制器7，对参考光的相位进行第一调制，使经过第一调制的参考光的相位中增加第一频率相位，低频噪声抑制模块8，对参考光的相位进行第二调制，使经过第二调制的参考光的相位中增加第三频率相位，使得第二耦合器4在对超声调制光和经过压电陶瓷光相位调制器与低频噪声抑制模块共同调制相位频率后的参考光进行干涉后，可以滤除超声调制光信号中的与环境噪声对应的光信号，抑制环境噪声对超声调制光信号的影响，使得到的第一干涉光和第二干涉光不包括与环境噪声对应的光信号，进而后续平衡光电探测器5在对第一干涉光和第二干涉光进行光电转换后，可以得到不受环境噪声影响的与超声信号对应的交流电压信号，使得光纤传感***工作在稳定状态，进而后续可以根据该稳定的交流电压信号得到不受环境影响的超声信号以及根据超声信号，解析到不受环境噪声影响的超声绝缘开关设备局部放电信号，可以得到精度较高的局部放电信号。

根据本发明的实施例，通过压电陶瓷光相位调制器7，对参考光的相位进行第一调制，使经过第一调制的参考光的相位中增加第一频率相位，低频噪声抑制模块8，对参考光的相位进行第二调制，使经过第二调制的参考光的相位中增加第三频率相位，使得第二耦合器4在对超声调制光和经过压电陶瓷光相位调制器与低频噪声抑制模块共同调制相位频率后的参考光进行干涉后，抑制环境噪声引起的超声调制光中的相位衰落现象，克服了环境噪声中的低频和高频信号对超声调制光的干扰问题，提升了传感光纤***整体抗环境干扰能力，使得***可以长时间稳定工作，持续稳定工作时间可以达到预定数天，满足了传感光纤***长期使用的需要，实现对GIS局部放电的高精度在线监测。

根据本发明的实施例，第一预定频率可以为10kHz，第二预定频率可以为10Hz。

根据本发明的实施例，环境噪声中的低频噪声信号表征频率大于等于0Hz小于10Hz的环境噪声信号。环境噪声中的高频噪声信号表征频率大于等于10Hz小于等于10kHz的环境噪声信号。

根据本发明的实施例，平衡光电探测器5在对第一干涉光和第二干涉光进行光电转换后，得到的与超声信号对应的交流电压信号可以表示为。其中，U _AC 表征交流电压信号的最大幅值，/>表征局部放电产生的高频超声信号引起的传感光纤中的参考光的相位变化，是一个高频小信号。/>和/>分别表征环境噪声信号中的高频信号和低频信号引起的传感光纤中的参考光的相位变化。

通常环境噪声信号引起的相位漂移即会大于π，其中，/>为10Hz至10kHz的高频环境噪声信号引起的相位漂移，/>为0至10Hz的低频环境噪声信号引起的相位漂移。在超声信号对参考光的相位进行调制的情况下，用于检测超声信号的参考光同时会受到环境噪声的调制，使得参考光的相位在偏移/>后，会继续偏移/>和/>。

通常的频率远高于/>，而在/>，其中，m为大于等于1的整数，的情况下，在短时间内，检测到的交流电压信号很小，即光纤传感***工作在不灵敏区域，其中，该短时间的时长大于超声信号周期而远小于噪声信号周期。而在/>的情况下，在短时间内，检测到的交流电压信号则相对较大。为了保证光纤传感***的稳定性和灵敏度，必须采取措施令/>，此时，光纤传感***稳定工作在正交工作点。

根据本发明的实施例，由于压电陶瓷光相位调制器7在对参考光的相位进行第一调制后，第一调制的参考光的相位中增加了第一频率相位，低频噪声抑制模块8在对参考光的相位进行第二调制后，参考光的相位中增加了第三频率相位，使得第二耦合器4在对超声调制光和经过压电陶瓷光相位调制器与低频噪声抑制模块共同调制相位频率后的参考光进行干涉后，参考光中的第一频率相位可以抵消超声调制光中的相位偏移量，参考光中的第三频率相位可以抵消超声调制光中的相位偏移量/>，并使最终的干涉光中增加0.5π的预定相位偏移量，使得最终根据干涉光得到的交流电压信号相对较大，光纤传感***稳定工作在正交工作点，保证了光纤传感***的稳定性和灵敏度。

如图1所示，噪声反馈模块6包括：低通滤波器61和积分器62。

低通滤波器61，用于对交流电压信号进行第一预定频率的低通滤波，得到初始环境噪声电压信号；

积分器62，用于对初始环境噪声电压信号进行累加处理，得到截止频率为第一预定频率的环境噪声电压信号。

根据本发明的实施例，低通滤波器61可以滤除交流电压信号中的10kHz以上的高频分量，该高频分量通常认为是由超声信号引起的，不需要进行相位补偿，得到与环境噪声信号对应的初始环境噪声电压信号，积分器62可以平缓前一级低通滤波器61输出的初始环境噪声电压信号，并对初始环境噪声电压信号中的低频、超低频和高频信号进行放大，得到截止频率为10kHz的环境噪声电压信号。

如图1所示，低频噪声抑制模块8包括电压比较器81、单片机控制器82、数模转换器83、电机驱动子模块84和电机驱动可伸缩光纤丝杠85。

电压比较器81，用于将环境噪声电压信号与预定电压进行比较，并输出与预定电压对应的二进制信号；

单片机控制器82，用于根据二进制信号，以第三预定频率输出至少一个八位的二进制数；

数模转换器83，用于将至少一个八位的二进制数分别转换为初始驱动电压信号，得到至少一个初始驱动电压信号；

电机驱动子模块84，用于将至少一个初始驱动电压信号分别放大预定倍数，得到至少一个目标驱动电压信号；

电机驱动可伸缩光纤丝杠85，接入用于传输参考光的参考光纤中，用于根据至少一个目标驱动电压信号，对参考光纤的长度进行调节，以使调节后的参考光的相位中增加第三频率相位。

根据本发明的实施例，预定倍数可以为20倍，第三预定频率可以为1个/1us。

根据本发明的实施例，预定倍数为20倍，可以保障电机驱动子模块84得到的至少一个目标驱动电压信号，可以驱动电机驱动可伸缩光纤丝杠85中的电机，使得电机驱动可伸缩光纤丝杠85可以正常工作。

根据本发明的实施例，环境噪声电压信号在依次经过电压比较器81、单片机控制器82、数模转换器83进行处理，得到至少一个初始驱动电压信号后，电机驱动子模块84通过将至少一个初始驱动电压信号分别放大20倍，得到至少一个目标驱动电压信号，以使至少一个目标驱动电压信号可以驱动电机驱动可伸缩光纤丝杠85内的电机，使得电机左右移动以拉伸/压缩缠绕在驱动电机驱动可伸缩光纤丝杠85上的参考光纤，由于弹光效应使得参考光的相位发生改变，以使调节后的参考光的相位中增加第三频率相位，实现对参考光的相位的低频调制，在利用第二耦合器4将超声调制光和经过压电陶瓷光相位调制器与低频噪声抑制模块共同调制相位频率后的参考光进行干涉后，可以实现抑制环境噪声信号中的低频信号对光纤传感***的影响，即抵消为交流电压信号带来的相位偏移。

根据本发明的实施例，电机驱动可伸缩光纤丝杠85可以实现对环境噪声信号中的低频噪声信号的抑制，例如对0至10Hz的低频噪声信号的抑制。电机驱动可伸缩光纤丝杠85具有控制简单、可调节范围大等特点，可以用来弥补压电陶瓷光相位调制器7中的压电陶瓷对于低频激励响应差的问题。

根据本发明的实施例，预定电压包括第一预定电压和第二预定电压，第一预定电压小于第二预定电压。

根据本发明的实施例，第一预定电压可以为-2V，第二预定电压可以为2V。

根据本发明的实施例，以第一预定电压为-2V，第二预定电压为2V为相位调制过程中的环境噪声电压信号的阈值，可以使对超声调制光和经过压电陶瓷光相位调制器7与低频噪声抑制模块8共同调制相位频率后的参考光进行干涉，并对第一干涉光和第二干涉光进行光电转换及低通滤波后，得到稳定在-2V到2V的环境噪声电压信号，进而得到工作在正交工作点的稳定的光纤传感***。

如图1所示，电压比较器81还用于通过以下操作实现将环境噪声电压信号与预定电压进行比较，并输出与预定电压对应的二进制信号：

在环境噪声电压信号大于第二预定电压的情况下，输出第一二进制信号；

在环境噪声电压信号小于第一预定电压的情况下，输出第二二进制信号；

在环境噪声电压信号大于等于第一预定电压且小于等于第二预定电压的情况下，输出第三二进制信号。

根据本发明的实施例，在环境噪声电压信号大于等于第一预定电压且小于等于第二预定电压的情况下，表征环境噪声电压信号对本发明实施例提供的气体绝缘开关设备局部放电的光纤传感***影响较小，此时本发明实施例提供的气体绝缘开关设备局部放电的光纤传感***较稳定且工作在灵敏区域。

根据本发明的实施例，第一二进制信号、第二二进制信号和第三二进制信号可以根据实际情况进行选择，在此不做限定。例如，第一二进制信号可以为01，第二二进制信号可以为10，第三二进制信号可以为00。

根据本发明的实施例，通过在环境噪声电压信号大于第二预定电压的情况下，输出第一二进制信号；在环境噪声电压信号小于第一预定电压的情况下，输出第二二进制信号；在环境噪声电压信号大于等于第一预定电压且小于等于第二预定电压的情况下，输出第三二进制信号，可以实现根据环境噪声电压信号与第二预定电压之间的关系，输出不同的二进制信号，进而后续可以根据不同的二进制信号控制压电陶瓷光相位调制器7和低频噪声抑制模块8对参考光的相位的调控方向。

根据本发明的实施例，单片机控制器82还用于通过以下操作实现根据二进制信号，以第三预定频率输出至少一个八位的二进制数：

在二进制信号为第一二进制信号的情况下，以第三预定频率依次输出与第一数值范围包括的至少一个数值分别对应的八位二进制数；

在二进制信号为第二二进制信号的情况下，以第三预定频率依次输出与第二数值范围包括的至少一个数值分别对应的八位二进制数；

在二进制信号为第三二进制信号的情况下，以第三预定频率输出与第三数值范围包括的至少一个数值分别对应的八位二进制数。

根据本发明的实施例，第一数值范围可以为从0到120 的数值范围，其中，第一数值范围包括0和120。第二数值范围可以为从120到0的数值范围，其中，第二数值范围包括0和120。第三数值范围可以为0。

图2示出了根据本发明实施例的控制单片机控制器输出与预定电压对应的二进制信号的流程图。

如图2所示，在步骤S210，接收环境噪声电压信号。

在步骤S220，判断环境噪声电压信号是否大于2V或者小于-2V。

在环境噪声电压信号大于2V的情况下，在步骤S221，以1个/1us的频率依次输出从0至120的八位二进制数。

在环境噪声电压信号小于-2V的情况下，在步骤S222，以1个/1us的频率依次输出从120至0的八位二进制数。

在环境噪声电压信号大于等于-2V小于等于2V的情况下，在步骤S223，以1个/1us的频率输出与0对应的八位二进制数。

在输出所有二进制数的情况下，在步骤S230，执行结束语句。

根据本发明的实施例，通过在二进制信号为第一二进制信号的情况下，以第三预定频率依次输出与第一数值范围包括的至少一个数值分别对应的八位二进制数；在二进制信号为第二二进制信号的情况下，以第三预定频率依次输出与第二数值范围包括的至少一个数值分别对应的八位二进制数；在二进制信号为第三二进制信号的情况下，以第三预定频率输出与第三数值范围包括的至少一个数值分别对应的八位二进制数，实现按照与第一二进制信号、第二二进制信号和第三二进制信号分别对应的相位调控方向，根据第三预定频率，控制压电陶瓷光相位调制器7和低频噪声抑制模块8对参考光的相位频率及相位方向进行相对应的调控。

根据本发明的实施例，数模转换器83还用于通过以下操作实现将至少一个八位的二进制数分别转换为初始驱动电压信号，得到至少一个初始驱动电压信号：

将至少一个八位的二进制数线性映射到数值大小在第四数值范围内的驱动电压信号，得到至少一个初始驱动电压信号，其中，至少一个八位的二进制数中的最大值与第四数值范围中的最大值相对应，至少一个八位的二进制数中的最小值与第四数值范围中的最小值相对应。

根据本发明的实施例，第四数值范围可以根据实际情况进行选择，在此不做限定。

例如，第四数值范围可以为大于等于0.1V小于等于6.1V的数值范围。第四数值范围还可以为大于等于0V小于等于6V的数值范围。

例如，可以将与0至120的数值分别对应的八位的二进制数线性映射到0V至6V的驱动电压信号上，其中，数值0与0V的驱动电压信号相对应，数值120与6V的驱动电压相对应。或者可以将与0至120的数值分别对应的八位的二进制数线性映射到0.1V至6.1V的驱动电压信号上，其中，数值0与0.1V的驱动电压信号相对应，数值120与6.1V的驱动电压相对应。

同理，可以将与120至0的数值分别对应的八位的二进制数线性映射到6V至0V的驱动电压信号上。或者将与120至0的数值分别对应的八位的二进制数线性映射到6.1V至0.1V的驱动电压信号上。

根据本发明的实施例，通过将至少一个八位的二进制数线性映射到数值大小在第四数值范围内的驱动电压信号，得到至少一个初始驱动电压信号，为根据初始驱动电压信号驱动电机驱动可伸缩光纤丝杠85的电机做准备。

根据本发明的实施例，将光纤传感***中除光纤传感器3以外的各个器件及模块使用5mm厚的铝板进行封装处理，光纤传感器3为环氧树脂封装的直径为5厘米的圆柱形光纤传感器。

根据本发明的实施例，GIS的现场运行环境复杂，特别是在GIS所在变电站的电压等级高，设备复杂，接线极多等因素，会给电学传感***带来强烈干扰，而本发明实施例提供的光纤传感***中为光学传感***，有效的避免了电磁干扰问题。同时，将图1中的光纤传感***中除光纤传感器3以外的各个器件及模块使用5mm厚的铝板进行封装处理，光纤传感***中的所有用于在外部环境中传输信号的线均采用光纤传输，并根据测量需要设计内置供电模块，采用电池供电，实现了电磁屏蔽。

根据本发明的实施例，考虑到不同变电站的电压等级和外径尺寸的多样性，光纤传感器3可以选择环氧树脂封装的直径为5厘米的圆柱形光纤传感器，该尺寸适用于所有现有的GIS设备，确保了光纤传感器3的通用性和广泛适用性。且选择环氧树脂作为传感器材料，能够实现有效绝缘，进一步保证了光纤传感***的安全性。

根据本发明的实施例，本发明实施例提供的光纤传感***的操作步骤为：将图1中的各个电控制器件接通电源，使各个器件处于工作状态。然后将高灵敏度的光纤传感器3安装在需要检测的GIS腔体上且接触面抹上了超声耦合剂。打开激光器1使激光输出，利用该激光对GIS局部放电进行检测。

需要说明的是，本发明实施例中的流程图所示的操作除非明确说明不同操作之间存在执行的先后顺序，或者不同操作在技术实现上存在执行的先后顺序，否则，多个操作之间的执行顺序可以不分先后，多个操作也可以同时执行。

附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解，方框图和/或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种检测气体绝缘开关设备局部放电的光纤传感***，其特征在于，包括：

激光器，用于发射预定波长的激光；

第一耦合器，用于将所述激光分为功率相同的检测光和参考光；

光纤传感器，用于利用所述检测光对绝缘开关设备局部放电产生的超声信号进行检测，得到超声调制光；

第二耦合器，用于对所述超声调制光和经过压电陶瓷光相位调制器与低频噪声抑制模块共同调制相位频率后的参考光进行干涉，并将干涉得到的干涉光分为功率相同的第一干涉光和第二干涉光；

平衡光电探测器，用于对所述第一干涉光和所述第二干涉光进行光电转换，得到与所述超声信号对应的交流电压信号，以使所述光纤传感***根据所述交流电压信号，得到所述超声信号；

噪声反馈模块，用于对所述交流电压信号进行第一预定频率的滤波，得到环境噪声电压信号，其中，所述环境噪声电压信号表征与所述绝缘开关设备所处环境中的噪声信号对应的电压信号；

压电陶瓷光相位调制器，接入用于传输所述参考光的参考光纤中，根据所述环境噪声电压信号，对所述参考光的相位进行第一调制，使经过第一调制的参考光的相位中增加第一频率相位，其中，所述第一频率相位表征与第二频率相位的幅值及频率相同且传播方向相反的相位，所述第二频率相位表征大于等于第二预定频率且小于等于第一预定频率的环境噪声使所述检测光的相位增加的相位量，其中，所述第一预定频率为10kHz，所述第二预定频率为10Hz；

低频噪声抑制模块，接入用于传输所述参考光的参考光纤中，根据所述环境噪声电压信号，对所述参考光的相位进行第二调制，使经过第二调制的所述参考光的相位中增加第三频率相位，其中，所述第三频率相位与第四频率相位的频率相同及传播方向相反，所述第三频率相位是根据所述第四频率相位和预定相位确定的，所述第四频率相位表征小于第二预定频率的环境噪声使所述检测光的相位增加的相位量；

所述低频噪声抑制模块包括：

电压比较器，用于将所述环境噪声电压信号与预定电压进行比较，并输出与所述预定电压对应的二进制信号；

单片机控制器，用于根据所述二进制信号，以第三预定频率输出至少一个八位的二进制数；

数模转换器，用于将所述至少一个八位的二进制数分别转换为初始驱动电压信号，得到至少一个初始驱动电压信号；

电机驱动子模块，用于将所述至少一个初始驱动电压信号分别放大预定倍数，得到至少一个目标驱动电压信号；

电机驱动可伸缩光纤丝杠，接入用于传输所述参考光的参考光纤中，用于根据所述至少一个目标驱动电压信号，对所述参考光纤的长度进行调节，以使调节后的所述参考光的相位中增加所述第三频率相位。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述预定电压包括第一预定电压和第二预定电压，第一预定电压小于第二预定电压，所述电压比较器还用于通过以下操作实现所述将所述环境噪声电压信号与预定电压进行比较，并输出与所述预定电压对应的二进制信号：

在所述环境噪声电压信号大于第二预定电压的情况下，输出第一二进制信号；

在所述环境噪声电压信号小于第一预定电压的情况下，输出第二二进制信号；

在所述环境噪声电压信号大于等于所述第一预定电压且小于等于第二预定电压的情况下，输出第三二进制信号。

3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述单片机控制器还用于通过以下操作实现所述根据所述二进制信号，以第三预定频率输出至少一个八位的二进制数：

在所述二进制信号为第一二进制信号的情况下，以第三预定频率依次输出与第一数值范围包括的至少一个数值分别对应的八位二进制数；

在所述二进制信号为第二二进制信号的情况下，以第三预定频率依次输出与第二数值范围包括的至少一个数值分别对应的八位二进制数；

在所述二进制信号为第三二进制信号的情况下，以第三预定频率输出与第三数值范围包括的至少一个数值分别对应的八位二进制数。

4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述数模转换器还用于通过以下操作实现所述将所述至少一个八位的二进制数分别转换为初始驱动电压信号，得到至少一个初始驱动电压信号：

将所述至少一个八位的二进制数线性映射到数值大小在第四数值范围内的驱动电压信号，得到至少一个初始驱动电压信号，其中，所述至少一个八位的二进制数中的最大值与所述第四数值范围中的最大值相对应，所述至少一个八位的二进制数中的最小值与所述第四数值范围中的最小值相对应。

5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，噪声反馈模块包括：

低通滤波器，用于对所述交流电压信号进行第一预定频率的低通滤波，得到初始环境噪声电压信号；

积分器，用于对所述初始环境噪声电压信号进行累加处理，得到截止频率为所述第一预定频率的所述环境噪声电压信号。

6.根据权利要求2至4任一项所述的***，其特征在于，所述第一预定电压为-2V，所述第二预定电压为2V。

7.根据权利要求1至4任一项所述的***，其特征在于，所述预定倍数为20倍，所述第三预定频率为1个/1us。

8.根据权利要求1至5任一项所述的***，其特征在于，将所述光纤传感***中除所述光纤传感器以外的各个器件及模块使用5mm厚的铝板进行封装处理，所述光纤传感器为环氧树脂封装的直径为5厘米的圆柱形光纤传感器。