基于光纤电流传感器的局部放电检测方法研究

本文提出将根据Faraday磁光效应原理研制的光纤电流传感器应用于局放检
测，以光信号为检测量，为局部放电光学检测方法奠定了基础。分析了不同类型
光纤电流传感器的特点，利用琼斯矩阵法对光纤电流传感器的偏振光系统进行研
究，给出了不同状态偏振光的归一化琼斯矢量，对本文涉及的光学器件推导了相
应的Jones矩阵，最终建立了光纤电流传感器的数学模型。

研制出有效带宽为300 MHz的全光纤结构光纤电流传感器，设计了相关的
信号处理电路；采用双螺线管结构提高传感器灵敏度，螺线管形状的通电导体和
光路之间的相对位置关系发生变化不会影响检测结果；分析了它的频率响应特
性、抗干扰特性和光路损耗特性，与传统光纤电流传感器相比，该检测系统频率
响应范围宽，灵敏度高。当传感器采用全光纤闭合结构光路设计并满足安培环路
定律时，其抗电磁干扰性能最优。

介绍了线性双折射特性和产生的各种原因；分析了线性双折射对于系统的影
响，认为线性双折射是光纤电流传感器检测中影响系统测量误差的主要因素，随
着线性双折射的增加，系统灵敏度下降，如果系统没有线性双折射，则其它误差
源的影响将容易预测和处理，并探讨了消除线性双折射的可行措施。
建立了局部放电实验系统及尖板放电、板板放电、内部放电、沿面放电和悬
浮放电五种典型局放模型，通过本文研制的光纤电流传感器采集了各种局部放电
信号，实验结果说明在强干扰环境下与其他方法相比较，基于光纤电流传感器的
局部放电检测具有抗干扰能力强、绝缘特性好和响应速度快等特点。
恰当地提取特征参数是进行局部放电进行模式识别的关键环节，将光纤电流
传感器采集到的局部放电时域信号转换为三维时频谱图，全面表征了局放信号的
时间分量、频率分量和放电能量的分布，提取的特征参数同时反映了原始信号的
时频特征，各分量之间互不干扰，所以更加准确。

本文采用基于非线性理论的分形盒子维数和空缺率描述复杂的时频表面，提
取出局部放电三维时频谱图的时频特征参数，以描述时频谱图峰值处的陡度和下
降沿的变化趋势，简化了特征向量的维数。基于时频分析方法的分形理论和BP
神经网络可有效识别不同类型的局部放电，证明光纤电流传感器可用于局部放电
检测和故障诊断。