一种基于NV色心阵列的海底电缆漏电流测量系统及方法与流程

本发明属于电力领域，尤其涉及一种基于nv色心阵列的海底电缆漏电流测量系统及方法。

背景技术：

1、海底高压电缆是海洋油气开发、海岛供电、跨洋输电的核心装备，长期服役于深海高水压、强腐蚀、复杂力学载荷的恶劣环境。电缆绝缘层老化、机械破损、水树劣化等故障，易引发ma级以下微弱局部漏电流，该漏电流是诱发绝缘击穿、线路短路、供电中断，甚至造成海洋油污污染、电气安全事故的核心隐患。

2、相关技术中，海底电缆漏电流监测技术包括电学传感方式、光纤传感方式以及局部放电检测。然而，电学传感方式在电缆终端加装电流互感器、漏电保护器，仅能实现整缆漏电总量监测，无法定位故障位置，无分布式监测能力；光纤传感方式采用分布式光纤测温(dts)、布里渊光时域反射(botdr)技术，通过温度、应变变化间接推断漏电流，存在响应慢、灵敏度低、定位精度差(米级)的缺陷，无法识别微弱漏电流；局部放电检测采用高频电流互感器(hfct)、超高频(uhf)传感器，易受深海强电磁干扰，且无法实现长距离全分布式测量，多为离线抽检，无法满足实时在线监测需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明公开了一种基于nv色心阵列的海底电缆漏电流测量系统及方法，可以解决相关技术中存在的不足。

2、为实现上述目的，本发明公开技术方案如下：

3、根据本发明的第一方面，提出了一种基于nv色心阵列的海底电缆漏电流测量系统，包括内部设置有光纤导管的海底电缆、沿所述光纤导管长度方向分布式布设的nv色心阵列、激光光源、光纤环形器、微波辐射模块、荧光收集与探测模块以及信号处理与解算单元；

4、所述激光光源通过单模光纤与所述光纤环形器的输入端口连接，所述光纤环形器的双向端口与所述光纤导管连通，所述光纤环形器的输出端口与所述荧光收集与探测模块连接；

5、所述微波辐射模块紧贴所述nv色心阵列布设，用于输出微波信号调制nv色心能级；

6、所述荧光收集与探测模块的信号输出端与信号处理与解算单元电性连接；

7、所述信号处理与解算单元，用于解调光探测磁共振信号、解算三轴磁场分量及相位差、分布式定位并反演漏电流的大小与位置。

8、据本发明的第二方面，提出一种基于nv色心阵列的海底电缆漏电流测量方法，包括：

9、采集无漏电流状态下各nv色心传感单元的基准odmr谱线与三轴磁场相位差，并存储为参考基准；

10、通过激光光源输出脉冲激光，经光纤环形器注入光纤导管激发nv色心阵列，微波辐射模块输出扫频微波调制nv色心能级；荧光收集与探测模块采集nv色心辐射的荧光信号并转换为电信号传输至信号处理与解算单元；

11、对荧光信号进行odmr解调，计算各nv色心传感单元的三轴磁场分量，提取工频下三轴磁场分量的相位差；

12、将实时相位差与参考基准对比，若相位差差值超过预设阈值则判定存在漏电流；基于光时域反射原理确定故障nv色心传感单元的位置，结合相位差梯度插值得到漏电流精确位置；

13、根据轴向磁场分量幅值与标定系数，计算漏电流的大小，生成分布式漏电图谱并超限报警。

14、由以上技术方案可见，本发明公开的基于nv色心阵列的海底电缆漏电流测量系统及方法的有益效果：

15、一方面，根据配置的nv色心阵列与微波辐射模块，利用nv色心在室温下的量子特性，通过光探测磁共振技术直接感知漏电流产生的微弱磁场。这种直接的物理场测量方式，规避了中间变量的转换误差，使得系统能够识别ma级微弱漏电流，从而提升了测量的灵敏度。

16、另一方面，通过沿光纤导管长度方向分布式布设的nv色心阵列以及光纤环形器的连接架构，结合光时域反射原理，实现了对整根海底电缆的全覆盖扫描。通过测量激光脉冲在光纤中的往返时间，系统能够计算出每一个nv色心传感单元的空间位置，消除了监测盲区，解决了深海环境下漏电点难以精准定位的问题。

17、此外，nv色心阵列具备的三轴磁场测量能力以及信号处理与解算单元的配置，通过分析轴向、径向、切向三轴磁场分量的相位差来判定漏电流。由于无漏电流时轴向磁场分量为零，一旦产生漏电，相位差会发生特征性偏移。这种基于相位关系的判别逻辑，不依赖于磁场的绝对幅值，滤除了共模电磁噪声，提升了系统在深海强电磁环境下的抗干扰能力与可靠性。

1.一种基于nv色心阵列的海底电缆漏电流测量系统，其特征在于，包括内部设置有光纤导管的海底电缆、沿所述光纤导管长度方向分布式布设的nv色心阵列、激光光源、光纤环形器、微波辐射模块、荧光收集与探测模块以及信号处理与解算单元；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述nv色心阵列采用单模光纤制备，通过离子注入或飞秒激光写入技术沿光纤长度方向等间距布设nv色心传感单元，相邻传感单元间距为0.5m~2m，单个传感单元长度为1mm~5mm；所述nv色心传感单元具备轴向、径向、切向三轴正交磁场测量能力。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光光源为532nm波长固态激光器或半导体激光器，输出脉冲宽度10ns~100ns、重复频率1khz~1mhz的脉冲激光，或连续波激光。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微波辐射模块包括依次连接的微波信号发生器、微波放大器以及共面波导天线/微型线圈；所述微波信号发生器输出2.85ghz~2.89ghz的扫频微波信号。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述荧光收集与探测模块包括依次连接的长通滤波片与光电探测器，所述长通滤波片用于滤除532nm激发光、透过637nm~800nm荧光，所述光电探测器为雪崩光电二极管或光电倍增管。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号处理与解算单元基于fpga或dsp及嵌入式处理器实现，集成odmr信号解调模块、三轴磁场分量相位差分析模块、分布式定位模块、漏电流反演模块；

7.一种基于nv色心阵列的海底电缆漏电流测量方法，应用于权利要求1-6任一项所述的测量系统，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述计算各nv色心传感单元的三轴磁场分量，提取工频下三轴磁场分量的相位差，包括：

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述结合相位差梯度插值得到漏电流精确位置的计算公式为：

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，计算所述漏电流大小的公式为：