Simultaneous distributed acoustic and temperature sensing for early detection and localization of tracking phenomena in polymeric insulators
本文提出了一种新型分布式光纤传感框架，该框架通过同时监测声学和热学特征，实现对高压条件下聚合物绝缘子表面追踪退化的早期检测、连续跟踪及精确定位。
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高压输电线横跨大地，将电力输送到遥远的距离。为了确保能量安全流动，这些线路由绝缘子支撑，绝缘子通常由耐用的聚合物材料制成，能够抵御天气和污染。然而，随着时间的推移，这些绝缘子可能会开始失效。当污垢和水分沉积在表面时，微小的电火花会跳过材料。这些火花不仅仅是无害的闪烁；它们会产生热量并形成碳痕，缓慢地侵蚀绝缘子。如果任其发展，这种被称为“爬电”的过程会导致完全的击穿，从而引发停电甚至火灾。工程师面临的挑战始终是如何在这些缓慢且隐蔽的损伤演变成灾难性故障之前发现它们。传统方法通常依赖于检查特定点或寻找可见迹象，但这些方法难以持续监测整条输电线路，也难以观察到问题在最早期、最细微阶段的发展过程。
印度理工学院马德拉斯分校的研究人员开发了一种监测这些绝缘子的新方法，利用一根标准的单股玻璃纤维，作为贯穿整个设备长度的连续、敏感的“耳朵”和“温度计”。他们没有安装数十个独立的传感器，而是将一根标准光纤缠绕在测试装置周围，利用它来倾听电火花的微弱声音，并感受由损伤引起的细微升温。这种方法使他们能够精确观察问题的起始位置及其增长过程，将光纤本身变成了一条长而连续的虚拟传感器线。通过同时“听”和“感觉”，团队能够在绝缘子面临失效危险之前，捕捉到最初的故障征兆。
在实验中，研究小组对聚合物绝缘子样本进行了严格测试，旨在通过短短几小时模拟数年的磨损。他们施加高压，并在绝缘子表面流过导电盐溶液，以诱发电火花的形成。随着绝缘子开始退化，光纤系统记录下了一切。它捕捉到了第一个微小火花出现的瞬间、表面干燥区域形成时的短暂停顿，以及最终形成明亮电弧点（标志着严重损伤）的过程。该系统记录了1,750次此类放电事件，追踪了从单个火花到形成无法阻挡电流的永久性碳化路径的全过程。
之所以能实现这种检测，是因为能够从实验室的背景噪声中分辨出火花的特定声音。电放电产生了一种独特的声学特征，即一种中心频率在14.8千赫兹左右的尖锐高频声。研究人员使用了一种特殊的信号处理技术来过滤环境中的低频轰鸣声，使这些尖锐的瞬态声音脱颖而出。这使他们能够精准定位火花发生的时刻和位置。他们通过将声学信号与流经绝缘子的电流测量值进行对比，证实了检测的准确性。两者的时机完美匹配：每当电流出现峰值时，光纤都能听到相应的声学脉冲。此外，通过改变火花与光纤之间的距离，他们证明了声音是通过空气传播到达传感器的，从而证实了该系统确实是在“倾听”放电现象，而非仅仅拾取随机振动。
如果说声学传感器是一个快速的“听者”，捕捉即时的火花，那么系统的第二部分则扮演了一个缓慢而稳定的“温度计”。这部分光纤测量沿线的温度，探测由于火花在同一位置持续存在而导致的逐渐热量积聚。研究人员发现，声学活动最剧烈的区域，正是温度开始上升的位置。这种双重视角提供了一个完整的图景：声学数据展示了电放电快速、剧烈的特性，而温度数据则揭示了导致永久失效的缓慢、累积性的损伤。两者结合在一起，提供了一个单一方法无法提供的关于绝缘子健康状况的全方位视图。
这项研究表明，这种结合的方法可以定位单根光纤上的多个问题，并区分不同阶段的损伤。不同于那些可能仅告知工程师线路某处存在问题的旧方法，该系统可以识别故障的具体位置。它还不受经常干扰传统电子传感器的电磁干扰影响，非常适合噪声较大的高压变电站环境。研究人员在长距离光纤上进行了测试，证明了该技术可以扩展到大规模监测，而无需安装新的专用传感网络。通过使用许多输电线路中已有的通信光纤，这种方法为保障电网安全提供了一种实用的、非侵入式的方式。研究结果表明，通过倾听绝缘子的声音并感知其热量，电力部门可以及早发现退化情况，从而在故障发生前进行维护，确保电力更可靠地流动。
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