基于全光纖技術(shù)的電纜故障運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)

高昇宇 王春寧 顧承陽

（國網(wǎng)南京供電公司，南京 210000）

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基于全光纖技術(shù)的電纜故障運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)

高昇宇 王春寧 顧承陽

（國網(wǎng)南京供電公司，南京 210000）

在當(dāng)前的社會(huì)當(dāng)中，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，都取得了較大的進(jìn)步。其中，電纜作為一種重要的傳輸載體，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用和意義。而在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，電纜由于受到各種原因的影響，很容易發(fā)生各種故障，進(jìn)而造成一系列的不良影響?；诖?，應(yīng)當(dāng)對(duì)基于全光纖技術(shù)的電纜故障運(yùn)行監(jiān)測進(jìn)行研究和應(yīng)用，從而確保電纜良好的質(zhì)量和狀態(tài)。

全光纖技術(shù)；電纜故障；運(yùn)行監(jiān)測

在電力傳輸?shù)阮I(lǐng)域當(dāng)中，電纜是最為重要的載體之一，而在其實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，由于受到洪水、地基沉降、塌方、滑坡等自然災(zāi)害，或是盜竊、施工挖斷等人為因素的影響，就很容易損壞電纜，造成線路故障，對(duì)電網(wǎng)建設(shè)效能產(chǎn)生不良的影響。所以，在電纜的日常應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)采用基于全光纖技術(shù)的電纜故障運(yùn)行監(jiān)測，對(duì)電纜的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行定位、預(yù)警和監(jiān)控，從而使電纜維護(hù)人員能夠更加高效的采取防護(hù)措施。

1 光纖傳感原理

在光纖當(dāng)中，光的傳輸能夠?qū)笙蛏⑸湫盘?hào) 1進(jìn)行產(chǎn)生，因此，分布式光纖傳感技術(shù)能夠?qū)Υ思右岳茫⑦\(yùn)用光時(shí)域反射技術(shù)，對(duì)溫度等參量的分布信息進(jìn)行獲取。在光纖當(dāng)中，如果對(duì)一定能量泵浦光進(jìn)行注入，在纖芯分子、入射光子之間，將會(huì)產(chǎn)生相互的作用，因此，在纖芯的成分起伏、微光密度等方面變化的影響，就會(huì)發(fā)生多種散射現(xiàn)象。而在系統(tǒng)當(dāng)中，注入光纖的光脈沖寬度，將會(huì)對(duì)系統(tǒng)空間分辨能力產(chǎn)生直接的影響。

圖1　光纖傳感原理圖

2 全光纖傳感技術(shù)電纜健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

在系統(tǒng)當(dāng)中，主要包括了3個(gè)子系統(tǒng)，分別是信息網(wǎng)絡(luò)化綜合平臺(tái)、電纜線路分布式光纖防盜預(yù)警檢測模塊、以及電纜分布式光線載流量/溫度安全監(jiān)測模塊等。其中，第1部分主要包括系統(tǒng)展示、控制模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等。其能夠?qū)β?lián)動(dòng)控制裝置、采集設(shè)備、電纜防盜系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)等進(jìn)行集中的控制與連接。基于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，平臺(tái)能夠?qū)ο鄳?yīng)的標(biāo)準(zhǔn)硬件平臺(tái)進(jìn)行選擇。在第2個(gè)部分當(dāng)中，包含了傳感光纜、主機(jī)等設(shè)備。在第3個(gè)部分當(dāng)中，主要應(yīng)用了光纖、電纜、主機(jī)等部分。其中具有5ns的光脈沖寬度，具有0.5m的理論空間分辨力，而實(shí)測空間分辨力則在1m以下。在系統(tǒng)當(dāng)中，協(xié)議、串口、網(wǎng)絡(luò)存在于各個(gè)子系統(tǒng)之間，能夠?qū)κ录M(jìn)行智能化處理。具有良好的前瞻性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、可靠性、簡約性等優(yōu)勢。

3 處理流程

在電力電纜狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中，全光纖傳感技術(shù)能夠?qū)Π踩婪?、火?zāi)報(bào)警、溫度監(jiān)測等功能加以實(shí)現(xiàn)。在其子系統(tǒng)當(dāng)中，基于網(wǎng)絡(luò)化綜合平臺(tái)，還能夠形成完善、有機(jī)的一個(gè)整體，并且無縫連接各個(gè)子系統(tǒng)。在過去的安全防范系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、溫度監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中，相互之間是獨(dú)立的，需要利用繼電器和聯(lián)動(dòng)設(shè)備才能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動(dòng)，并且需要進(jìn)行復(fù)雜的連線，一旦某個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生問題，就無法實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。而在該系統(tǒng)當(dāng)中，協(xié)議、串口、網(wǎng)絡(luò)都存在于各個(gè)子系統(tǒng)之間，在兩芯屏蔽線的連接下，就能夠聯(lián)動(dòng)監(jiān)控、報(bào)警等功能，并且對(duì)事件進(jìn)行智能化的處理。

圖2　系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

4 技術(shù)方法

4.1軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

在軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，信息網(wǎng)蘆花綜合平臺(tái)，在總控中心當(dāng)中，能夠?qū)ΡO(jiān)控控制功能、信息資料調(diào)看等功能加以實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)面向隊(duì)形模塊化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而對(duì)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、靈活性、穩(wěn)定性等進(jìn)行了提升。系統(tǒng)在總控中心當(dāng)中，能夠按照管理、功能等方面的需要，在專用內(nèi)部以太網(wǎng)當(dāng)中，對(duì)管理平臺(tái)、綜合平臺(tái)等進(jìn)行接入，聯(lián)合現(xiàn)場安防子系統(tǒng)，形成完整的安全保障網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在管理員的計(jì)算機(jī)當(dāng)中，影帶那個(gè)對(duì)專用電子版地圖客戶端進(jìn)行安裝，形成網(wǎng)絡(luò)客戶端系統(tǒng)。在總控中心當(dāng)中，對(duì)權(quán)限進(jìn)行分配，根據(jù)不同的權(quán)限，對(duì)不同范圍的前端監(jiān)控設(shè)備信息進(jìn)行調(diào)看。

同時(shí)，可以設(shè)置和操作相關(guān)的安全監(jiān)測子系統(tǒng)主機(jī)。在信息網(wǎng)絡(luò)化綜合平臺(tái)當(dāng)中，基于面向服務(wù)的架構(gòu)，對(duì)分層松耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)用，融合了數(shù)據(jù)應(yīng)用層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)接入層等，并且可以靈活的替換、擴(kuò)展各層功能。統(tǒng)一對(duì)數(shù)據(jù)接入進(jìn)行管理，物力接入方式為訪問層屏蔽底層。這樣，平臺(tái)能夠?qū)Σ煌囊?guī)約方式進(jìn)行接入，并且將統(tǒng)一的調(diào)用方式、數(shù)據(jù)表達(dá)等提供給上層應(yīng)用。對(duì)多級(jí)數(shù)據(jù)傳輸和通信模式進(jìn)行了應(yīng)用，在主站、子站、設(shè)備之間，能夠進(jìn)行多機(jī)數(shù)據(jù)傳輸，從而集中監(jiān)控相應(yīng)設(shè)備。

4.2防盜預(yù)警監(jiān)測

在防盜預(yù)警監(jiān)測模塊當(dāng)中，對(duì)光時(shí)域反射技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用。在光纖當(dāng)中，廣播會(huì)在傳輸時(shí)產(chǎn)生背向散射，例如瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射等，其中具有最大光強(qiáng)度、并且散射光波長不發(fā)生變化的就是瑞利散射。在光纖背向散射當(dāng)中，主要引起散射光的原因在于不均勻的傳輸介質(zhì)，其中沿著光路傳輸反方向，會(huì)有一部分光返回發(fā)射端。根據(jù)這種規(guī)律，可以利用光時(shí)域反射儀進(jìn)行測量。在防盜預(yù)警監(jiān)測模塊中，和光時(shí)域反射計(jì)相似，從光纖一端將光脈沖注入，對(duì)后向瑞利散射光利用光探測器進(jìn)行探測。而通常會(huì)注入高度相干的光在光纖當(dāng)中，所以，在脈沖寬度區(qū)域當(dāng)中，反射瑞利散射光相干干涉的結(jié)果，就是傳感系統(tǒng)的輸出。在頂衛(wèi)星全光纖周界安防系統(tǒng)中，對(duì)接收信號(hào)、注入脈沖之間的時(shí)間延遲進(jìn)行測量，從而對(duì)擾動(dòng)位置進(jìn)行掌握。

圖3　防盜預(yù)警監(jiān)測模塊

4.3載流量/溫度安全監(jiān)測

在該監(jiān)測模塊當(dāng)中，包含了電流記錄儀、載流量軟件、感溫光纜、光纖溫度傳感器等。其中，對(duì)電纜全線溫度，克利用分布式光纖溫度傳感器，進(jìn)行實(shí)時(shí)在線周期性的監(jiān)測，重點(diǎn)監(jiān)測可能發(fā)生故障的電纜接頭。在該技術(shù)當(dāng)中，傳感器采用了光纖，在被測物體表面，直接對(duì)光纖進(jìn)行敷設(shè)。基于特定環(huán)境，通過光波的形式，向光纖端部回傳相應(yīng)的溫度信號(hào)。在該技術(shù)當(dāng)中，對(duì)于點(diǎn)式設(shè)備或極長的線型設(shè)備，可以利用一根或幾根光纖實(shí)現(xiàn)監(jiān)測。在拉曼分布式光纖溫度傳感器當(dāng)中，可以對(duì)傳輸信號(hào)、光纖感測信號(hào)等，同時(shí)進(jìn)行應(yīng)用，利用拉曼散射光溫度敏感性，以及OTDR技術(shù)，能夠?qū)饫w不同位置的溫度情況進(jìn)行探測，從而實(shí)現(xiàn)分布式測量的要求。

在光纖當(dāng)中，注入一定能量泵浦光，光線散射點(diǎn)溫度調(diào)制，會(huì)對(duì)拉曼散射光產(chǎn)生影響，背向散射拉曼光在A/D轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換、光學(xué)濾波之后，在信號(hào)處理系統(tǒng)當(dāng)中，能夠顯示溫度信息。對(duì)于溫度場空間信息，可以利用背向散射光回波時(shí)間、光纖中光的傳輸速度加以定位。利用在流量監(jiān)控軟件，能夠?qū)κ┘迂?fù)載電流的電纜表面溫度進(jìn)行測量，從而得到電纜導(dǎo)體的溫度，并對(duì)現(xiàn)場電纜運(yùn)行中，是否超過了允許的最高工作溫度。通過這種方式，能夠?qū)﹄娎|的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，并對(duì)負(fù)荷電流進(jìn)行調(diào)整，更為有效的監(jiān)控電纜運(yùn)行。利用載流量/溫度監(jiān)測系統(tǒng)、電流記錄儀等，能夠?qū)﹄娎|表面溫度信號(hào)、負(fù)荷電流信號(hào)等進(jìn)行采集，并向計(jì)算機(jī)進(jìn)行傳輸，通過對(duì)電纜導(dǎo)體溫度的計(jì)算，對(duì)電纜載流能力進(jìn)行判斷。

5 測試結(jié)果

在基于全光纖技術(shù)的電纜故障運(yùn)行監(jiān)測當(dāng)中，實(shí)際測試了系統(tǒng)的運(yùn)行情況。在實(shí)際測試當(dāng)中，采用了 20km的光纖電力電纜，在測試過程當(dāng)中，對(duì)測試點(diǎn)的位置進(jìn)行不斷的更改，對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測的振動(dòng)異常、載流量異常、溫度異常等情況，能夠自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警，并對(duì)發(fā)生異常情況的位置進(jìn)行明確。在基于全光纖技術(shù)的電纜故障運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中，可能夠采取圖文結(jié)合的方式，對(duì)被測點(diǎn)的警報(bào)信息、電壓、時(shí)間、位置等進(jìn)行顯示。在載流量和溫度安全監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中，對(duì)空間分辨能力進(jìn)行了測試。根據(jù)結(jié)果能夠得知，在穩(wěn)定的光纖溫度之下，利用水銀溫度計(jì)，對(duì)電纜測試點(diǎn)暫態(tài)溫度進(jìn)行測量，并且對(duì)比分布式實(shí)時(shí)測量的溫度，從而對(duì)系統(tǒng)的溫度計(jì)量精度進(jìn)行了解。加熱光纖中的一個(gè)相鄰的位置，并對(duì)溫度進(jìn)行測量，同時(shí)測量兩個(gè)位置之間的距離，對(duì)比分布式實(shí)時(shí)測量結(jié)果，從而對(duì)系統(tǒng)的空間分辨能力進(jìn)行獲取。在電纜的測試當(dāng)中，采用不同的光纖位置對(duì)不同的電流強(qiáng)度進(jìn)行傳輸，利用載流量和溫度測量子系統(tǒng)和電流記錄儀，對(duì)電纜中的溫度信號(hào)、負(fù)荷電流等進(jìn)行采集和測量。在電纜線路遭受到盜竊破壞等情況的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生不同的振動(dòng)波形圖，能夠被系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測。沿著電纜線路，對(duì)整條光纜進(jìn)行敷設(shè)，然后利用瑞利散射信號(hào)的分布情況，對(duì)瑞利曲線圖進(jìn)行獲取。其中，光纜的位置作為曲線圖的橫坐標(biāo)，瑞利散射的信號(hào)電壓幅度作為曲線圖的縱坐標(biāo)。在區(qū)段位置27900m到27950m的位置，獲取光纜遭受盜竊破壞的時(shí)候所產(chǎn)生的振動(dòng)波形曲線，以及振動(dòng)背景噪聲波形等。將振動(dòng)信號(hào)電壓幅度設(shè)定為縱坐標(biāo)，將時(shí)間設(shè)定為橫坐標(biāo)。根據(jù)觀察能夠得知，如果被測點(diǎn)位置只具有0.01V以下的振動(dòng)背景噪聲幅度，則說明電纜情況正常。如果被測點(diǎn)位置產(chǎn)生了超過0.02V以上的振動(dòng)信號(hào)幅度，則可能遭受到了盜竊破壞。因此，系統(tǒng)共過分析對(duì)比光纜偷盜圖譜，就能夠?qū)ν当I事件進(jìn)行識(shí)別。

6 結(jié)論

電纜作為一種十分重要的電力傳輸承載體，在很多領(lǐng)域當(dāng)中都有著十分重要的作用。而在電纜的實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，由于受到各種原因的影響，可能會(huì)發(fā)生運(yùn)行故障，或是遭受到破壞等。因此，利用基于全光纖技術(shù)的電纜故障運(yùn)行監(jiān)測，能夠更好的監(jiān)測和識(shí)別電纜的運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜出現(xiàn)的問題，從而確保電纜良好的運(yùn)行狀態(tài)。

［1］李志平，施衛(wèi)華. 高壓電纜及電纜隧道環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用［J］. 昆明冶金高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2012，28（5）：32-36.

［2］楊斌，田杰，江健武，等. 基于全光纖傳感技術(shù)的電纜健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究［J］. 光學(xué)儀器，2012，34（6）：71-75.

［3］李永倩，趙麗娟，楊志，等. 基于BOTDR的海纜3D立體監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2014，35（5）：1029-1036.

［4］白晗，張勁松，鄒明賀，等. 電纜線路實(shí)時(shí)在線三維監(jiān)測管理系統(tǒng)實(shí)施及應(yīng)用［J］. 東北電力技術(shù)，2014，35（7）：48-52.

［5］周遠(yuǎn)翔，劉睿，張?jiān)葡觯? 高壓/超高壓電力電纜關(guān)鍵技術(shù)分析及展望［J］. 電工文摘，2014，9（6）：1-14.

［6］吳飛龍，徐杰，鄭小莉，等. 光纖傳感技術(shù)在海底電纜監(jiān)測中的研究及應(yīng)用［J］. 電力信息與通信技術(shù)，2016（3）：72-76.

［7］張海龍，關(guān)偉民，關(guān)根志. 基于 ART2A-E的交叉互聯(lián) XLPE電纜絕緣在線診斷技術(shù)研究［J］. 高壓電器，2010，46（9）：48-52.

［8］樂堅(jiān)浩，梅沁，李祥珍. 光纖復(fù)合低壓電纜（OPLC）和光纖復(fù)合相線（OPPC）故障診斷與在線監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］. 信息通信，2013（1）：7-9.

江蘇省電力公司科技項(xiàng)目資助（J2015055）