ADSS光纜電腐蝕故障的在線監(jiān)測(cè)方法

董源

【摘要】針對(duì)全介質(zhì)自承式（ADSS）光纜架設(shè)在輸電線路上會(huì)產(chǎn)生電腐蝕，阻礙通信系統(tǒng)的安全運(yùn)行的問題。本文基于Sagnac光纖干涉儀，提出一種光纜電腐蝕故障的在線監(jiān)測(cè)方法，通過對(duì)對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行解調(diào)來獲取干擾位置信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)電腐蝕故障的在線監(jiān)測(cè)。

【關(guān)鍵詞】電力通信；ADSS光纜；電腐蝕；光纖光柵傳感器

ADSS光纜是在電力通信中廣泛應(yīng)用于35kV及以上電壓等級(jí)的架空線路桿塔上的全介質(zhì)自承式的架空光纜，憑借其外徑尺寸小、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常在通信線路改造時(shí)被安裝在原有的輸電桿塔上。但當(dāng)桿塔強(qiáng)度、空間電位強(qiáng)度、與地面或交越物的間距關(guān)系失配，ADSS光纜就很容易出現(xiàn)各類故障，其中最主要的是電腐蝕故障，不僅阻礙著電力通信網(wǎng)的正常運(yùn)行，同時(shí)也威脅著電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。

1、電腐蝕故障的常見形式

電腐蝕故障主要三種常見形式為擊穿、電痕和腐蝕。擊穿指ADSS光纜表面發(fā)生巨能電弧并伴隨大量熱量，熔化護(hù)套邊緣并造成穿孔，燒斷紡綸使光纜強(qiáng)度急劇下降。電痕是指電弧在護(hù)套表面形成放射狀碳化通道，然后不斷加深，在張力的作用下開裂并露出紡綸。腐蝕故障指護(hù)套表面泄漏電流所產(chǎn)生的熱量，減弱聚合物的結(jié)合力，從而使護(hù)套表面粗糙、減薄。當(dāng)電腐蝕故障發(fā)生時(shí)，護(hù)套的聚合力會(huì)隨之減弱，一旦當(dāng)減弱至不足以維張力時(shí)便會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的斷纜事故，阻礙通信網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2、光纖Sagnac環(huán)的應(yīng)變效應(yīng)

Sagnac干涉效應(yīng)的原理為將光源發(fā)出的光經(jīng)分光器變成兩束，使其分別沿順、逆時(shí)針在干涉儀中傳播，并匯聚至耦合器處發(fā)生干涉。光纜受到應(yīng)力后會(huì)影響護(hù)套內(nèi)的光纖，使其發(fā)生細(xì)微的變化，從而改變受干擾位置處纖芯的折射率、長(zhǎng)度、散射效應(yīng)等物理特性。造成傳播在其中的光波相位差發(fā)生變化，并改變干涉后的接收光波功率，通過監(jiān)測(cè)相位、功率的變化可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部應(yīng)力的監(jiān)測(cè)。Sagnac干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖為：

耦合器的兩個(gè)端口分別連接一段ADSS光纜的其中兩芯，并在遠(yuǎn)端將這兩芯環(huán)接起來就構(gòu)成了一個(gè)Sagnac環(huán)。L1和L2為干涉儀的兩個(gè)傳感臂，耦合器負(fù)責(zé)聚合及分解光束。激光器發(fā)出的光源經(jīng)耦合器被分解后，分別沿順時(shí)針及逆時(shí)針方向傳播至耦合器處，再次匯合發(fā)生干涉。當(dāng)ADSS光纜未受到應(yīng)力干擾時(shí)，沿著順、逆時(shí)針傳播的光波干涉后相差恒定。

當(dāng)ADSS光纜處發(fā)生電腐蝕故障時(shí)，伴隨而來的應(yīng)力以及高溫灼燒作為一種干擾源，會(huì)透過護(hù)套改變光纖的長(zhǎng)度、折射率、散射效應(yīng)，從而改變光波的相位，從而使得光波帶有干擾源的位置信息。當(dāng)受影響的光波與未受影響的光波在耦合器處再次發(fā)生干涉，并經(jīng)光電探測(cè)儀接收后，便可解調(diào)受干擾源的光波從而獲得電腐蝕故障所發(fā)生的位置。

3、電腐蝕故障定位原理

已知光纜長(zhǎng)度為L(zhǎng)假設(shè)在光纖中傳播的信號(hào)遭受電腐蝕故障后發(fā)生的相位調(diào)制為，采用的耦合器。A和為擾動(dòng)引起的相位信號(hào)的幅度及角頻率，則Sagnac環(huán)中沿順、逆時(shí)針傳播的信號(hào)可以表達(dá)為：

4、電腐蝕故障的在線監(jiān)測(cè)

傳統(tǒng)的光時(shí)域反射儀（OTDR）是通過一個(gè)脈沖光源向連接被測(cè)光纖，在光脈沖的傳播過程中，有部分光會(huì)因?yàn)楣饫w長(zhǎng)度、折射率等細(xì)微的變化而發(fā)生向四周的散射，散射光向著光源方向反向傳播，便形成了后向散射光，后向散射光在耦合器處被光電檢測(cè)器捕捉并分析。利用光纖上的每一處位置都能由對(duì)應(yīng)的一個(gè)后向散射光表示，于是便可以通過信號(hào)處理器分析后向散射光的時(shí)延信息來確定光纖上干擾源的位置。值得注意的是，光脈沖所產(chǎn)生后向散射光光強(qiáng)極低，依靠OTDR能探測(cè)出光纜上發(fā)生例如斷纜或彎曲超過光纖極限的破壞性性故障，而檢測(cè)出光纜護(hù)套破壞但纖芯未受損的故障。

而Sagnac干涉儀通過分析干涉光波的時(shí)延便可獲得護(hù)套故障的位置信息，因此選擇Sagnac光纖干涉儀作為主要監(jiān)測(cè)工具，再利用能夠分析時(shí)延獲得護(hù)套故障點(diǎn)的光纖探測(cè)器來搭建電腐蝕故障的在線監(jiān)測(cè)裝置。圖2為在線式光腐蝕故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本框架，環(huán)形器的主要作用是隔離反射光的干擾，為消除由于風(fēng)擺的干擾造成的噪聲以及溫漂干擾，增加一個(gè)具有較強(qiáng)性能的運(yùn)算放大器組成一個(gè)負(fù)反饋電路，來將輸出對(duì)放大電路進(jìn)行偏置。

5、結(jié)論

本文首先介紹了ADSS光纜常見的集中電腐蝕故障形式及其危害，接著介紹了光纖Sagnac干涉環(huán)的應(yīng)變效應(yīng)原理，在此基礎(chǔ)上分析并給出了電腐蝕故障定位原理的理論表達(dá)式。在貝塞爾函數(shù)展開的基礎(chǔ)上利用互相關(guān)算法求得兩路干涉信號(hào)的時(shí)延，從而得到故障距離的具體表達(dá)式。通過以上提供了一種ADSS光纜電腐蝕故障的在線監(jiān)測(cè)方法，一旦監(jiān)測(cè)到干涉信號(hào)的強(qiáng)度及時(shí)延變化，便可利用所得表達(dá)式定位故障位置，提對(duì)對(duì)光纜進(jìn)行維護(hù)，避免斷纜所造成的損失。

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