分布式振動(dòng)傳感技術(shù)在電纜通道防外力破壞監(jiān)測及定位的應(yīng)用

錢恒健++劉剛+劉國平++谷豐++鄭有明

摘 要：近年來，地下電纜在輸配電系統(tǒng)中的比重越來越大，但是在使用中時(shí)常受到外力破壞，電纜供電安全可靠的優(yōu)勢受到嚴(yán)重影響。因此，保障電纜供電不受外力破壞成為了電力運(yùn)行部門急需解決的問題。隨著分布式光纖傳感技術(shù)的快速發(fā)展，電力部門可采用該技術(shù)來實(shí)時(shí)測量傳輸線路周圍的振動(dòng)情況，在實(shí)現(xiàn)傳輸線路防外力破壞預(yù)警的同時(shí)還可定位異常發(fā)生地點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)傳感技術(shù)；監(jiān)測；定位

中圖分類號(hào)：TM726 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）18-0166-02

1 電纜通道防外力破壞監(jiān)測概況

外力破壞是危害電力設(shè)施的三大因素之一。違章建筑、違章施工、地質(zhì)災(zāi)害等都能形成外力危害輸電線路。

目前國內(nèi)對于地下電纜的防護(hù)措施主要有：（1）在運(yùn)行中派專人進(jìn)行正常性巡視、特殊巡視和重點(diǎn)工程巡視；（2）對特殊地點(diǎn)安裝警示牌提醒施工人員注意保護(hù)電纜；（3）采用埋管、隧道等抗外力強(qiáng)度高的通道形式代替直埋等抗外力強(qiáng)度低的敷設(shè)方式。以上措施人力、物力成本高，自動(dòng)化、智能化程度低，且實(shí)際防外力破壞效果不理想。

對于地下電纜隧道等電力管網(wǎng)的防損壞監(jiān)控，想要通過日常巡線解決外力破壞的問題比較困難。對于隨機(jī)產(chǎn)生的外力破壞，我們只有加強(qiáng)對線路的實(shí)時(shí)監(jiān)測，只有這樣才能提升線路的防外力能力。

部分電力部門引入了一些科技手段用于監(jiān)控傳輸線路的狀態(tài)，以確定傳輸線路是否受損，如漏電電流檢測法、電力線載波檢測法、點(diǎn)式應(yīng)變傳感器檢測法。但上述方法均有明顯的局限性：漏電電流檢測法只有在傳輸線路被破壞后才能反映結(jié)果，并且停電時(shí)無法工作；電力線載波檢測法在監(jiān)測過程中面臨著高噪聲、阻抗變化大、信號(hào)傳輸損耗大等問題；點(diǎn)式應(yīng)變傳感器檢測法可以實(shí)時(shí)監(jiān)測輸電線路應(yīng)變狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生外力破壞事件時(shí)，輸電線路因受拉力會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，拉力通過線路傳遞到傳感器所在位置，使其也產(chǎn)生應(yīng)變，從而可以判斷電纜是否受到外力破壞。然而，點(diǎn)式應(yīng)變傳感器檢測法同樣存在著不足之處，其無法定位故障點(diǎn)且只能布置在傳輸線路上一些特殊的位置，監(jiān)測范圍不夠全面，且應(yīng)變檢測值與實(shí)際值相比有一定偏差，不能完全反映真實(shí)情況。

2 分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)

分布式光纖傳感技術(shù)具有同時(shí)獲取在傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時(shí)間和空間變化的被測量分布信息的能力，非常適合于大型工程監(jiān)測、長距離線路監(jiān)控、大范圍地域安防等領(lǐng)域，其基本特征為：

（1）分布式光纖傳感系統(tǒng)中的傳感元件僅為光纖；（2）一次測量就可以獲取整個(gè)光纖區(qū)域內(nèi)被測量的一維分布圖，將光纖架設(shè)成光柵狀，就可測定被測量的二維和三維分布情況；（3）系統(tǒng)的空間分辨力一般在米的量級(jí)，因而對被測量在更窄范圍的變化一般只能觀測其平均值；（4）系統(tǒng)的測量精度與空間分辨力一般存在相互制約關(guān)系；（5）檢測信號(hào)一般較微弱，因而要求信號(hào)處理系統(tǒng)具有較高的信噪比；（6）由于在檢測過程中需進(jìn)行大量的信號(hào)加法平均、頻率的掃描、相位的跟蹤等處理，因而實(shí)現(xiàn)一次完整的測量需較長的時(shí)間。

分布式光纖傳感技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)，就得到了廣泛的關(guān)注和深入的研究，并且在短短的十幾年里得到了飛速的發(fā)展.依據(jù)信號(hào)的性質(zhì)，該類傳感技術(shù)可分為4類：

（1）利用后向瑞利散射的傳感技術(shù)；（2）利用喇曼效應(yīng)的傳感技術(shù)；（3）利用布里淵效應(yīng)的傳感技術(shù)；（4）利用前向傳輸模耦合的傳感技術(shù)。

利用外界信息具有敏感能力和功能的特殊光纖作為傳感元件，將“傳”和“感”合為一體，傳感光纖在外界物理因素（如運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)和壓力）的作用下，改變光纖中的光纖相位，從而對外界參數(shù)進(jìn)行檢測，具體來說是當(dāng)外界的振動(dòng)作用于光纜時(shí)，引起光纜中纖芯發(fā)生形變，使纖芯折射率與長度發(fā)生變化，導(dǎo)致光纜中光的相位發(fā)生變化。

當(dāng)光在光纜中傳輸時(shí)，由于光子和纖芯晶格發(fā)生作用，不斷地向后傳輸瑞利散射光。當(dāng)外界存在振動(dòng)時(shí)，背向瑞利散射光的相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理之后，進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3 分布式光纖振動(dòng)傳感防外力破壞系統(tǒng)

分布式光纖振動(dòng)傳感防外力破壞技術(shù)是利用ΦOTDR（optical time domain reflectometer，OTDR）光時(shí)域反射計(jì)的干涉機(jī)理測試外界繞那擾動(dòng)，外界擾動(dòng)作用在光纜上面或附近產(chǎn)生的壓力（振動(dòng)）導(dǎo)致光纖中瑞利散射光相位發(fā)生變化，由于干涉作用，光相位變化將引起光強(qiáng)度的變化時(shí)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測不同時(shí)刻后向瑞利散射信號(hào)的干涉效應(yīng)可定位振動(dòng)信號(hào)的位置，并通過建立光纜線路環(huán)境特征參數(shù)數(shù)據(jù)模型和告警監(jiān)測閾值模型，降低監(jiān)測告警的虛警率。

光纖振動(dòng)傳感防外力破壞系統(tǒng)是利用激光、光纖傳感和光通信等高科技技術(shù)構(gòu)建的安全報(bào)警系統(tǒng)，是一種對威脅公眾安全的突發(fā)事件進(jìn)行監(jiān)控和警報(bào)的現(xiàn)代防御體系。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于邊界防衛(wèi)、周界安防警戒、管道防護(hù)、通訊和電力通道、電力線纜保護(hù)等領(lǐng)域，在軍用與民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

分布式光纖振動(dòng)傳感防外力破壞系統(tǒng)由傳感光纖、光纖振動(dòng)信號(hào)測量主機(jī)、振動(dòng)傳感監(jiān)測報(bào)警主機(jī)和振動(dòng)傳感監(jiān)測報(bào)警軟件組成。

分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)采用普通通信光纜中的一根空閑纖芯作傳感單元，進(jìn)行分布式光纖傳感器多點(diǎn)振動(dòng)測量。

當(dāng)外界有振動(dòng)作用于傳感光纜時(shí)，引起光纜中纖芯發(fā)生形變，導(dǎo)致纖芯長度和折射率發(fā)生變化，導(dǎo)致光纜中光波的相位發(fā)生變化。當(dāng)光在光纜中傳輸時(shí)，會(huì)不斷產(chǎn)生后向傳輸光。當(dāng)外界有振動(dòng)發(fā)生時(shí)，后向傳輸光的相位隨之發(fā)生變化，這些攜帶外界振動(dòng)信息的信號(hào)光，反射回系統(tǒng)主機(jī)時(shí)，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)處理，將微弱的相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理后，進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)根據(jù)分析的結(jié)果，判斷入侵事件的發(fā)生，并根據(jù)后向傳輸光的到達(dá)時(shí)間即可通過光速計(jì)算出振動(dòng)距離，確認(rèn)入侵地點(diǎn)。

3.1 多種入侵行為識(shí)別

分布式光纖振動(dòng)系統(tǒng)對電纜管道沿線的第三方非法入侵行為，經(jīng)過模式分析、后臺(tái)模式識(shí)別、準(zhǔn)確判定入侵事件?？蓹z測的第三方非法入侵行為包括：人工挖掘、車輛入侵、重型機(jī)械挖掘，具有高靈敏度和多種識(shí)別模式。如圖1，圖2，圖3所示。

3.2 重大事故事前預(yù)防

基于統(tǒng)一的振動(dòng)事件行為模式識(shí)別庫，智能區(qū)分不同外力行為事件產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)特征，在電力通道可能遭受外力破壞造成嚴(yán)重后果之前，系統(tǒng)即可給出預(yù)警、報(bào)警信號(hào)，較之事故發(fā)現(xiàn)之后的故障報(bào)警，通常具有4個(gè)小時(shí)之提前量，管理人員通過事件復(fù)核，完全可以在事故萌芽之初將問題消解，避免重大經(jīng)濟(jì)責(zé)任事故和社會(huì)不良影響。

4 結(jié)語

分布式光纖振動(dòng)防外力破壞系統(tǒng)，是近幾年來新發(fā)展出來的一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)。通過在電纜通道建設(shè)項(xiàng)目中，實(shí)施應(yīng)用該技術(shù)，對于地下輸電線路的長距離傳輸進(jìn)行定位實(shí)時(shí)安全監(jiān)控，對可能造成輸電線路破壞的外部威脅進(jìn)行提前預(yù)警，以便及時(shí)制止破壞、強(qiáng)化防范，或準(zhǔn)確奔赴意外現(xiàn)場，采取補(bǔ)救措施，可從根本上防止電纜通道因外界破壞造成重大經(jīng)濟(jì)損失，杜絕環(huán)境污染，避免社會(huì)危害。分布式光纖振動(dòng)防外力破壞系統(tǒng)的應(yīng)用，充分發(fā)揮其設(shè)計(jì)先進(jìn)、高效、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)電纜通道靠人工巡檢難以實(shí)現(xiàn)即時(shí)、全面的電纜通道安全保障問題，為優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量起到積極有效的作用。endprint