Φ-OTDR 技術在電力系統(tǒng)光纜監(jiān)測中的應用

吳建靈，季 偉，葉向陽，王文軍，吳俊杰，徐常志，葉俊健

（1.麗水正陽電力建設有限公司，麗水 323000；2.深圳市特發(fā)信息股份有限公司，東莞 523000）

0 引言

電力產(chǎn)業(yè)作為國家經(jīng)濟的命脈產(chǎn)業(yè)之一，對維護國家產(chǎn)業(yè)布局，調(diào)整能源結構的重要性日益明顯。隨著國家電網(wǎng)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略規(guī)劃的提出，大規(guī)模的光纖網(wǎng)絡得以鋪設，電力通信光網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和可靠性關系著兩網(wǎng)融合后新型電網(wǎng)的安全有效運行。普通的人力巡察存在故障查找困難、排障時間長、修復成本過高等缺點。因此，如何實時的監(jiān)測光纖的故障隱患，如何管理和維護光纜線路以確保通信系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行已成為重要問題。

1 基于背向瑞利散射的傳感技術

1.1 傳統(tǒng)的OTDR 技術

OTDR 的典型結構圖如圖1所示，光源從激光器中發(fā)射，入射波經(jīng)過環(huán)形器，在磁場作用下，傳遞到接入端口的傳感光纖，光纖中的光纖中的瑞利散射光向各個方向散射，當光纖受到外界振動影響，因光彈效應背向瑞利散射光沿著光纖返回入射端，通過環(huán)形器從另一端口入射到光電探測器中，經(jīng)光電探測器接收并轉(zhuǎn)化為電信號，最終送入到系統(tǒng)的信號采集和信號處理系統(tǒng)中。

圖1 OTDR典型結構圖

傳統(tǒng)的OTDR 采用的激光光源非常微弱，光脈沖光波內(nèi)散射光相互干涉的響應度較小，需要對散射回的信號進行多次累積處理才能采集到信號，從而影響到監(jiān)測光纜線路損耗的數(shù)值。而且不用破壞光纜并做一個全面的檢查。在工程應用中傳統(tǒng)的OTDR 路由標定技術定位精度低±10–50 m，且不具備GIS 系統(tǒng)。因此，當發(fā)生光纖斷點時往往依靠人工下井來回跑巡查確定斷點所在的位置，如此費時費力大大增加了電力光纜維護的成本，且效率不高。

1.2 Φ-OTDR 傳感技術

光彈效應也叫作雙折射效應，它是物質(zhì)的彈性形變，產(chǎn)生雙折射引起其折射率發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。當光纖發(fā)生光彈效應時，光在光纖中的瑞利散射光因折射率發(fā)生變化，進而引起光纖中所傳輸光的相位變化。

假設傳 感光纖長度為l，λ 為光的中心波長，n為光纖的折射率，通過相位公式計算出φ：

由式（1）可知，當該傳感光纖受到外界環(huán)境引起的振動變化時，光纖中傳輸?shù)墓庑盘柺艿接绊?，光的波長發(fā)生改變，其相位隨之發(fā)生變化，相位變化量公式如（2）所示

根據(jù)△φ 的變化信息，可推算出對應光纖位置的相位的變化，再根據(jù)該背向散射光的光強變化，就可以推算出相應的振動信息。

與OTDR 不同的是，Φ-OTDR 采用一窄線寬激光光源，其原因是OTDR 采用的低相干性脈沖光源抑制了相位變化，而Φ-OTDR 選取的窄線寬激光光源，其發(fā)出的窄線寬的連續(xù)光經(jīng)脈沖調(diào)制器調(diào)制為脈沖光（脈沖寬度20 ns），再經(jīng)EDFA 進行放大后通過環(huán)形器注入到傳感光纖中，以產(chǎn)生背向瑞利散射光信號。產(chǎn)生的背向瑞利散射光信號經(jīng)光電探測器接收并轉(zhuǎn)化為電信號，最終送入到系統(tǒng)的信號采集和信號處理系統(tǒng)中。Φ-OTDR系統(tǒng)結構圖如圖2所示。

圖2 Φ-OTDR系統(tǒng)結構圖

相比傳統(tǒng)的OTDR 技術Φ-OTDR 定位精度要高，傳統(tǒng)的OTDR 技術定位精度±10–50 m，而Φ-OTDR定位精度可達到±5 m 的高定位精度。

2 光纜故障原因及分析

由于我國國土遼闊，工程建設過程難免會出現(xiàn)意外挖斷地下通信光纜的情況，例如華北某油田輸油光纜光纖斷點定位修復，津滄線幾根冗余芯也在此處斷裂，后在現(xiàn)場證實是中鐵建設施工挖斷?，F(xiàn)場如圖3所示。

圖3 中鐵施工挖斷光纜現(xiàn)場圖

最為常見的光纖故障：

（1）人為破壞（包括挖傷、砍斷、火燒、砸傷、施工時光纜打絞等）。

（2）不可抗力造成（如桿倒、地質(zhì)沉降、地震）。

（3）中間接頭內(nèi)光纖斷。

（4）中間接頭內(nèi)光纖收縮嚴重或光纖焊接頭老化。

（5）光纜內(nèi)斷。

（6）終端盒里面光纖焊接頭接不好。

3 基于Φ-OTDR 技術的工程應用方案

城市內(nèi)光纖網(wǎng)絡四通八達為了能夠更好的維護城市的通信網(wǎng)絡，減少經(jīng)濟損失使用先進的Φ-OTDR 技術無疑是一種明智的選擇。如圖4所示。

圖4 Φ-OTDR技術應用架構圖

光纖斷點定位步驟如下：

（1）路由標定。主機接入光纖后，通過路由標定確定光纜實際位置以及走向，并在地圖上進行標注，當有光纖出現(xiàn)斷點后，會在主機軟件界面上顯示報警。設備聯(lián)網(wǎng)后，通過載入百度地圖顯示光纜所在位置地圖，并設定中心點，選定當?shù)厮谖恢茫诘貓D上標出光纜走向圖，當有報警時，界面會出現(xiàn)一個彈窗，顯示光纖斷點位置。并可比對現(xiàn)場光纜實際位置，查看實際斷點位置。

（2）確定損壞光纜斷點位置。首先，將損壞的光纖（圖5中的1號光纜）接入分布式光纖振動傳感系統(tǒng)，測量并記錄光纖斷點的纖長數(shù)據(jù)，這里可假設光纖斷點位置的纖長為550 m。

圖5 光纖斷點定位示意圖

（3）振動測試。為進一步確定光纜斷點位置，在測量的光纖斷點附近（只做大概估計即可），利用大錘、鉛球、鏟背等工具，在光纜正上方的向下砸擊地面，此時，分布式光纖振動傳感系統(tǒng)會呈現(xiàn)出圖6的振動曲線。

圖6 光纖振動曲線圖

通過觀察現(xiàn)場測試點，會對現(xiàn)場光纜所處環(huán)境造成干擾，導致光纜光源走向發(fā)生改變，促使斷點前振動曲線上升，從而進一步判斷光纜斷點位置。

4 結束語

文研究圍繞傳統(tǒng)OTDR 技術展開，詳細說明了基于背向瑞利散射Φ-OTDR 技術的原理。從工程應用的角度去分析對比了OTDR 技術和Φ-OTDR 技術的優(yōu)劣，在以往采用傳統(tǒng)OTDR 技術的的光纖斷點定位中，如何快速準確定位光纖斷點所在地理位置是最大的難點。一般需要挖開光纜，而往往要開挖很多的坑才能逐步逼近找到斷點，過程耗時耗力效率低。相比之下Φ-OTDR光纖斷點定位傳感系統(tǒng)采用光纖振動測試的方式進行斷點的定位，不用多次開挖和直接接觸光纜，效率和準確性都大大提高。