基于陣列式FBG的電纜護(hù)層環(huán)流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

林 陽(yáng)，王 耀，閻嫦玲，羅蘇南，潘仁秋

（南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司，南京 211102）

0 引言

高壓電纜具有安全、可靠，幾乎不占用地面空間等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地使用在現(xiàn)代化大中城市的繁華市區(qū)，電纜隧道的建設(shè)規(guī)模及長(zhǎng)度不斷增加。

然而，高壓電力電纜可能存在設(shè)計(jì)、制造、施工缺陷，且長(zhǎng)期處于地下隧道內(nèi)，環(huán)境電磁干擾強(qiáng)、濕度高、易浸水、監(jiān)控困難，運(yùn)行過(guò)程中易受到環(huán)境電、熱、化學(xué)因素的干擾，導(dǎo)致電力電纜中絕緣缺陷的產(chǎn)生和惡化，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣擊穿、起火、斷裂等故障，從而引發(fā)更大范圍的事故。

電力電纜外護(hù)層具有保護(hù)和絕緣作用，其完整性和可靠性是電纜安全運(yùn)行的保障[1]，而根據(jù)電網(wǎng)公司的運(yùn)行規(guī)范和檢修經(jīng)驗(yàn)，電力電纜的護(hù)層環(huán)流是表征電纜故障的重要指標(biāo)[2-6]，因此實(shí)現(xiàn)電纜護(hù)層環(huán)流的可靠監(jiān)測(cè)，對(duì)于實(shí)時(shí)掌握電纜健康狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷，保障電纜安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。

1 電纜護(hù)層環(huán)流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀

高壓電纜正常運(yùn)行時(shí)，如果有電流流過(guò)，會(huì)在電纜金屬護(hù)層中感應(yīng)出電壓。為了保證運(yùn)行安全，同時(shí)抑制電纜護(hù)層接地環(huán)流，電纜金屬護(hù)層一般采用單端接地或交叉互聯(lián)的方法進(jìn)行接地。當(dāng)電纜的絕緣狀態(tài)良好時(shí)，護(hù)層環(huán)流接近于零。但是當(dāng)絕緣護(hù)層老化或破損導(dǎo)致金屬護(hù)層發(fā)生多點(diǎn)接地時(shí)，接地環(huán)流會(huì)大幅增加，如不及時(shí)處理，將會(huì)對(duì)電纜的長(zhǎng)期壽命和短時(shí)運(yùn)行安全造成極大的影響。因此，監(jiān)測(cè)電纜護(hù)層的接地環(huán)流不僅可以監(jiān)測(cè)電力電纜金屬護(hù)層自身的狀態(tài)，也可以監(jiān)測(cè)主絕緣的品質(zhì)狀態(tài)和高壓電力電纜的其他故障。

目前，管廊常用的護(hù)層電纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由護(hù)層環(huán)流互感器、電流采集裝置和綜合監(jiān)控主機(jī)組成，如圖1所示。電纜接頭處配置三相接地電流互感器（部分管廊另配置N相互感器），互感器輸出信號(hào)由電流采集器采集并通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)發(fā)送至監(jiān)控主機(jī)，綜合監(jiān)控主機(jī)對(duì)接收到的護(hù)層接地環(huán)流信息進(jìn)行故障分析和故障報(bào)警[7]。

以上的護(hù)層環(huán)流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已有較大范圍的應(yīng)用，但是工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)管廊內(nèi)裝置的供電問(wèn)題較為多見(jiàn)。護(hù)層環(huán)流采集器為有源裝置，需考慮供電電源問(wèn)題。很多管廊尤其是較早期管廊內(nèi)動(dòng)力電源配置不足，且采集器電源引線過(guò)長(zhǎng)的話會(huì)造成終端電壓降低，影響護(hù)層采集器正常工作；一些電源線纜敷設(shè)不方便的特殊區(qū)域要求裝置支持低電壓供電，對(duì)裝置功耗要求嚴(yán)苛；部分管廊不具備供電條件，需采用線圈取能方式或配置電池，但線圈取能存在工作死區(qū)，當(dāng)電纜上運(yùn)行電流較小時(shí)會(huì)失效，電池則容量有限，需要定時(shí)更換，運(yùn)維難度較大。

2 FBG陣列式電纜護(hù)層環(huán)流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

2.1 總體方案

為了適應(yīng)電力管廊供電困難的現(xiàn)狀，本文提出了基于陣列式光纖光柵傳感器（FBG）的準(zhǔn)分布式護(hù)層環(huán)流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2。系統(tǒng)主要包括電流互感器、光纖布拉格光柵（FBG）傳感器、傳輸光纜和護(hù)層環(huán)流主機(jī)，電流互感器安裝于高壓電纜護(hù)層接地線上測(cè)量接地電流；FBG接收互感器輸出信號(hào)并轉(zhuǎn)換為特定波長(zhǎng)的光信號(hào)；傳輸光纜為單模鎧裝光纜，連接各FBG并將其光信號(hào)輸送至二次設(shè)備室的護(hù)層環(huán)流主機(jī)；護(hù)層環(huán)流主機(jī)解析接收到的FBG傳感信號(hào)，計(jì)算護(hù)層接地電流信息，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、故障分析和故障報(bào)警等功能，完成管廊電纜護(hù)層環(huán)流監(jiān)測(cè)及告警。

2.2 光纖布拉格光柵（FBG）傳感器

光纖布拉格光柵（Fibre Bragg Grating，F(xiàn)BG）是在單模光纖的纖芯內(nèi)刻制光柵，通過(guò)光柵間的距離變化感知溫度、形變、應(yīng)力等外界物理作用，從而對(duì)其反射波長(zhǎng)進(jìn)行周期性的調(diào)制而形成的一種全光纖器件。FBG好像一個(gè)窄帶的反光鏡，當(dāng)一束光送進(jìn)FBG時(shí)，根據(jù)光柵理論，在光波長(zhǎng)滿足Bragg條件的情況下，就會(huì)發(fā)生全反射，F(xiàn)BG只反射一個(gè)波長(zhǎng)而透射其余的波長(zhǎng)，被反射的波長(zhǎng)稱為Bragg波長(zhǎng)，因此反射光譜在Bragg波長(zhǎng)處出現(xiàn)峰值，如圖3。光柵受到外部物理場(chǎng)（如應(yīng)力、應(yīng)變溫度等）的作用時(shí)，其柵距隨之發(fā)生變化，從而改變了反射光的波長(zhǎng)，檢測(cè)反射光的波長(zhǎng)變化即可確定待測(cè)部位相應(yīng)物理量的變化[8，9]。

圖3 FBG傳感原理Fig.3 FBG sensing principle

由于FBG只對(duì)波長(zhǎng)敏感，傳感系統(tǒng)的光強(qiáng)損失不影響檢測(cè)結(jié)果，因而可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)及長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，并可在一路光纖上實(shí)現(xiàn)FBG陣列排布的準(zhǔn)分布式多點(diǎn)測(cè)量。光纖布拉格光纖傳感器陣列具有靈敏度高、頻帶寬、體積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、布置靈活等優(yōu)點(diǎn)，適合用于管廊內(nèi)的監(jiān)測(cè)需求。

用于電纜護(hù)層環(huán)流監(jiān)測(cè)的FBG傳感系統(tǒng)如圖4，每相接地線配置一套護(hù)層環(huán)流互感器及FBG傳感器。環(huán)流互感器采集接地線上的接地電流，其輸出轉(zhuǎn)換為電壓后分別施加在磁致伸縮材料的陽(yáng)極和陰極上。磁致伸縮材料粘貼在FBG上，受陽(yáng)極及陰極的電壓差影響產(chǎn)生伸縮變化，使緊貼的FBG產(chǎn)生對(duì)應(yīng)形變，從而對(duì)反射光的波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)周期性調(diào)制。

圖4 FBG護(hù)層環(huán)流傳感系統(tǒng)Fig.4 The composition of the FBG shield circulation sensing system

經(jīng)電流互感器和磁致伸縮材料轉(zhuǎn)換后，在線性工作范圍內(nèi)，磁致伸縮材料的應(yīng)變與被測(cè)護(hù)層環(huán)流I的關(guān)系可表示為

其中：ε為磁致伸縮材料的應(yīng)變，k1為曲線斜率，與磁致伸縮材料的磁致特性相關(guān)；α為電流到磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)化率，與電流互感器、轉(zhuǎn)換電阻R的選取相關(guān)。

FBG中心波長(zhǎng)的變化可表示為

其中：Pe為光柵的彈光系數(shù)，λ0為光柵的中心波長(zhǎng)。當(dāng)I為正弦波形時(shí)，F(xiàn)BG中心波長(zhǎng)也隨之產(chǎn)生周期性的波長(zhǎng)變化。

各相的FBG傳感器由傳輸光纜串接在一起，接入護(hù)層環(huán)流監(jiān)測(cè)主機(jī)。各FBG傳感器分別工作在不同的中心波長(zhǎng)，其工作波段互不重疊，且都落在護(hù)層監(jiān)測(cè)主機(jī)寬帶光源的光譜帶內(nèi)[10]。通過(guò)多段電纜接頭處的FBG陣列，可用一臺(tái)護(hù)層監(jiān)測(cè)主機(jī)實(shí)現(xiàn)高壓電纜全程各測(cè)點(diǎn)的護(hù)層環(huán)流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

FBG傳感器安裝在管廊中，環(huán)境潮濕且有浸水風(fēng)險(xiǎn)，因此需配置高防護(hù)等級(jí)箱體。高防護(hù)箱體為全封閉一體化結(jié)構(gòu)，采用鑄鋁金屬材料，具有很好的電磁屏蔽作用，與外部接口采用防水接頭，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP68，整體具有防塵、防水和抗電磁干擾功能，保證了FBG傳感器在電纜隧道復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境中可靠運(yùn)行。

2.3 護(hù)層環(huán)流監(jiān)測(cè)主機(jī)

護(hù)層環(huán)流監(jiān)測(cè)主機(jī)需滿足FBG陣列的光源提供及解調(diào)計(jì)算需求，同時(shí)需具備故障電流判定、數(shù)據(jù)通信、時(shí)鐘同步、人機(jī)接口等功能，本文對(duì)護(hù)層環(huán)流監(jiān)測(cè)主機(jī)的硬件部分進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，采用模塊化的設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)電流采集裝置的各功能單元，具體如圖5。

圖5 護(hù)層環(huán)流監(jiān)測(cè)主機(jī)設(shè)計(jì)方案Fig.5 Design scheme of protective layer circulation monitoring host

護(hù)層環(huán)流監(jiān)測(cè)主機(jī)的功能模塊主要包括電源轉(zhuǎn)換模塊、CPU模塊、光路系統(tǒng)及人機(jī)接口，其中CPU模塊具備光源控制、解調(diào)計(jì)算、電流數(shù)據(jù)處理、時(shí)鐘同步及數(shù)據(jù)通信等功能，光路系統(tǒng)包含了光源、濾波器等光學(xué)器件，兩者配合實(shí)現(xiàn)光源控制、光信號(hào)探測(cè)及信號(hào)解調(diào)等功能。人機(jī)接口含鍵盤(pán)、液晶等器件，數(shù)據(jù)輸入DSP，可實(shí)現(xiàn)裝置系統(tǒng)操作、信息查看及定值修改等功能。

CPU模塊內(nèi)含F(xiàn)PGA、DSP、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路、通信模組和時(shí)鐘同步模組等。FPGA完成光源控制、解調(diào)計(jì)算、電流數(shù)據(jù)處理等需高速處理的功能；DSP實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理、時(shí)鐘管理、通信管理、人機(jī)交互等功能；A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路與光路系統(tǒng)連接，將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并傳輸給DSP核進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將DSP輸出的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)施加到光路系統(tǒng)的光源、濾波器上。通信模組受DSP控制，實(shí)現(xiàn)與綜合監(jiān)控主機(jī)或其它必要設(shè)備的通信，支持IEC61850、IEC103、modbus-tcp等主流電力通信規(guī)約。時(shí)鐘對(duì)時(shí)模組支持網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)，可接收北斗或GPS對(duì)時(shí)信號(hào)，為裝置的故障分析提供準(zhǔn)確的時(shí)間參照。

監(jiān)測(cè)主機(jī)的核心是光源及解調(diào)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖6。光源控制電路控制寬帶光源發(fā)射寬譜光，經(jīng)光隔離器、耦合器、傳輸光纜后注入FBG陣列，在各FBG傳感器處產(chǎn)生波長(zhǎng)選擇反射，反射后的光信號(hào)經(jīng)耦合器引導(dǎo)至可調(diào)F-P濾波器，濾波后的光信號(hào)由光探測(cè)器采集后傳輸至解調(diào)電路；解調(diào)電子電路控制濾波器的掃描電壓，并結(jié)合掃描電壓與探測(cè)光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，計(jì)算出被測(cè)電流，經(jīng)電流數(shù)據(jù)處理后輸出電纜故障告警信號(hào)。

圖6 光路及解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.6 Design of optical system and demodulation system

護(hù)層環(huán)流監(jiān)測(cè)主機(jī)中，所有FBG共用同一個(gè)光源，為支持更多的FBG傳感器組成陣列，光源采用寬帶光源，可考慮采用超輻射發(fā)光二極管（SLED），其3dB光譜寬度可超過(guò)45nm，單個(gè)FBG傳感器的波長(zhǎng)變化范圍基本小于0.5nm，考慮一定的光譜重疊裕量，一個(gè)SLED光源可支持50個(gè)以上的FBG傳感器組成陣列；為進(jìn)一度拓寬光源光譜，可采用數(shù)個(gè)SLED光源并行工作模式，波長(zhǎng)高低搭配的3個(gè)SLED光源組合使用后，可輸出光滑譜寬＞90nm的寬譜光，支持100個(gè)以上的FBG傳感器陣列。

為檢測(cè)各FBG返回的不同波長(zhǎng)反射光，光路系統(tǒng)中配置可調(diào)諧窄帶光纖F-P濾波器[11，12]。通過(guò)電控壓電陶瓷改變F-P腔的腔長(zhǎng)來(lái)調(diào)節(jié)濾波器的導(dǎo)通頻帶（即反射光的透射波峰），在調(diào)諧控制信號(hào)作用下，F(xiàn)-P濾波器的導(dǎo)通頻帶掃描整個(gè)光柵反射光光譜。當(dāng)可調(diào)F-P濾波器的透射波峰與傳感光柵的反射波峰重合時(shí)，濾波器的透射光強(qiáng)最大，結(jié)合光探測(cè)器采集到的透射光強(qiáng)度與掃描電壓可以解調(diào)出對(duì)應(yīng)FBG處的反射光波長(zhǎng)，進(jìn)而計(jì)算出被測(cè)電流。在可調(diào)F-P濾波器的每個(gè)掃描周期內(nèi)，所有FBG傳感器的Bragg波長(zhǎng)能導(dǎo)到快速測(cè)定?？烧{(diào)諧F-P濾波法適用于陣列式測(cè)量，具有較寬的調(diào)諧范圍和光能利用率，實(shí)現(xiàn)較高的分辨率和測(cè)量精度，可大大提高測(cè)量范圍和FBG傳感器的復(fù)用個(gè)數(shù)。

對(duì)于部分長(zhǎng)度不長(zhǎng)，但是需監(jiān)測(cè)電纜較多的管廊，可以在耦合器后配置光開(kāi)關(guān)，光路系統(tǒng)如圖7。常用的光開(kāi)關(guān)的最快切換時(shí)間約1ms～10ms，部分高性能開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)ns級(jí)切換，通過(guò)光開(kāi)關(guān)的周期性切換，光路系統(tǒng)可并接多路電纜上的FBG陣列，實(shí)現(xiàn)多通道測(cè)量。

圖7 多通道光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.7 Design of multichannel optical system

監(jiān)測(cè)主機(jī)支持環(huán)流越限、環(huán)流變化值、接地環(huán)流與線路電流比值越限等多種電纜故障判據(jù)，多角度實(shí)現(xiàn)電纜故障判定及告警；因不同地區(qū)、電壓等級(jí)對(duì)于護(hù)層環(huán)流的故障判定需求存在差異，裝置設(shè)有可自定義的報(bào)警定值，實(shí)現(xiàn)故障的自定義數(shù)學(xué)、邏輯判定，便于判定復(fù)雜電纜故障。

3 結(jié)論

電力電纜護(hù)層環(huán)流監(jiān)測(cè)的重要性已日益提高，但是電力管廊中供電困難的現(xiàn)狀限制了有源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種新型基于光纖布拉格光柵（FBG）陣列的無(wú)源護(hù)層環(huán)流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用FBG傳感器采集電纜護(hù)層環(huán)流，無(wú)需供電，靈敏度高，可完全滿足電力管廊內(nèi)的環(huán)境和功能需求，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

FBG傳感器具有體積小、動(dòng)態(tài)范圍大、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，且適用范圍廣泛，除可測(cè)量護(hù)層環(huán)流以外，還可適用于管廊溫度、應(yīng)力以及振動(dòng)等物理量的監(jiān)測(cè)，本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可根據(jù)工程需求進(jìn)行擴(kuò)展，滿足不同環(huán)境量監(jiān)測(cè)的需求。