分布式光纖傳感系統(tǒng)在城市地下電纜監(jiān)測中的應(yīng)用

王 牧 高有倫 陳春銀 王 亮 韋龍州

（航天銀山電氣有限公司）

0 引言

城市地下輸電線纜的安全關(guān)系著城市用電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。地下電纜的故障位置診斷一直是輸電線故障監(jiān)測的難點，地下電纜的盜采也是一直困擾城市輸電安全的痼疾［1-2］。通過對城市地下電纜的實時情況的檢測和故障位置的精確判斷，可以有效地防治由于線路老化引發(fā)的故障問題，也可以從一定程度上減少電纜被盜采的情況［3-4］。

分布式光纖傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對連續(xù)空間的不間斷測量。分布式光纖傳感器從技術(shù)原理上主要可以劃分為兩種，即基于布里淵散射原理和基于拉曼散射原理。基于拉曼散射的光纖傳感器技術(shù)發(fā)展成熟，但也存在技術(shù)局限性，功能單一，僅限于溫度測量方面［5-6］。而基于布里淵散射的光纖傳感器，功能較為全面，既能夠?qū)囟扔帜軌驅(qū)?yīng)變進(jìn)行測量。布里淵光纖傳感器具有準(zhǔn)確度高、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離長、便于組網(wǎng)的優(yōu)點，能夠很好的輔助工作人員了解溫度和應(yīng)變規(guī)律，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，并采取有效的處置措施，最大限度減小線路故障和其它因素帶來的損失［7-8］。

1 故障與故障測距

由于技術(shù)手段限制，在地下直埋電纜和住宅配電系統(tǒng)中的故障探測是一件費(fèi)時費(fèi)力的工作［9］。已有的技術(shù)不僅存在測距結(jié)果準(zhǔn)確度差的缺點，有一些技術(shù)甚至可能損壞電纜。因此，如何快速有效地探測電纜故障，如何精確定位故障位置，減少探測故障引起的長時間停電，是我們這篇文章要討論的重點。此外，對于電力電纜的短路故障、機(jī)械損傷、和自然受損情況（如絕緣受潮、絕緣老化等），可以更直觀有效地進(jìn)行監(jiān)測，隨時了解電纜使用情況，更好地維護(hù)電纜運(yùn)行安全，降低維修成本［10］。

應(yīng)用光纖布里淵散射可以進(jìn)行溫度和應(yīng)力測量，根據(jù)短路電流的熱效應(yīng)，通過布里淵散射的溫度測量，探測由短路電流引發(fā)的線纜溫度突變；通過布里淵散射的應(yīng)力測量，探測由機(jī)械損傷和自然受損造成的線路應(yīng)力異常。

2 布里淵溫度和應(yīng)變傳感器機(jī)理

本文所應(yīng)用的分布式光纖傳感器主要就是基于布里淵散射原理工作的，能夠?qū)囟群蛻?yīng)變進(jìn)行雙重檢測，布里淵散射現(xiàn)象是基于入射光發(fā)生頻率移動而造成的非彈性散射，并且頻率移動受光纖內(nèi)部的聲波場特性影響。布里淵散射又可以分為自發(fā)性和受激性兩種。由于光纖內(nèi)部由熱效應(yīng)引起的彈性聲波場信號強(qiáng)度微弱，幾乎難以檢測到，因此普遍采用自發(fā)性布里淵散射來實現(xiàn)布里淵光纖傳感器的功能。

光纖中的布里淵散射是由入射光和聲波壓力波互相作用產(chǎn)生的，壓力波可以近似認(rèn)為一個頻率為ΩB、速度為vB的移動光柵。因此布里淵散射就可以近似等同于入射光在移動光柵作用下產(chǎn)生的散射，基于多普勒效應(yīng)原理散射光頻率變化，與入射光的頻率產(chǎn)生差異，當(dāng)散射光頻率ωS、入射光頻率ωL、壓力波頻率ΩB滿足布拉格散射條件，即：

這個時候，這個頻率的散射光強(qiáng)度達(dá)到極限。壓力波的頻率還與溫度和應(yīng)變存在關(guān)聯(lián)性，所以布里淵散射光的強(qiáng)度就與頻率移動、光纖溫度、應(yīng)變存在關(guān)聯(lián)性。由光纖溫度和應(yīng)變因素引發(fā)的布里淵頻率移動和強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)關(guān)系為：

式中，vVB為布里淵散射的頻率移動；vPB為布里淵散射的強(qiáng)度；CVBε和CPBε分別為布里淵散射頻率移動的應(yīng)變和溫度系數(shù)；CVBT和CPBT分別為布里淵散射強(qiáng)度的應(yīng)變和溫度系數(shù)；vε為光纖所承受的應(yīng)變，vT為光纖的本體溫度。

因此，光纖本體的溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)可以由布里淵散射信號的頻率移動和強(qiáng)度計算得到。

3 短路電流的熱效應(yīng)

因為短路現(xiàn)象發(fā)生后繼電保護(hù)機(jī)制會被快速觸發(fā)，將故障區(qū)段切除掉，由于導(dǎo)體發(fā)熱速度極快，產(chǎn)生的高熱量無法及時向周圍介質(zhì)發(fā)散，因此可以將這一過程看作是絕熱過程，耗失的熱量忽略不計，可以認(rèn)為產(chǎn)生的熱量全部導(dǎo)致導(dǎo)體發(fā)熱，導(dǎo)致導(dǎo)體溫度升高。導(dǎo)體材料短時發(fā)熱的允許溫度θkal和系數(shù)C見表。

表 導(dǎo)體材料短時發(fā)熱的允許溫度θkal和系數(shù)C

（1）短路產(chǎn)生的熱量計算

短路電流在一定連續(xù)時間t內(nèi)在導(dǎo)體內(nèi)的熱量可以計算：

式中：Ipt、Iapt、Ikt短路電流周期分量、非周期分量以及總短路電流的有效值；Rav短路持續(xù)時間t內(nèi)導(dǎo)體電阻的平均值。

由于短路電流隨時間變化的規(guī)律較復(fù)雜，在實際應(yīng)用中，用式（3）直接求發(fā)熱量Qk非常困難。因而在工程計算中，用到短路電流時會用短路電流的穩(wěn)態(tài)值來代替從而計算得到Qk，設(shè)定假想時間為tima，短路電流穩(wěn)態(tài)值在tima時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量與短路電流在連續(xù)時間t內(nèi)的發(fā)熱量完全一致。因此該方法可以稱為“假想時間”法，由下式描述：

為簡化計算，引入短路電流周期分量假想時間tpi與短路電流非周期分量假想時間tapi，則存在關(guān)系：

根據(jù)假想時間曲線，5s后的短路電流已進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。5s之后，假想時間為：

對于tapi，工程中取近似值計算，當(dāng)0.1s＜t＜1s時，tapi≈0.05β″2，當(dāng)t＞1s，tapi≈0。

（2）導(dǎo)體短路發(fā)熱溫度計算

根據(jù)熱平衡原理得到短路溫度θk。

式中，Rav、cav、r導(dǎo)體的電阻率平均值、比熱平均值和比重平均值；l、s、m導(dǎo)體的長度、截面積和質(zhì)量；θk、θw導(dǎo)體的短時最高溫度與導(dǎo)體正常工作溫度。

上式經(jīng)化簡得到：

在工程計算中，一般利用載流導(dǎo)體加熱系數(shù)A值與溫度θ之間的關(guān)系曲線A＝f（θ），確定短路發(fā)熱溫度θk。

1）根據(jù)導(dǎo)體正常運(yùn)行時的溫度θw，查A＝f（θ）曲線可得導(dǎo)體正常加熱系數(shù)Aw；

2）運(yùn)用Aw，可求出導(dǎo)體短路加熱系數(shù)Ak；

3）再用Ak從曲線中查得短路發(fā)熱溫度θk。

4 分布式光纖傳感監(jiān)測方案

目前，可以采用兩種布里淵方法進(jìn)行溫度和應(yīng)變的測量，即布里淵時域反射技術(shù)和布里淵時域分析技術(shù)。

（1）基于布里淵時域反射分布式光纖傳感技術(shù)?；诓祭餃Y時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)與在普遍應(yīng)用的光時域反射技術(shù)原理相似，其原理如圖1所示。

圖1 基于布里淵時域反射分布式光纖傳感技術(shù)基本原理圖

在該原理中，在光纖的一端輸入脈沖信號，同時在另一端檢測散射信號，通過檢測輸入脈沖和散射信號的之間時間延遲，將時間延遲與光速相乘就能夠得到光纖位置，再根據(jù)散射信號的強(qiáng)度就能夠算出光纖的衰減數(shù)據(jù)。進(jìn)而計算出光纖的溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)。

布里淵散射是入射光在由自發(fā)聲場和移動光柵作用產(chǎn)生的散射效應(yīng)，當(dāng)外部光注入到光纖時，光柵通過布拉格衍射反射入射光，入射光也稱為布里淵泵浦光。

（2）基于布里淵時域分析分布式光纖傳感技術(shù)。在光纖兩端分別注入泵浦光和直流探測光，當(dāng)二者的頻率差值與特定位置的布里淵頻率移動相同，該區(qū)域就會出現(xiàn)布里淵縮放效應(yīng)，兩光束互換能量。由于布里淵頻率移動與溫度、應(yīng)變之間是線性相關(guān)的，所以雙側(cè)光源的頻率連續(xù)變化時，經(jīng)過光纖一端耦合，并且經(jīng)過散射效應(yīng)的探測光，就能夠確定光纖上各個位置能量轉(zhuǎn)移上限時，對應(yīng)的頻率偏差，從而計算出對應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)和應(yīng)變數(shù)據(jù)，實現(xiàn)分布式測量。

基于布里淵時域分析分布式光纖傳感技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 BOTDA工作原理

（3）基于LPR的布里淵時域反射分布式光纖傳感外差原理的線路故障檢測系統(tǒng)

電纜檢測方案在基于布里淵時域反射分布式光纖傳感技術(shù)中，外差檢測法與光源頻率漂移不存在聯(lián)系性，并且具備較好的信噪比、更優(yōu)的動態(tài)調(diào)節(jié)范圍和更快的檢測速度。因此選擇基于布里淵時域反射分布式光纖傳感技術(shù)的外差檢測式光纖傳感系統(tǒng)對輸電線路的溫度和應(yīng)變進(jìn)行實時在線監(jiān)測，其原理如圖3所示，光源發(fā)出的光被耦合器一分為二，即調(diào)制得到的脈沖光和本振光，再與散射光一起注入到外差檢測器上進(jìn)行外差檢測。

圖3 布里淵外差檢測原理

在監(jiān)測系統(tǒng)中，將光纖布設(shè)在架空線路上。采用經(jīng)過處理的電纜運(yùn)用，如圖4所示，或?qū)⒐饫w附著輸電線表面。

圖4 植入光纖的電纜切面圖

通過監(jiān)測輸電線路應(yīng)力數(shù)據(jù)分析絕緣受潮或老化，對線路進(jìn)行受力分析，就能夠?qū)旊娋€路的可靠性進(jìn)行科學(xué)診斷。當(dāng)線路絕緣受潮，在重量方面有所增加，從而導(dǎo)線張力改變，可以根據(jù)檢測到的應(yīng)力數(shù)據(jù)來反向推算絕緣老化或受潮增加的重量。當(dāng)線路重量觸發(fā)閾值時，監(jiān)測系統(tǒng)會報警，從而保證工作人員采取有效的措施對電纜進(jìn)行處理。同時根據(jù)測得溫度數(shù)據(jù)，了解導(dǎo)線溫度情況，當(dāng)短路事故發(fā)生時，可以通過短路電流的熱效應(yīng)，判斷短路電流的大小，并根據(jù)導(dǎo)線溫度的突變，判斷事故發(fā)生的位置。而且長期積累線路的歷史數(shù)據(jù)可以對輸電線路的運(yùn)行和設(shè)計提供指導(dǎo)。

5 與現(xiàn)有電纜故障診斷方法比較

已有的電纜故障診斷方法主要分三類：電橋法、閃絡(luò)測試法和脈沖反射測試法。電橋法是早期的測量電纜故障的方法，包括電阻電橋法、電容電橋法和高壓電橋法。但電橋法的結(jié)果誤差比較大，且對于高阻故障及閃絡(luò)性故障無法測量。閃絡(luò)測試法也是比較常用的電纜故障測距方法，包括有沖擊高壓閃絡(luò)測量法和直流高壓閃絡(luò)測量法。其限制是波形相對復(fù)雜，準(zhǔn)確度不高，對操作人員的要求比較高。脈沖反射測試法也是目前比較常用的，包括低壓脈沖法、脈沖電壓法和脈沖電流法。脈沖法測試簡便，適用于電纜的高阻故障測量，但此方法會產(chǎn)生高頻干擾，給故障測距的結(jié)果帶來誤差，且有損壞電纜的風(fēng)險。

與現(xiàn)有的幾種電纜故障診斷方法相比，基于分布式光纖傳感系統(tǒng)的電纜故障檢測系統(tǒng)有三方面優(yōu)點。

（1）迅速。可以不間斷地測量溫度和應(yīng)變場分布，并對故障短路引發(fā)的線纜升溫和由于物理破壞受到的應(yīng)力變化，可以迅速反應(yīng)并告警。

（2）準(zhǔn)確。由于光纖傳感本身的抗磁特性，因此用于輸電線路測量合適，尤其是高壓輸電線路等具有復(fù)雜電磁環(huán)境的數(shù)據(jù)測量，能夠精準(zhǔn)測量地下電纜變化情況，測量的精度可以精確到米，對地下電纜的破壞和盜采做到迅速報警和定位。

（3）智能。分布式光纖傳感系統(tǒng)可與地下電纜環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)相結(jié)合，便于建成大范圍多點測量的地下電纜監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。通過在線遠(yuǎn)程遙測，可以更方便、更智能化地展示電纜運(yùn)行情況。并且通過數(shù)字化的分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)與智能電網(wǎng)的結(jié)合，可以更好地保障城市電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

由于光纖布里淵傳感技術(shù)存在一定的復(fù)雜性，其成本較高，而且存在著對現(xiàn)有電纜系統(tǒng)進(jìn)行升級和改造等問題，但隨著技術(shù)水平提升和成本降低，這些問題在不久的將來都能夠解決。

6 結(jié)束語

分布式光纖傳感系統(tǒng)為地下電纜的監(jiān)測和故障測距提供了新的思路和方法，不僅避開了傳統(tǒng)電纜故障測距的限制，通過復(fù)合式光纖電纜線構(gòu)造的分布式監(jiān)測系統(tǒng)，可隨時將電纜所受溫度和應(yīng)力變化實時上送，使地面監(jiān)測人員可實時觀測地下電纜運(yùn)行情況，并在電纜故障或物理損壞時收到告警并準(zhǔn)確定位，更好地保障了城市電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。