基于單防區(qū)振動光纖的高壓電纜防外破監(jiān)測預(yù)警裝置研發(fā)

馮忠奎，李 陽，車俊儒，張 哲，趙彥龍

（國網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司，山東 淄博 255000）

隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，現(xiàn)代的城市要求是地上空間無電力電纜，架空線路入地是電力線路發(fā)展的重要趨勢。但是城市施工的增加，工程建設(shè)單位在施工過程中，對電力設(shè)施的保護意識比較薄弱，外力的破壞一直威脅配電網(wǎng)的安全運行，頻繁造成電纜故障而停電，電纜受外力破壞的次數(shù)越來越多，而且逐年增加，對配電網(wǎng)的安全供電造成極大的影響[1-2]。傳統(tǒng)的人員盯防的巡檢方式以及加裝電纜標示樁的方法，須要耗費大量人力進行不間斷盯防，也無法實現(xiàn)主動預(yù)警，因此不能從根本上解決外破跳閘事故的發(fā)生[3-4]。針對存在的問題，本文開展利用基于單防區(qū)振動光纖的高壓電纜防外破監(jiān)測預(yù)警裝置研發(fā)，從而代替人工盯防，既能提高工作效率，又可以節(jié)約大量人力物力。

1 監(jiān)測預(yù)警裝置的原理

光纖作為信息傳輸通道，還能作為傳感器。將光纖敷設(shè)在電纜通道中，便可以借助光信號獲取電纜的應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)據(jù)，達到實時監(jiān)測工況的目的。光波在光纖中傳輸時，光波會產(chǎn)生散射，光纖振動傳感技術(shù)便是利用光時域反射的干涉機理，來對電纜工況開展實時監(jiān)測，當電纜附近產(chǎn)生外部擾動，便會在光纖附近產(chǎn)生振動，造成光纖散射光的相位發(fā)生變化，光相位變化會導(dǎo)致光強變化。光纖附近存在振動時，線芯會形變，導(dǎo)致線芯長度和折射率發(fā)生變化，造成光纖中光的相位變化。根據(jù)變化關(guān)系建立數(shù)據(jù)關(guān)系對應(yīng)模型，對外破信號識別判斷，從而對同溝敷設(shè)高壓電纜外破進行監(jiān)測。

2 監(jiān)測預(yù)警裝置的結(jié)構(gòu)

國網(wǎng)山東淄博供電公司列支群創(chuàng)項目資金，開展基于單防區(qū)振動光纖的高壓電纜防外破監(jiān)測預(yù)警裝置研發(fā)（編號2023Q-3），成功研制出基于單防區(qū)振動光纖的高壓電纜防外破監(jiān)測預(yù)警裝置，由8部分組成：振動光纖主機、終端包、光纖尾纖、報警主機、總線報警鍵盤、聲光警號（室外）、電源、振動光纜。

2.1 振動光纖主機

根據(jù)電纜安裝位置和安裝方式的不同，振動光纖主機安裝方式可以選擇為掛網(wǎng)、地埋、嵌墻3 種方式。安裝完成后，監(jiān)控區(qū)域為1 臺設(shè)備可同時設(shè)置4 種介質(zhì)。采用網(wǎng)絡(luò)通信方式，報警方式有振動、斷纖、防拆3 種形式，設(shè)備供電采用DC 12 V 供電方式。使用環(huán)境為溫度－40～+50 ℃，適用于絕大多數(shù)地區(qū)的電纜，如圖1 所示。

圖1 振動光纖主機

2.2 終端包

每個防區(qū)配置終端包1 個，終端包可承受16 N·m 的沖擊，環(huán)境溫度為－20～+55 ℃，能承受>1000 N 的軸向拉伸力，耐受2000 N/cm 壓力1 min，抗壓扁能力強，能承受16 N·m 沖擊3 次；沉入1.5 m 深的水中浸泡24 h，盒內(nèi)絕緣電≥2×10 M?/500 V（DC），絕緣電阻滿足要求。使用環(huán)境為溫度－40～+50 ℃，適用于絕大多數(shù)地區(qū)的電纜。

2.3 光纖尾纖

每個防區(qū)配置光纖尾纖1 條，光纖尾纖接口類型為FC/APC，長度1.5 m，工作波長1 550 nm。

2.4 報警主機

中文液晶操作鍵盤，采用高速數(shù)字通信方式，兼容Contact ID 數(shù)字通信協(xié)議； 主機具有看門狗功能，可以防止死機；智能語音提示，內(nèi)置語音模塊，進行語音報警；可對系統(tǒng)進行各種編程設(shè)置，如報警聲方式、防區(qū)類型、遠程控制、報警電話號碼、電話線檢測等。 可自定義外破報警延時及鳴笛時間。主機具有充電電路，可內(nèi)置DC 12 V 密封鉛酸電池，停電不停機。電池低壓自動斷電功能，避免電池因電壓過低無法充放電而報廢，如圖2 所示。

圖2 報警主機

2.5 振動光纜

選取單模光纖作為信息通道，將信號發(fā)送至主機，對電纜外力破壞開展實時監(jiān)測，基于閾值大小對告警級別開展設(shè)置，由此分辨大型挖掘機、機械打樁機、拖管機、手持機械、施工勘探機。采用4芯單模通信光纜，允許彎曲半徑為靜態(tài)10 倍光纜外徑、動態(tài)20 倍光纜外徑，纖芯為國標G652D 纖芯。

3 應(yīng)用效果

為驗證系統(tǒng)能否對外破異常信息準確告警，以xx 供電公司在建道路維修路徑的光纜為對象，在xx供電公司的20 條線路加裝基于單防區(qū)振動光纖的高壓電纜防外破監(jiān)測預(yù)警裝置，并對應(yīng)用基于單防區(qū)振動光纖的高壓電纜防外破監(jiān)測預(yù)警裝置情況進行了跟蹤、記錄，如表1 所示?？梢缘贸鼋Y(jié)論，根據(jù)施工類型的不同，施工點距離光纖0.5～0.6 m 時，在2 s 以內(nèi)全部觸發(fā)報警信號，正確報警率100%。

表1 用新型儀器實施后正確率對比表

檢測到存在外破風險的施工后，系統(tǒng)可向外破盯防人員微信推送報警信息，實現(xiàn)主動預(yù)警，如圖3 所示。

圖3 基于單防區(qū)振動光纖的高壓電纜防外破監(jiān)測預(yù)警裝置的微信信息推送

4 結(jié)束語

本文設(shè)計并構(gòu)建了基于單防區(qū)振動光纖的高壓電纜防外破監(jiān)測預(yù)警裝置，該裝置能夠有效識別出拖管機械、挖掘機、打樁機等多種類型的振動源，在短時間內(nèi)上傳后臺，并將告警信息推送至外破盯防人員微信，將電纜外破盯防轉(zhuǎn)為主動預(yù)警，有效預(yù)防外力破壞事件，實現(xiàn)電纜通道了的智能化監(jiān)測，避免了電纜外破事故的發(fā)生，提升了電纜精益化運維水平，提高供電可靠性。