基于全光纖技術的電纜故障運行監測系統

高昇宇 王春寧 顧承陽

（國網南京供電公司，南京 210000）

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基于全光纖技術的電纜故障運行監測系統

高昇宇 王春寧 顧承陽

（國網南京供電公司，南京 210000）

在當前的社會當中，隨著社會經濟的不斷發展，在各個領域當中，都取得了較大的進步。其中，電纜作為一種重要的傳輸載體，在實際應用中發揮著至關重要的作用和意義。而在實際運行當中，電纜由于受到各種原因的影響，很容易發生各種故障，進而造成一系列的不良影響?；诖?，應當對基于全光纖技術的電纜故障運行監測進行研究和應用，從而確保電纜良好的質量和狀態。

全光纖技術；電纜故障；運行監測

在電力傳輸等領域當中，電纜是最為重要的載體之一，而在其實際應用當中，由于受到洪水、地基沉降、塌方、滑坡等自然災害，或是盜竊、施工挖斷等人為因素的影響，就很容易損壞電纜，造成線路故障，對電網建設效能產生不良的影響。所以，在電纜的日常應用中，應當采用基于全光纖技術的電纜故障運行監測，對電纜的運行環境進行定位、預警和監控，從而使電纜維護人員能夠更加高效的采取防護措施。

1 光纖傳感原理

在光纖當中，光的傳輸能夠對后向散射信號 1進行產生，因此，分布式光纖傳感技術能夠對此加以利用，并運用光時域反射技術，對溫度等參量的分布信息進行獲取。在光纖當中，如果對一定能量泵浦光進行注入，在纖芯分子、入射光子之間，將會產生相互的作用，因此，在纖芯的成分起伏、微光密度等方面變化的影響，就會發生多種散射現象。而在系統當中，注入光纖的光脈沖寬度，將會對系統空間分辨能力產生直接的影響。

圖1　光纖傳感原理圖

2 全光纖傳感技術電纜健康狀態監測系統

在系統當中，主要包括了3個子系統，分別是信息網絡化綜合平臺、電纜線路分布式光纖防盜預警檢測模塊、以及電纜分布式光線載流量/溫度安全監測模塊等。其中，第1部分主要包括系統展示、控制模塊、通信模塊、數據庫、數據采集處理系統等。其能夠對聯動控制裝置、采集設備、電纜防盜系統、測溫系統等進行集中的控制與連接?；诰W絡規模，平臺能夠對相應的標準硬件平臺進行選擇。在第2個部分當中，包含了傳感光纜、主機等設備。在第3個部分當中，主要應用了光纖、電纜、主機等部分。其中具有5ns的光脈沖寬度，具有0.5m的理論空間分辨力，而實測空間分辨力則在1m以下。在系統當中，協議、串口、網絡存在于各個子系統之間，能夠對事件進行智能化處理。具有良好的前瞻性、經濟性、穩定性、可靠性、簡約性等優勢。

3 處理流程

在電力電纜狀態監測系統當中，全光纖傳感技術能夠對安全防范、火災報警、溫度監測等功能加以實現。在其子系統當中，基于網絡化綜合平臺，還能夠形成完善、有機的一個整體，并且無縫連接各個子系統。在過去的安全防范系統、火災報警系統、溫度監測系統當中，相互之間是獨立的，需要利用繼電器和聯動設備才能夠實現聯動，并且需要進行復雜的連線，一旦某個環節發生問題，就無法實現聯動。而在該系統當中，協議、串口、網絡都存在于各個子系統之間，在兩芯屏蔽線的連接下，就能夠聯動監控、報警等功能，并且對事件進行智能化的處理。

圖2　系統數據處理流程

4 技術方法

4.1軟件平臺設計

在軟件平臺的設計當中，信息網蘆花綜合平臺，在總控中心當中，能夠對監控控制功能、信息資料調看等功能加以實現。通過對面向隊形模塊化設計方法的應用，對其進行設計，從而對系統的可擴展性、靈活性、穩定性等進行了提升。系統在總控中心當中，能夠按照管理、功能等方面的需要，在專用內部以太網當中，對管理平臺、綜合平臺等進行接入，聯合現場安防子系統，形成完整的安全保障網絡系統。在管理員的計算機當中，影帶那個對專用電子版地圖客戶端進行安裝，形成網絡客戶端系統。在總控中心當中，對權限進行分配，根據不同的權限，對不同范圍的前端監控設備信息進行調看。

同時，可以設置和操作相關的安全監測子系統主機。在信息網絡化綜合平臺當中，基于面向服務的架構，對分層松耦合結構進行了應用，融合了數據應用層、數據處理層、數據接入層等，并且可以靈活的替換、擴展各層功能。統一對數據接入進行管理，物力接入方式為訪問層屏蔽底層。這樣，平臺能夠對不同的規約方式進行接入，并且將統一的調用方式、數據表達等提供給上層應用。對多級數據傳輸和通信模式進行了應用，在主站、子站、設備之間，能夠進行多機數據傳輸，從而集中監控相應設備。

4.2防盜預警監測

在防盜預警監測模塊當中，對光時域反射技術進行了應用。在光纖當中，廣播會在傳輸時產生背向散射，例如瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射等，其中具有最大光強度、并且散射光波長不發生變化的就是瑞利散射。在光纖背向散射當中，主要引起散射光的原因在于不均勻的傳輸介質，其中沿著光路傳輸反方向，會有一部分光返回發射端。根據這種規律，可以利用光時域反射儀進行測量。在防盜預警監測模塊中，和光時域反射計相似，從光纖一端將光脈沖注入，對后向瑞利散射光利用光探測器進行探測。而通常會注入高度相干的光在光纖當中，所以，在脈沖寬度區域當中，反射瑞利散射光相干干涉的結果，就是傳感系統的輸出。在頂衛星全光纖周界安防系統中，對接收信號、注入脈沖之間的時間延遲進行測量，從而對擾動位置進行掌握。

圖3　防盜預警監測模塊

4.3載流量/溫度安全監測

在該監測模塊當中，包含了電流記錄儀、載流量軟件、感溫光纜、光纖溫度傳感器等。其中，對電纜全線溫度，克利用分布式光纖溫度傳感器，進行實時在線周期性的監測，重點監測可能發生故障的電纜接頭。在該技術當中，傳感器采用了光纖，在被測物體表面，直接對光纖進行敷設?；谔囟ōh境，通過光波的形式，向光纖端部回傳相應的溫度信號。在該技術當中，對于點式設備或極長的線型設備，可以利用一根或幾根光纖實現監測。在拉曼分布式光纖溫度傳感器當中，可以對傳輸信號、光纖感測信號等，同時進行應用，利用拉曼散射光溫度敏感性，以及OTDR技術，能夠對光纖不同位置的溫度情況進行探測，從而實現分布式測量的要求。

在光纖當中，注入一定能量泵浦光，光線散射點溫度調制，會對拉曼散射光產生影響，背向散射拉曼光在A/D轉換、光電轉換、光學濾波之后，在信號處理系統當中，能夠顯示溫度信息。對于溫度場空間信息，可以利用背向散射光回波時間、光纖中光的傳輸速度加以定位。利用在流量監控軟件，能夠對施加負載電流的電纜表面溫度進行測量，從而得到電纜導體的溫度，并對現場電纜運行中，是否超過了允許的最高工作溫度。通過這種方式，能夠對電纜的運行狀態進行判斷，并對負荷電流進行調整，更為有效的監控電纜運行。利用載流量/溫度監測系統、電流記錄儀等，能夠對電纜表面溫度信號、負荷電流信號等進行采集，并向計算機進行傳輸，通過對電纜導體溫度的計算，對電纜載流能力進行判斷。

5 測試結果

在基于全光纖技術的電纜故障運行監測當中，實際測試了系統的運行情況。在實際測試當中，采用了 20km的光纖電力電纜，在測試過程當中，對測試點的位置進行不斷的更改，對系統監測的振動異常、載流量異常、溫度異常等情況，能夠自動進行報警，并對發生異常情況的位置進行明確。在基于全光纖技術的電纜故障運行監測系統當中，可能夠采取圖文結合的方式，對被測點的警報信息、電壓、時間、位置等進行顯示。在載流量和溫度安全監測系統當中，對空間分辨能力進行了測試。根據結果能夠得知，在穩定的光纖溫度之下，利用水銀溫度計，對電纜測試點暫態溫度進行測量，并且對比分布式實時測量的溫度，從而對系統的溫度計量精度進行了解。加熱光纖中的一個相鄰的位置，并對溫度進行測量，同時測量兩個位置之間的距離，對比分布式實時測量結果，從而對系統的空間分辨能力進行獲取。在電纜的測試當中，采用不同的光纖位置對不同的電流強度進行傳輸，利用載流量和溫度測量子系統和電流記錄儀，對電纜中的溫度信號、負荷電流等進行采集和測量。在電纜線路遭受到盜竊破壞等情況的時候，會產生不同的振動波形圖，能夠被系統進行監測。沿著電纜線路，對整條光纜進行敷設，然后利用瑞利散射信號的分布情況，對瑞利曲線圖進行獲取。其中，光纜的位置作為曲線圖的橫坐標，瑞利散射的信號電壓幅度作為曲線圖的縱坐標。在區段位置27900m到27950m的位置，獲取光纜遭受盜竊破壞的時候所產生的振動波形曲線，以及振動背景噪聲波形等。將振動信號電壓幅度設定為縱坐標，將時間設定為橫坐標。根據觀察能夠得知，如果被測點位置只具有0.01V以下的振動背景噪聲幅度，則說明電纜情況正常。如果被測點位置產生了超過0.02V以上的振動信號幅度，則可能遭受到了盜竊破壞。因此，系統共過分析對比光纜偷盜圖譜，就能夠對偷盜事件進行識別。

6 結論

電纜作為一種十分重要的電力傳輸承載體，在很多領域當中都有著十分重要的作用。而在電纜的實際運行當中，由于受到各種原因的影響，可能會發生運行故障，或是遭受到破壞等。因此，利用基于全光纖技術的電纜故障運行監測，能夠更好的監測和識別電纜的運行情況，及時發現電纜出現的問題，從而確保電纜良好的運行狀態。

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江蘇省電力公司科技項目資助（J2015055）