基于光纖傳感器的電力電纜故障在線測距系統*

趙展，卜樹坡，劉昊

（蘇州工業職業技術學院電子與通信工程系，江蘇蘇州215104）

0 引 言

隨著城市化水平提高和現代工業的發展，電力電纜作為重要的傳輸電能工具，越來越引起人們的關注。由于人為的違章施工作業、地面沉浮和絕緣老化等因素造成電纜故障，引發供電系統癱瘓從而造成不必要的損失。為了保證輸電線路安全穩定運行，對電力電纜進行故障監測顯得尤為重要。目前電纜的故障檢修費時又費力，尋求一種快捷、準確的電力電纜故障測距方法，來縮短檢修時間和減少停電損失，已成為國內外科研技術人員的共同目標［1］。電橋法和低壓脈沖反射法可以解決低阻和斷路故障，直閃法、沖閃法以及二次脈沖法可以解決高阻和閃絡故障［2-4］，這些傳統方法測量電纜故障點距離原理簡單，但需要斷電后離線測量，并且故障修復時間長。針對傳統方法存在的這些缺點，采用光纖傳感器對電力電纜狀態進行監測，實現在線對電纜故障點快捷、準確的測距。

1 系統的總體設計方案

本系統的電纜故障點在線測距是基于光纖傳感器的外差探測的Ф-OTDR光時域反射機理來實現的［5-7］。當電纜發生故障時，假定某一時刻t接收到的后向瑞利散射干涉信號可表示為［8-9］：

式中ER（t）是后向瑞利散射干涉信號的振幅；φR（t）是后向瑞利散射干涉信號的相位；ω是入射脈沖光的頻率。

經過移頻后的參考光信號可表示為：

式中Ec（t）是參考光的振幅；φc（t）是相位；Δω是移頻器引入的頻移量。

最后，通過光電檢測器接收到得交流電信號為：

式中 φ（t）＝φc（t）-φR（t）；θ（t）是Ec（t）和ER（t）的相對偏振角。

如果t時刻接收到得后向瑞利散射干涉信號受到了故障點振動的影響，則可表示為：

式中 φV（t）是振動引起的相位變化。

此時，光電檢測器接收到的交流電信號可表示為：

式中 φ′（t）＝φc（t）-φR（t）-φV（t）。

光電檢測器將交流信號送入到信號C′（t）采集和處理系統中，經過信號處理，即可得到關于故障點振動的位置和頻率信息。由于振動引起的光相位變化φV（t）最終會反映為后向瑞利散射信號的振幅變化，通過對不同脈沖所產生的后向瑞利散射信號振幅做差，即可得到故障點的位置信息。

本系統幾個主要部分組成：激光發射電路部分、光電檢測電路部分、數據處理與存儲電路部分和GPRS通信電路部分，系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構框圖Fig.1 System structure block diagram

首先系統微處理器控制激光器產生符合要求的窄線寬的光脈沖，其中的一路光用作系統的信號光，另一路光經移頻器用作參考光。信號光經功率放大電路放大注入到測量光纖傳感器中，反饋的光能量用環形器將入射到光纖的激光脈沖與反射回來的信號分離后，分離信號和參考信號經耦合器輸入到光電檢測電路，再經光電檢測電路把光信號轉換為電信號并放大后傳送給數據處理與存儲電路，微處理器對檢測的信號進行分析處理，計算出故障點的距離，并將距離信息通過GPRS通信電路傳送到遠程主控室的計算機中。

2 系統硬件電路設計

2.1 激光發射電路

激光器是Ф-OTDR光纖傳感器中最為關鍵的元件。本系統采用某科技有限公司OTDR專用半導體激光器OPLS-LDFW55-40-P，其輸出功率可以達到50 mW。系統的微處理器控制激光器產生窄線寬的光脈沖經功率放大器注入到光纖中，功率放大器由芯片IC-HK實現，IC-HK芯片可為激光器提供波形良好的電流脈沖，最大驅動電流達到1 400 mA。激光發射電路如圖2所示。

圖2 激光發射電路Fig.2 Laser transmitting circuit

2.2 光電檢測電路

由于背向散射光非常弱，光電管選用具有雪崩增益的 APD（Avalanche Photo Diode，雪崩光電二極管）作為光信號接收器，其能對器件內部的光生載流子電流進行放大。采用高精度低噪聲的運算放大器OP37完成光信號到電信號的轉換，同時將電信號進行了初步放大，然后采用程控增益放大器VCA810對電信號進一步放大，來滿足A／D轉換器對采樣電壓的要求。光電檢測電路如圖3所示。

圖3 光電檢測電路Fig.3 Photoelectric detecting circuit

2.3 數據處理與存儲電路

系統采用有源濾波芯片MAX274對檢測的信號進行濾波，來消除環境噪聲的干擾。該芯片內部有2階可變濾波器單元，可實現巴特沃斯型、貝塞爾型及切比雪夫全通型濾波器，濾波效果比較好［10］。濾波后的電壓信號送入12位模數轉換器AD9233芯片中，它具有125 MSPS轉換速率，650 MHz帶寬，滿足系統的要求。由于對光纖傳感器采集的信號多次采樣以達到累加次數，將產生巨大的數據信息，因此，采用 SRAM（ISSI61LV25616）和 FIFO（IDT7203）對采樣數據進行緩存。系統的微處理器采用某公司的TMS320F28335，它具有150 MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，用來完成系統的光脈沖產生、數據的處理和存儲等功能。

2.4 GPRS通信電路

微處理器TMS320F28335將數據進行處理，計算出電纜故障點距離信息，并通過GPRS通信電路實時遠程發送到主控室的計算機中。本系統選用SIM300模塊進行GPRS通信，可實現數據的低功耗高速傳輸［11］。GPRS通信電路如圖4所示。

圖4 GPRS通信電路Fig.4 GPRS communication circuit

3 軟件設計

在CCStudio V6.0.1編譯環境下編寫系統的在線測距程序代碼，實現對窄脈沖產生，數據的處理、分析、實時顯示、存儲和數據遠程傳送等功能。系統程序流程如圖5所示。

遠程主控室計算機監測界面采用VB軟件編寫，對發來的GPRS數據進行解包和存入數據庫，便于工作人員對電纜狀態信息進行查看、調閱以及數據報表打印等，并對發生故障的電纜及時報警和顯示故障點距離。

4 現場測試結果分析

為了驗證系統的在線測距性能，對實驗區電纜進行分段挖掘實驗。測距結果如表1所示。

表1 測距結果Tab.1 Consequence of location measurement

圖5 系統程序流程Fig.5 Systematic program flow chart

由表1可見，隨著測試距離的增加，測量距離與實際距離的偏差值均在6 m左右。將本在線測距系統應用于10 kV某乙線路電纜監測中，為了適應20 km的監測距離，系統的脈沖頻率設定為1 kHz，脈沖寬度設定為200 ns。2016年9月16日主控室計算機監測界面報警并顯示電纜發生故障，故障點距離為850 m。經現場挖掘，在856.1 m處發現電纜故障點，電纜故障為本體故障，如圖6所示。由測距結果可知，系統的測距誤差為0.72%，同樣采用電橋法進行測量，故障點距離為859 m，測距誤差為1.1%，由此可見，本系統測距誤差比電橋法測距誤差小，測量精度較高。

圖6 電纜故障點實物圖Fig.6 Cable fault point figure

5 結束語

文中探討了基于光纖傳感器在電力電纜故障測距中的應用，應用光纖的Ф-OTDR機理來實現故障點距離的監測，解決了離線測距存在的斷電測量弊端，并采用GPRS技術實現的遠程數據傳輸。通過現場測試，系統能夠較好的測試故障點距離，誤差較小，滿足現場要求，因而此系統具有較強的推廣應用價值。