Φ-OTDR 技術在電力系統光纜監測中的應用

吳建靈，季 偉，葉向陽，王文軍，吳俊杰，徐常志，葉俊健

（1.麗水正陽電力建設有限公司，麗水 323000；2.深圳市特發信息股份有限公司，東莞 523000）

0 引言

電力產業作為國家經濟的命脈產業之一，對維護國家產業布局，調整能源結構的重要性日益明顯。隨著國家電網泛在電力物聯網戰略規劃的提出，大規模的光纖網絡得以鋪設，電力通信光網絡的穩定性和可靠性關系著兩網融合后新型電網的安全有效運行。普通的人力巡察存在故障查找困難、排障時間長、修復成本過高等缺點。因此，如何實時的監測光纖的故障隱患，如何管理和維護光纜線路以確保通信系統安全穩定運行已成為重要問題。

1 基于背向瑞利散射的傳感技術

1.1 傳統的OTDR 技術

OTDR 的典型結構圖如圖1所示，光源從激光器中發射，入射波經過環形器，在磁場作用下，傳遞到接入端口的傳感光纖，光纖中的光纖中的瑞利散射光向各個方向散射，當光纖受到外界振動影響，因光彈效應背向瑞利散射光沿著光纖返回入射端，通過環形器從另一端口入射到光電探測器中，經光電探測器接收并轉化為電信號，最終送入到系統的信號采集和信號處理系統中。

圖1 OTDR典型結構圖

傳統的OTDR 采用的激光光源非常微弱，光脈沖光波內散射光相互干涉的響應度較小，需要對散射回的信號進行多次累積處理才能采集到信號，從而影響到監測光纜線路損耗的數值。而且不用破壞光纜并做一個全面的檢查。在工程應用中傳統的OTDR 路由標定技術定位精度低±10–50 m，且不具備GIS 系統。因此，當發生光纖斷點時往往依靠人工下井來回跑巡查確定斷點所在的位置，如此費時費力大大增加了電力光纜維護的成本，且效率不高。

1.2 Φ-OTDR 傳感技術

光彈效應也叫作雙折射效應，它是物質的彈性形變，產生雙折射引起其折射率發生變化的物理現象。當光纖發生光彈效應時，光在光纖中的瑞利散射光因折射率發生變化，進而引起光纖中所傳輸光的相位變化。

假設傳 感光纖長度為l，λ 為光的中心波長，n為光纖的折射率，通過相位公式計算出φ：

由式（1）可知，當該傳感光纖受到外界環境引起的振動變化時，光纖中傳輸的光信號受到影響，光的波長發生改變，其相位隨之發生變化，相位變化量公式如（2）所示

根據△φ 的變化信息，可推算出對應光纖位置的相位的變化，再根據該背向散射光的光強變化，就可以推算出相應的振動信息。

與OTDR 不同的是，Φ-OTDR 采用一窄線寬激光光源，其原因是OTDR 采用的低相干性脈沖光源抑制了相位變化，而Φ-OTDR 選取的窄線寬激光光源，其發出的窄線寬的連續光經脈沖調制器調制為脈沖光（脈沖寬度20 ns），再經EDFA 進行放大后通過環形器注入到傳感光纖中，以產生背向瑞利散射光信號。產生的背向瑞利散射光信號經光電探測器接收并轉化為電信號，最終送入到系統的信號采集和信號處理系統中。Φ-OTDR系統結構圖如圖2所示。

圖2 Φ-OTDR系統結構圖

相比傳統的OTDR 技術Φ-OTDR 定位精度要高，傳統的OTDR 技術定位精度±10–50 m，而Φ-OTDR定位精度可達到±5 m 的高定位精度。

2 光纜故障原因及分析

由于我國國土遼闊，工程建設過程難免會出現意外挖斷地下通信光纜的情況，例如華北某油田輸油光纜光纖斷點定位修復，津滄線幾根冗余芯也在此處斷裂，后在現場證實是中鐵建設施工挖斷。現場如圖3所示。

圖3 中鐵施工挖斷光纜現場圖

最為常見的光纖故障：

（1）人為破壞（包括挖傷、砍斷、火燒、砸傷、施工時光纜打絞等）。

（2）不可抗力造成（如桿倒、地質沉降、地震）。

（3）中間接頭內光纖斷。

（4）中間接頭內光纖收縮嚴重或光纖焊接頭老化。

（5）光纜內斷。

（6）終端盒里面光纖焊接頭接不好。

3 基于Φ-OTDR 技術的工程應用方案

城市內光纖網絡四通八達為了能夠更好的維護城市的通信網絡，減少經濟損失使用先進的Φ-OTDR 技術無疑是一種明智的選擇。如圖4所示。

圖4 Φ-OTDR技術應用架構圖

光纖斷點定位步驟如下：

（1）路由標定。主機接入光纖后，通過路由標定確定光纜實際位置以及走向，并在地圖上進行標注，當有光纖出現斷點后，會在主機軟件界面上顯示報警。設備聯網后，通過載入百度地圖顯示光纜所在位置地圖，并設定中心點，選定當地所在位置，在地圖上標出光纜走向圖，當有報警時，界面會出現一個彈窗，顯示光纖斷點位置。并可比對現場光纜實際位置，查看實際斷點位置。

（2）確定損壞光纜斷點位置。首先，將損壞的光纖（圖5中的1號光纜）接入分布式光纖振動傳感系統，測量并記錄光纖斷點的纖長數據，這里可假設光纖斷點位置的纖長為550 m。

圖5 光纖斷點定位示意圖

（3）振動測試。為進一步確定光纜斷點位置，在測量的光纖斷點附近（只做大概估計即可），利用大錘、鉛球、鏟背等工具，在光纜正上方的向下砸擊地面，此時，分布式光纖振動傳感系統會呈現出圖6的振動曲線。

圖6 光纖振動曲線圖

通過觀察現場測試點，會對現場光纜所處環境造成干擾，導致光纜光源走向發生改變，促使斷點前振動曲線上升，從而進一步判斷光纜斷點位置。

4 結束語

文研究圍繞傳統OTDR 技術展開，詳細說明了基于背向瑞利散射Φ-OTDR 技術的原理。從工程應用的角度去分析對比了OTDR 技術和Φ-OTDR 技術的優劣，在以往采用傳統OTDR 技術的的光纖斷點定位中，如何快速準確定位光纖斷點所在地理位置是最大的難點。一般需要挖開光纜，而往往要開挖很多的坑才能逐步逼近找到斷點，過程耗時耗力效率低。相比之下Φ-OTDR光纖斷點定位傳感系統采用光纖振動測試的方式進行斷點的定位，不用多次開挖和直接接觸光纜，效率和準確性都大大提高。