基于光纜可視化系統的光纜運行狀態感知技術

倪蘇洋，蔣思珺，葛振宇

國網江蘇省電力有限公司南通市通州區供電分公司，江蘇南通，226000

0 引言

基于現階段我國社會經濟的高速發展，對電力資源需求逐漸增大，為提升電力輸送效率，在高壓輸電線路日益側重采用光纜，用于實現電力傳輸和信息通信。但綜合考慮線路所處的環境，對其運行狀態會產生諸多影響。為此，相關電力公司應當注重對光纜的運行狀態實施良好感知和檢測。結合現代科學技術的發展以及智慧電力的創新趨勢，應當合理運用光纜可視化系統，合理選擇光纜運行狀態感知技術，以此實現全面監測，保證光纜線路能夠安全、可靠運行，充分實現電力傳輸和信息通信等功能，推動電力行業持續進步。

1 光纜可視化系統

1.1 前端感應監測裝置

在當前光纜可視化系統中，前端感應監測裝置是一項重要組成部分，其主要是通過感知層進行傳感器采集數據，再利用傳輸層將數據傳輸到系統后臺，能夠合理判斷光纜的運行狀況。比如利用距離傳感器借助超聲波信號發送和接收時刻的時間差與信號在介質中的傳播速度等，實現距離測量，在道路、河流、鐵路、下架空光纜線路上有效監測其運行狀態，起到預防事故的良好作用[1]。

1.2 后臺展示控制系統

當前端感應監測裝置采集到數據后，可傳輸到后臺展示控制系統進行分析和處理，并實現可視化功能。系統管理員可對全部數據進行添加、刪除、修改、查詢等功能，并利用圖形顯示溫度、濕度等數據，保障其更具有直觀性。通常情況下，后臺展示控制系統的組成包括數據通信模塊、數據處理服務器、客戶端以及綜合分析軟件等，統一接收前端感應監測裝置的數據，并實施大數據分析，集中進行可視化展示，同時具有查詢歷史統計數據、生成報表、輔助決策等智慧化功能，便于開展光纜資源管理。

1.3 監測結果與分析

光纜可視化系統能夠根據監測結果進行分析，實現光纜運行狀態的綜合監測。其主要是將前端監測裝置固定安裝在桿塔之間光纜的弧垂處，使其與地面保持垂直，有利于對光纜的對地距離、溫濕度、傾斜等運行狀態進行實時的智能化監測、預警與分析決策，并在后臺顯示器中直觀展示光纜運行狀態，有利于管理人員掌握光纜運行效果，避免發生故障問題，確保電力光纜運行具有穩定性和安全性。

2 光纜運行狀態監測方法

2.1 點式靜態參數監測

隨著當前在電力輸電線路中對光纜線路的使用越來越頻繁，為保障其運行狀態良好，采用相應的光纜可視化系統實施監測。在實踐過程中，利用狀態感知技術主要是對光纜線路采取點式靜態參數監測方法，即是在前端監測裝置中利用光纖光柵傳感器。通過對各類參數進行整合，借助特殊的精密轉化結構監測反射波長，能夠有效獲取溫度和光纖廣深應變變化情況，并且通過不同傳感器來改變傾角狀態與反算拉力參數。比如當電力光纜線路出現覆冰狀態時，以往的監測傳感器在采集數據的過程中，存在易飽和與動態范圍狹小的現象，無法準確監測光纜運行狀態。而利用點式靜態參數監測方法，則能夠在架空光纜覆冰量增加的情況下自動開展監測，通過利用慣性傳感器精準收集相應的數據信息。通過真實場景模擬輸電線路覆冰檢測實驗，可對熟悉電線路從最初的無覆冰到覆冰狀態最后到熔化全程進行監測，通過試驗結果分析，點式光纖維覆冰檢測的誤差均處于2mm以下，充分展現出點式光纖維傳感器在覆冰電力光纜線路監測中的作用，準確度較高[2]。

另外一方面，點式靜態參數監測能夠對光纜線路實施絕緣子污穢監測，其一般是基于污穢對光傳輸路徑折射率改變完成傳感。在光纜可視化系統的支持下，利用光強污穢檢測傳感器可有效監測線路運行狀態，比如對其傳感元件選擇為石英玻璃，當有污穢物質散落到石英玻璃中，就會導致石英玻璃的折射率發生改變，影響光在石英玻璃上的傳輸強度，借助反推污穢方法能夠獲取現場光纜線路情況。當絕緣子光纖光柵監測方法應用在實踐中時，能夠對光纜線路運行狀態監測發揮良好效果，比如在我國10kV輸電線路中，對光纜線路進行絕緣子表面檢測，通過黏附溫度補償光纖和應力光纖，再利用不同濃度的硝酸開展絕緣子腐蝕度測試，能夠獲得復合絕緣子脆斷、起裂以及嚴重裂縫等監測閾值，有利于為光纜線路運行提供高效的運行狀態監測和故障預警功能。

2.2 分布式溫度和結構靜態的參數監測

利用光纜可視化系統時，對光纜運行狀態實施監測，可利用分布式傳感器，其可達到長距離的無緣監測，有效應對復雜環境下的電力光纜線路運行狀態檢測，并具備較強的抗干擾能力和容忍度，對線路健康監測應用效果較好。尤其在當前新時代下，我國在電力光纜線路中，主要采用光纖復合架空線路、復合相線等，為保障線路運行具有可靠性，應當加強對各項運行參數的監測，借助可視化優勢實現光纖資源的科學管理。在實踐環節中，將分布式傳感器設置在系統前端監測結構中，利用富余的光纖作為傳感光纖，有利于減少監測設備的投入成本，在我國光纜線路鋪設規模日益擴大的形勢下，分布式傳感器監測方法具有較好的適應性。同時分布式光纖傳感器具有全線監測功能，保證前端數據采集的完整性，基于后臺可視化系統輔助管理決策。另外，現階段在光纜線路運行狀態感知監測中，對傳感器的動態監測精度要求持續提高，利用分布式傳感器進行數據采集，經過系統處理后，可視化分辨率不超過100m，有利于精準定位光纜線路[3]。在實際的電力光纜線路運行狀態檢測中，利用分布式結構進行參數檢測，主要原理是利用布里淵散射信號完成通信光纖應變和溫度的參數測量，了解輸電線路的溫度狀態、覆冰狀態以及弧垂狀態，從而及時做出動態增容或融冰處理手段。

2.3 輸電線路舞動狀態檢測

由于電力架空光纜在運行過程中可能出現舞動狀態，很容易引發線路短路和電力跳閘等風險，甚至會造成電力桿塔螺栓松動、強度下降或自損壞等現象，嚴重的還會出現倒塌事故。為此應當利用可視化系統加強對線路的運行狀態監測，盡可能避免出現各種不良事故。不過與線路覆冰狀態監測相比，舞動狀態的頻率參數相對較高，在檢測過程中也能夠得到良好的響應，因此在監測過程中，光纖傳感器的頻率不小于3Hz即可。在實踐中為更好的實現光纜運行狀態感知，主要是利用FBG拉力傳感器，以此完成線路舞動狀態檢測，其相比于以往的傳感器檢測具有良好的動態頻率相應效果。在操作環節，相關人員可將FBG應變傳感器設置在監測線路桿塔上，感知架空線路桿塔的應力改變來完成線路舞動情況監測。這種監測方式的主要特點在于可以直觀地掌握線路舞動情況，但盡可能進行準分布式測量，無法大范圍地獲取電力線路舞動情況。為了有效監測遠距離電力架空光纜線路的分布式舞動狀態，可引入敏感時域反射技術，通過處理算法對架空線路舞動情況進行檢測，但是在實際應用中由于偏振狀態影響因素較多，在遠距離的架空線路傳輸時，也容易受到外部因素帶來的干擾，降低線路的可靠性，在未來發展階段中，仍需進一步開展研究，解決當前存在的不足和缺陷[4]。

3 基于光纜可視化系統的電力光纜運行狀態感知技術應用

3.1 環境溫度監測

利用光纜可視化系統進行光纜運行狀態感知技術應用，主要是利用光纖分布式傳感器進行溫度監測，其原理主要是通過拉曼光時域反射和布里淵時域反射原理，能夠完成電力光纜線路溫度監測任務，通過在線狀態監測可有效進行運行狀態管理，有利于取得良好應用效果。例如在陸地光纜線路的運行狀態監測中，可通過在線路表面敷設光纖，并且將其置于金屬保護套內，通過光纖測溫結果來推算出線路溫度狀態。而高壓輸電線路中對光纜的溫度監測，主要是利用BOTDR技術，通過1kV三項光纖復合配電來和光纖通信分布式溫度進行測量，傳感器的距離達到1km，被測電纜的長度也要求滿足100m距離要求，監測電纜線路和光纖溫差0.018℃。如果線路電壓等級較高，則光纖和導體溫度也會相應增大，在溫度的推導過程中也存在一定難度，通過運用分布式傳感器能夠直接對導體溫度實時測量，即是將溫度傳感器植入高壓輸電線路的導體內部，直接測量導體溫度，并傳輸到后臺進行可視化現實，進一步提高光纜運行狀態監測的可靠性。再比如對于海底光纜線路的溫度監測，應當綜合考慮其鋪設特點，如線路較長、環境較為特殊等，所以其內部集成的光纖一般采用單模光纖，在進行海底光纜溫度監測時，運用光纜運行狀態感知技術，需要發揮出光纖較大的散射強度，例如利用BOTDE技術對海底線路的應變和溫度開展同步檢測，設置分布式監測系統，分別對布里淵頻移和功率進行測量，完成應變和溫度分離，并直觀顯示在后臺控制系統，為相應管理人員提供監測數據，有效開展維護及管理工作[5]。

3.2 入侵以及破壞監測

近年來，光纜在高壓輸電線路中得到較為廣泛的應用，在其運行過程中很容易遭受外部入侵或破壞，對線路的運行安全造成嚴重的影響。為保障光纜發揮正常功能和作用，應當積極運用光纜運行狀態感知監測技術，基于可視化系統進行有效的安全管控。通常情況下，可設置光纜線路破壞監測系統，其主要是利用-OTDR技術來完成線路振動信號的監測。由于線路外部入侵造成的光纜振動頻率一般都會達到100Hz～1000Hz左右，因此通過高壓入侵和輸電線路破壞監測傳感技術，保證振動頻率監測處于該頻率范圍內。在實踐應用過程中，將-OTDR技術運用到海底電纜的機械擾動監測中，能夠通過對光纖復合輸電線路與58.6m光纖有效銜接，完成水下傳感性能和聲學特性模擬，可以滿足20m的1.7kHz信號精確定位，表示常規光纜監測振動信號具有良好的可行性，即是利用-OTDR技術在海底輸電線路振動監測過程中，運用光纜運行狀態感知監測技術對線路拖曳以及船只落錨造成的損傷現象進行模擬，可以準確評估線路振動參數，并且在后臺控制系統中完成初步故障判斷[6]。同時，也可利用內嵌式光纖技術進行海底光纜線路振動監測，有利于借助可視化系統呈現線路的動態應變情況。這是由于內嵌光纖監測系統能夠進行所有光纜位置的應變程度進行量化，并滿足10km的高分辨率識別效果。利用該系統進行測量時能夠充分突出光纜的張力特點，監測船只拋錨等狀態，確定海底光纜線路的損害情況。除此之外，在光纜運行狀態感知監測中，通過分布式光纖傳感器的全面運用，借助傳感器中的瑞利散射信號改變能夠準確評估輸電線路振動情況，采集真實的監測數據，在直觀化顯示下有效處理各項故障問題。現階段，分布式聲波傳感技術的出現，也逐步為振動傳感技術提供新的支持，其是基于-OTDR技術衍生出來的，在DVS基礎上完成散射相位調節，通過線路定位振動完成波形還原，為光纜線路的破壞定位與識別提供可靠支持。

3.3 局放監測

在高壓輸電線路的長期運行下，容易存在局部絕緣故障問題，從而造成該部位放電事故，對光纜運行狀態產生嚴重影響。為此，在實施監測過程中，可結合光纖穿管技術與可視化系統，有效開展局放監測。在具體實施環節，主要是采用分布式傳感監測和點式傳感監測技術。一般情況下，將局放信號作為傳感參量，測量赫茲處于超聲頻段。應用點式光纖傳感技術時，通常利用光纖光柵傳感器以及干涉式傳感器完成線路局放監測。比如在光纖光柵傳感工作中，可采用聚氨酯樹脂材料對傳感器進行密封，沿著局放信號和試驗品內部方向進行監測，在聚氨酯樹脂材料的作用下，可以充分發揮延伸特性，使傳感器諧振頻率減小。另外，可采用聚苯硫脒材料對FBG傳感器進行密封，可以獲取XLPE內300PC的線路局放信息。而在干涉式傳感器的應用中，強調利用長尾光纖直線干涉儀器進行高壓輸電線路定位系統和放電監測，采取光纖傳感臂和高壓電能轉換器來模擬超聲波放電信號，能夠獲取6kHz的聲信號，進而獲取光纜的運行狀態信息。此外，通過構建Michelson干涉儀的光纖超聲傳感系統，可以實現傳統單模光纖的超聲傳感效果，對局部放電檢測起到良好的模擬效果。分布式傳感器在輸電線路局放監測中，主要可以利用COTDE技術相干光時域反射對輸電線路接頭進行監測。傳感器接頭采用光纖聲學傳感技術，雖然分布式傳感系統在測量過程中受到結構限制，但是利用隨機正交解調技術可以有效調節出局放信號，達到良好的監測效果。

4 結語

綜上所述，隨著我國電力事業的不斷發展，對電力光纜運行安全提出了較高的要求，為了保障線路穩定運行，必須積極發揮可視化系統的應用優勢，合理運用光纜運行狀態感知監測技術，針對不同環境下的光纜線路開展高效、直觀的監測，獲取準確的監測數據，輔助相關人員對線路實施管理，最大限度地避免發生故障問題。因此，在實踐中可針對高壓輸電線路、架空線路、海底線路中的光纜進行實時監測，利用可視化系統與狀態感知技術，針對絕緣缺陷、外部入侵或破壞、局放問題等實施全面監測，促使光纜線路穩定運行，進一步提升電力發展質量，推動現代電力事業的健康發展。