基于陣列式FBG的電纜護層環流監測系統

林 陽，王 耀，閻嫦玲，羅蘇南，潘仁秋

（南京南瑞繼保工程技術有限公司，南京 211102）

0 引言

高壓電纜具有安全、可靠，幾乎不占用地面空間等優點，已被廣泛地使用在現代化大中城市的繁華市區，電纜隧道的建設規模及長度不斷增加。

然而，高壓電力電纜可能存在設計、制造、施工缺陷，且長期處于地下隧道內，環境電磁干擾強、濕度高、易浸水、監控困難，運行過程中易受到環境電、熱、化學因素的干擾，導致電力電纜中絕緣缺陷的產生和惡化，進而導致絕緣擊穿、起火、斷裂等故障，從而引發更大范圍的事故。

電力電纜外護層具有保護和絕緣作用，其完整性和可靠性是電纜安全運行的保障[1]，而根據電網公司的運行規范和檢修經驗，電力電纜的護層環流是表征電纜故障的重要指標[2-6]，因此實現電纜護層環流的可靠監測，對于實時掌握電纜健康狀況，及時發現絕緣缺陷，保障電纜安全穩定運行意義重大。

1 電纜護層環流實時監測系統現狀

高壓電纜正常運行時，如果有電流流過，會在電纜金屬護層中感應出電壓。為了保證運行安全，同時抑制電纜護層接地環流，電纜金屬護層一般采用單端接地或交叉互聯的方法進行接地。當電纜的絕緣狀態良好時，護層環流接近于零。但是當絕緣護層老化或破損導致金屬護層發生多點接地時，接地環流會大幅增加，如不及時處理，將會對電纜的長期壽命和短時運行安全造成極大的影響。因此，監測電纜護層的接地環流不僅可以監測電力電纜金屬護層自身的狀態，也可以監測主絕緣的品質狀態和高壓電力電纜的其他故障。

目前，管廊常用的護層電纜監測系統主要由護層環流互感器、電流采集裝置和綜合監控主機組成，如圖1所示。電纜接頭處配置三相接地電流互感器（部分管廊另配置N相互感器），互感器輸出信號由電流采集器采集并通過光纖環網發送至監控主機，綜合監控主機對接收到的護層接地環流信息進行故障分析和故障報警[7]。

以上的護層環流監測系統已有較大范圍的應用，但是工程設計和運行過程中，發現管廊內裝置的供電問題較為多見。護層環流采集器為有源裝置，需考慮供電電源問題。很多管廊尤其是較早期管廊內動力電源配置不足，且采集器電源引線過長的話會造成終端電壓降低，影響護層采集器正常工作；一些電源線纜敷設不方便的特殊區域要求裝置支持低電壓供電，對裝置功耗要求嚴苛；部分管廊不具備供電條件，需采用線圈取能方式或配置電池，但線圈取能存在工作死區，當電纜上運行電流較小時會失效，電池則容量有限，需要定時更換，運維難度較大。

2 FBG陣列式電纜護層環流監測系統方案

2.1 總體方案

為了適應電力管廊供電困難的現狀，本文提出了基于陣列式光纖光柵傳感器（FBG）的準分布式護層環流監測系統方案，系統架構如圖2。系統主要包括電流互感器、光纖布拉格光柵（FBG）傳感器、傳輸光纜和護層環流主機，電流互感器安裝于高壓電纜護層接地線上測量接地電流；FBG接收互感器輸出信號并轉換為特定波長的光信號；傳輸光纜為單模鎧裝光纜，連接各FBG并將其光信號輸送至二次設備室的護層環流主機；護層環流主機解析接收到的FBG傳感信號，計算護層接地電流信息，并實現人機交互、數據存儲、故障分析和故障報警等功能，完成管廊電纜護層環流監測及告警。

2.2 光纖布拉格光柵（FBG）傳感器

光纖布拉格光柵（Fibre Bragg Grating，FBG）是在單模光纖的纖芯內刻制光柵，通過光柵間的距離變化感知溫度、形變、應力等外界物理作用，從而對其反射波長進行周期性的調制而形成的一種全光纖器件。FBG好像一個窄帶的反光鏡，當一束光送進FBG時，根據光柵理論，在光波長滿足Bragg條件的情況下，就會發生全反射，FBG只反射一個波長而透射其余的波長，被反射的波長稱為Bragg波長，因此反射光譜在Bragg波長處出現峰值，如圖3。光柵受到外部物理場（如應力、應變溫度等）的作用時，其柵距隨之發生變化，從而改變了反射光的波長，檢測反射光的波長變化即可確定待測部位相應物理量的變化[8，9]。

圖3 FBG傳感原理Fig.3 FBG sensing principle

由于FBG只對波長敏感，傳感系統的光強損失不影響檢測結果，因而可實現長距離監測及長期監測，并可在一路光纖上實現FBG陣列排布的準分布式多點測量。光纖布拉格光纖傳感器陣列具有靈敏度高、頻帶寬、體積小、抗電磁干擾能力強、布置靈活等優點，適合用于管廊內的監測需求。

用于電纜護層環流監測的FBG傳感系統如圖4，每相接地線配置一套護層環流互感器及FBG傳感器。環流互感器采集接地線上的接地電流，其輸出轉換為電壓后分別施加在磁致伸縮材料的陽極和陰極上。磁致伸縮材料粘貼在FBG上，受陽極及陰極的電壓差影響產生伸縮變化，使緊貼的FBG產生對應形變，從而對反射光的波長實現周期性調制。

圖4 FBG護層環流傳感系統Fig.4 The composition of the FBG shield circulation sensing system

經電流互感器和磁致伸縮材料轉換后，在線性工作范圍內，磁致伸縮材料的應變與被測護層環流I的關系可表示為

其中：ε為磁致伸縮材料的應變，k1為曲線斜率，與磁致伸縮材料的磁致特性相關；α為電流到磁場的轉化率，與電流互感器、轉換電阻R的選取相關。

FBG中心波長的變化可表示為

其中：Pe為光柵的彈光系數，λ0為光柵的中心波長。當I為正弦波形時，FBG中心波長也隨之產生周期性的波長變化。

各相的FBG傳感器由傳輸光纜串接在一起，接入護層環流監測主機。各FBG傳感器分別工作在不同的中心波長，其工作波段互不重疊，且都落在護層監測主機寬帶光源的光譜帶內[10]。通過多段電纜接頭處的FBG陣列，可用一臺護層監測主機實現高壓電纜全程各測點的護層環流實時監測。

FBG傳感器安裝在管廊中，環境潮濕且有浸水風險，因此需配置高防護等級箱體。高防護箱體為全封閉一體化結構，采用鑄鋁金屬材料，具有很好的電磁屏蔽作用，與外部接口采用防水接頭，防護等級達到IP68，整體具有防塵、防水和抗電磁干擾功能，保證了FBG傳感器在電纜隧道復雜的運行環境中可靠運行。

2.3 護層環流監測主機

護層環流監測主機需滿足FBG陣列的光源提供及解調計算需求，同時需具備故障電流判定、數據通信、時鐘同步、人機接口等功能，本文對護層環流監測主機的硬件部分進行詳細的設計，采用模塊化的設計理念實現電流采集裝置的各功能單元，具體如圖5。

圖5 護層環流監測主機設計方案Fig.5 Design scheme of protective layer circulation monitoring host

護層環流監測主機的功能模塊主要包括電源轉換模塊、CPU模塊、光路系統及人機接口，其中CPU模塊具備光源控制、解調計算、電流數據處理、時鐘同步及數據通信等功能，光路系統包含了光源、濾波器等光學器件，兩者配合實現光源控制、光信號探測及信號解調等功能。人機接口含鍵盤、液晶等器件，數據輸入DSP，可實現裝置系統操作、信息查看及定值修改等功能。

CPU模塊內含FPGA、DSP、A/D和D/A轉換電路、通信模組和時鐘同步模組等。FPGA完成光源控制、解調計算、電流數據處理等需高速處理的功能；DSP實現系統管理、時鐘管理、通信管理、人機交互等功能；A/D、D/A轉換電路與光路系統連接，將輸入的模擬信號轉換為數字信號并傳輸給DSP核進行數據處理，將DSP輸出的數字控制信號轉換為模擬信號施加到光路系統的光源、濾波器上。通信模組受DSP控制，實現與綜合監控主機或其它必要設備的通信，支持IEC61850、IEC103、modbus-tcp等主流電力通信規約。時鐘對時模組支持網絡對時，可接收北斗或GPS對時信號，為裝置的故障分析提供準確的時間參照。

監測主機的核心是光源及解調系統，其結構如圖6。光源控制電路控制寬帶光源發射寬譜光，經光隔離器、耦合器、傳輸光纜后注入FBG陣列，在各FBG傳感器處產生波長選擇反射，反射后的光信號經耦合器引導至可調F-P濾波器，濾波后的光信號由光探測器采集后傳輸至解調電路；解調電子電路控制濾波器的掃描電壓，并結合掃描電壓與探測光信號進行解調處理，計算出被測電流，經電流數據處理后輸出電纜故障告警信號。

圖6 光路及解調系統設計Fig.6 Design of optical system and demodulation system

護層環流監測主機中，所有FBG共用同一個光源，為支持更多的FBG傳感器組成陣列，光源采用寬帶光源，可考慮采用超輻射發光二極管（SLED），其3dB光譜寬度可超過45nm，單個FBG傳感器的波長變化范圍基本小于0.5nm，考慮一定的光譜重疊裕量，一個SLED光源可支持50個以上的FBG傳感器組成陣列；為進一度拓寬光源光譜，可采用數個SLED光源并行工作模式，波長高低搭配的3個SLED光源組合使用后，可輸出光滑譜寬＞90nm的寬譜光，支持100個以上的FBG傳感器陣列。

為檢測各FBG返回的不同波長反射光，光路系統中配置可調諧窄帶光纖F-P濾波器[11，12]。通過電控壓電陶瓷改變F-P腔的腔長來調節濾波器的導通頻帶（即反射光的透射波峰），在調諧控制信號作用下，F-P濾波器的導通頻帶掃描整個光柵反射光光譜。當可調F-P濾波器的透射波峰與傳感光柵的反射波峰重合時，濾波器的透射光強最大，結合光探測器采集到的透射光強度與掃描電壓可以解調出對應FBG處的反射光波長，進而計算出被測電流。在可調F-P濾波器的每個掃描周期內，所有FBG傳感器的Bragg波長能導到快速測定。可調諧F-P濾波法適用于陣列式測量，具有較寬的調諧范圍和光能利用率，實現較高的分辨率和測量精度，可大大提高測量范圍和FBG傳感器的復用個數。

對于部分長度不長，但是需監測電纜較多的管廊，可以在耦合器后配置光開關，光路系統如圖7。常用的光開關的最快切換時間約1ms～10ms，部分高性能開關可實現ns級切換，通過光開關的周期性切換，光路系統可并接多路電纜上的FBG陣列，實現多通道測量。

圖7 多通道光路系統設計Fig.7 Design of multichannel optical system

監測主機支持環流越限、環流變化值、接地環流與線路電流比值越限等多種電纜故障判據，多角度實現電纜故障判定及告警；因不同地區、電壓等級對于護層環流的故障判定需求存在差異，裝置設有可自定義的報警定值，實現故障的自定義數學、邏輯判定，便于判定復雜電纜故障。

3 結論

電力電纜護層環流監測的重要性已日益提高，但是電力管廊中供電困難的現狀限制了有源監測系統的應用。本文設計了一種新型基于光纖布拉格光柵（FBG）陣列的無源護層環流監測系統，采用FBG傳感器采集電纜護層環流，無需供電，靈敏度高，可完全滿足電力管廊內的環境和功能需求，具有廣泛的推廣應用價值。

FBG傳感器具有體積小、動態范圍大、可靠性高等優點，且適用范圍廣泛，除可測量護層環流以外，還可適用于管廊溫度、應力以及振動等物理量的監測，本文所設計的監測系統可根據工程需求進行擴展，滿足不同環境量監測的需求。