基于全光纤传感技术的电缆健康状态监测系统的研究＊

杨 斌，田 杰，江健武，段绍辉

（1.上海华魏光纤传感技术有限公司，上海 201103；2.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000）

引 言

电力电缆是电力传输的重要载体。但是人为因素（如：施工挖断、被盗等）和自然灾害（如：滑坡、塌方、地基沉降、洪水等）会造成电缆线路故障，影响电力电网建设效能的发挥。因此，如何应用科学手段实现对电力电缆的运行及环境状态的监控、预警和定位、以便及时提醒线路维护人员提前采取预防措施显得十分的紧迫和必要。

文中研究一种基于全光纤传感技术的智能监测系统，该系统利用光纤传感器对电网中的电力电缆线路的运行状况进行全方位实时智能监测。该智能监测系统不但可实现对电力电缆线路的温度、载流量、偷盗入侵等进行监测，确保电网安全、高效运行，而且还可综合分析处理各传感器信息，在出现异常情况时，通过控制相应的联动设备采取一定的措施来保障电网正常运行。

图1 光纤传感原理图Fig.1 Principle scheme of optical fiber sensing

1 光纤传感原理

分布式光纤传感技术是利用光在光纤中传输时产生后向散射信号和光时域反射［1－3］（optical time domain reflectometer，OTDR）技术来获取温度等参量的分布信息。当具有一定能量的泵浦光（ν0）注入到光纤中时，入射光子与纤芯分子相互作用，受纤芯的微观密度变化和成分起伏的影响，会产生Rayleigh（ν0）散射、Anti－stokes（νa＝ν0＋Δν）散射和Stokes（νs＝ν0－Δν）散射（对石英光纤介质而言，Δν＝1.32×1013Hz）。

该系统的空间分辨力P与注入光纤的光脉冲宽度ΔT有关，且有

式（1）中，c为真空中的光速，n为传输介质折射率。

该系统的被测点位置L为

式（2）中，c为光纤中的光速，t为两倍定点距离光传播时间。

2 全光纤传感技术的电缆健康状态监测系统组成

系统由三个子系统组成，系统结构图如图2所示：

图2 系统结构图Fig.2 The structure of the system

（1）电力电缆分布式光纤载流量／温度安全监测模块：模块由主机、光纤（缆）等设备组成。模块中采用的光脉冲宽度ΔT为5ns，对应理论空间分辨力0.5m，实测空间分辨力小于1m。

（2）电缆线路分布式光纤防盗预警监测模块：由主机、传感光缆等设备构成。

（3）信息网络化综合平台：主要由数据采集处理系统、数据库、通讯模块、控制模块、系统展示等部分组成。用以集中连接和控制测温系统、电缆防盗系统、采集设备及其他联动控制装置。该平台实施方式可以根据网络规模选择合适的标准硬件平台。

综合安全防范系统的各子系统之间采用各自的网口、串口、相关的协议，并且具备智能化处理事件的功能。无论在系统的简约性、可靠性、稳定性方面，还是在系统的经济性、前瞻性方面，所设计的综合安防系统均超越了传统的安全防范系统。

3 处理流程

系统处理流程如图3所示。

全光纤传感技术的电缆健康状态监测系统作为一个综合的温度监测、火灾告警、安全防范系统，与传统方式组成的安全防范系统有着本质的区别，最明显的一个区别在于各个子系统依托网络化综合平台，通过相关的协议互联构成了一个有机的、完善的整体，子系统与子系统之间实现了无缝联结。例如：传统的温度监测、火灾告警、安全防范系统通常各自独立，联动需要通过各自的联动设备、若干的继电器，然后通过复杂的连线方式来实现，如果某个中间设备或某些线路出现故障，则联动功能就不能实现。而该综合安全防范系统的各子系统之间采用各自的网口、串口、相关的协议、若干根两芯的屏蔽线即可实现报警与监控的联动功能，并且具备智能化处理事件的功能。

图3 系统数据处理流程图Fig.3 Flow chart of system data processing

4 技术路线

4.1 电缆线路分布式光纤防盗预警监测技术路线

电缆线路分布式光纤防盗预警监测模块采用Φ－光时域反射计技术实现。光波在光纤中传输时，会发生背向散射现象，包括布里渊散射，拉曼散射和瑞利散射，其中瑞利散射光强度最大且不改变散射光的波长。光纤的背向散射是由介质不均匀而引起的散射光中，会有一部分光沿着光路传输的相反方向传回发送端。光时域反射仪就是利用光纤中背向散射光的强度具有一定规律的原理来进行测量的。

电缆线路分布式光纤防盗预警监测模块与常规光时域反射计一样，光脉冲从光纤的一端注人，用光探测器探测后向瑞利散射光。不同的是注入光纤中的光是高度相干的，因此该传感系统的输出就是脉冲宽度区域内反射回来的瑞利散射光相干干涉的结果。定位型全光纤周界安防系统通过测量注人脉冲与接收到的信号之间的时间延迟得到扰动的位置。

图4 电缆线路分布式光纤防盗预警监测模块结构示意图Fig.4 Shematic diagram of the distributed optic fiber anti－theft early warning supervising module in cable

4.2 电力电缆分布式光纤载流量／温度安全监测技术路线

电力电缆分布式光纤载流量／温度安全监测模块由拉曼分布式光纤温度传感器［4－6］、感温光缆、载流量软件以及电流记录仪组成。

拉曼分布式光纤温度传感器能对电力电缆全线温度进行周期性实时在线监测，对极易出现故障的电缆接头进行重点监测。该项技术利用光纤作为传感器，将光纤直接敷设在被测物体表面，在一定条件下被测物体各个位置的温度信号会以光波的形式回传到光纤端部，最终被提取并显示出来。这种技术只需一根或几根光纤就可以监测长达数公里的线型设备或点式设备。

拉曼分布式光纤温度传感器同时利用光纤感测信号和传输信号，采用先进的OTDR技术和Raman散射光对温度敏感的特性，探测出沿着光纤不同位置的温度的变化，实现真正分布式的测量。

当具有一定能量的泵浦光（ν0）注入到光纤中时，入射光子与纤芯分子相互作用，受纤芯的微观密度变化和成分起伏的影响，会产生 Anti－stokes（νa＝ν0＋Δν）散射和Stokes（νs＝ν0－Δν）散射（对石英光纤介质而言，Δν＝1.32×1013Hz）。拉曼散射光的强弱受到光纤散射点的温度调制，背向散射回来的拉曼光经过光学滤波、光电转换、A／D转换后，送入信号处理系统便可将温度信息显示出来，同时可根据光在光纤中的传输速度和背向散射光回波的时间对温度场的空间信息进行定位。

载流量监控软件监控获得电缆施加负载电流和电缆表面温度后，通过计算可以取得电缆导体温度，判断电缆现场运行时的导体工作温度是否超过导体最高允许工作温度，从而判断电缆是否正常运行还是过载运行，以便于及时调整负荷电流，对电缆安全运行起到监控作用。具体功能如下：

电流记录仪和电力电缆分布式光纤载流量／温度安全监测子系统将采集到的负荷电流和电缆表面（或内部某层）温度信号传输到计算机，利用已知的电缆的结构参数，建立数学模型，计算出相应位置的电缆导体温度，准确判断电缆的载流能力。

4.3 软件平台的设计

信息网络化综合平台实现在总控中心内对所有下属分部的各监控信息资料调看及控制功能，其采用面向对象的模块化设计方法进行设计，充分保证系统的稳定性、灵活性和可扩展性。

在总控中心内，依据整个系统的功能要求和管理要求，信息网络化综合平台和各管理平台接入到专用内部以太网中，从而与各现场安防子系统组成一个完整的电力安全保障网络系统。

在相关管理员的办公电脑上，安装相关的专用电子版地图客户端软件，即可组成网络客户端系统。通过总控中心内的权限分配，能够实现不同的权限调看不同范围内的前端监控设备的信息，并对电缆线路分布式光纤防盗预警监测子系统和电力电缆分布式光纤载流量／温度安全监测子系统主机进行相关操作设置。

信息网络化综合平台可以实现以下功能：

（1）面向服务的架构，采用分层的松耦合结构，包含数据接入层、数据处理层和数据应用层，每层的功能都能灵活扩展和替换；

（2）统一数据接入管理，访问层屏蔽底层的物理接入方式，使平台可灵活接入多种规约方式，同时为上层应用提供统一的数据表达和调用方式；

（3）多级数据传输与通信模式，实现检测设备到子站、子站到主站多级数据传输模式，实现设备集中监控。

5 试验结果

基于全光纤传感技术的电缆健康状态监测系统投入运行后，对监测系统进行了实际测试。试验选择在内含光纤的20km电力电缆段进行，在整个试验过程中不断改变测试点位置，在全光纤传感技术的电缆健康状态监测系统检测到的温度、载流量、振动（偷盗入侵产生）异常时系统可实现自动预警，显示异常发生位置。基于全光纤传感技术的电缆健康状态监测系统的界面主要实现图文并茂地显示被测点的位置L、时间S、电压V以及相关的报警信息。

电力电缆分布式光纤载流量／温度安全监测模块监测的温度和空间分辨力测试曲线见图5、图6。当光纤温度稳定时，用水银温度计计量电缆测试点的暂态温度，然后与分布式实时测取的温度进行比较，得到该模块的温度计量精度；同理，在几个相邻光纤位置同时加热测温，实际测量两位置间的距离，并与分布式实时测取的距离进行比较，得到该测温装置的空间分辨力，试验数据见表1。

在测试电力电缆中，选取不同光纤位置，传输不同电流强度，用电流记录仪和电力电缆分布式光纤载流量／温度安全监测模块采集负荷电流和电缆内部温度信号，具体数值如表2所示。

图5 电力电缆线路长度方向的长度－温度曲线图Fig.5 Curve of temperature vs length along power cable line

图6 空间分辨力试验实测曲线图Fig.6 Curve of real space distinguish ratio detecting

电缆线路被偷盗破坏时系统检测的振动波形如图7所示。瑞利曲线图是沿电缆线路敷设的整条光缆的后向瑞利散射信号分布曲线，横坐标为光缆位置L（单位m），纵坐标为瑞利散射信号电压幅度U（单位V）；振动波形图是位于区段位置27 900～27 950m处的振动背景噪声波形和光缆受到偷盗破坏时产生的振动波形曲线，横坐标为时间t（单位ms），纵坐标为振动信号电压幅度U（单位V）。从图上可看出，被测点位置的振动背景噪声幅度小于0.01V，被测点位置的偷盗振动信号幅度大于0.02V，系统软件通过对光缆偷盗图谱分析对比识别传感光缆偷盗事件的发生。

表1 温度测量试验结果Tab.1 Temperature detection results

表2 电缆温度和电缆载流量测量试验结果Tab.2 Temperature and ampacity detection results of power cable

6 结 论

现研究的基于全光纤传感技术的电缆健康状态监测系统可预防因电力电缆自身老化等原因诱发的火灾，制止因蓄意破坏、偷盗等情况造成的输电中断，从而保障中高压电力电缆的传输安全和通畅。当电力电缆线路的温度、载流量、振动（偷盗入侵产生）发生异常时该系统自动实现预警，显示异常发生位置，及时通知管理人员对警情进行有效处理，从而提高电网供电的可靠性。

图7 振动波形图Fig.7 Vibration waveform

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