基于全光纤技术的电缆故障运行监测系统

2016-10-09高昇宇王春宁顾承阳

电气技术 2016年9期

关键词：光纤电缆监测

高昇宇王春宁顾承阳

（国网南京供电公司，南京 210000）

基于全光纤技术的电缆故障运行监测系统

高昇宇王春宁顾承阳

（国网南京供电公司，南京 210000）

在当前的社会当中，随着社会经济的不断发展，在各个领域当中，都取得了较大的进步。其中，电缆作为一种重要的传输载体，在实际应用中发挥着至关重要的作用和意义。而在实际运行当中，电缆由于受到各种原因的影响，很容易发生各种故障，进而造成一系列的不良影响。基于此，应当对基于全光纤技术的电缆故障运行监测进行研究和应用，从而确保电缆良好的质量和状态。

全光纤技术；电缆故障；运行监测

在电力传输等领域当中，电缆是最为重要的载体之一，而在其实际应用当中，由于受到洪水、地基沉降、塌方、滑坡等自然灾害，或是盗窃、施工挖断等人为因素的影响，就很容易损坏电缆，造成线路故障，对电网建设效能产生不良的影响。所以，在电缆的日常应用中，应当采用基于全光纤技术的电缆故障运行监测，对电缆的运行环境进行定位、预警和监控，从而使电缆维护人员能够更加高效的采取防护措施。

1 光纤传感原理

在光纤当中，光的传输能够对后向散射信号 1进行产生，因此，分布式光纤传感技术能够对此加以利用，并运用光时域反射技术，对温度等参量的分布信息进行获取。在光纤当中，如果对一定能量泵浦光进行注入，在纤芯分子、入射光子之间，将会产生相互的作用，因此，在纤芯的成分起伏、微光密度等方面变化的影响，就会发生多种散射现象。而在系统当中，注入光纤的光脉冲宽度，将会对系统空间分辨能力产生直接的影响。

图1　光纤传感原理图

2 全光纤传感技术电缆健康状态监测系统

在系统当中，主要包括了3个子系统，分别是信息网络化综合平台、电缆线路分布式光纤防盗预警检测模块、以及电缆分布式光线载流量/温度安全监测模块等。其中，第1部分主要包括系统展示、控制模块、通信模块、数据库、数据采集处理系统等。其能够对联动控制装置、采集设备、电缆防盗系统、测温系统等进行集中的控制与连接。基于网络规模，平台能够对相应的标准硬件平台进行选择。在第2个部分当中，包含了传感光缆、主机等设备。在第3个部分当中，主要应用了光纤、电缆、主机等部分。其中具有5ns的光脉冲宽度，具有0.5m的理论空间分辨力，而实测空间分辨力则在1m以下。在系统当中，协议、串口、网络存在于各个子系统之间，能够对事件进行智能化处理。具有良好的前瞻性、经济性、稳定性、可靠性、简约性等优势。

3 处理流程

在电力电缆状态监测系统当中，全光纤传感技术能够对安全防范、火灾报警、温度监测等功能加以实现。在其子系统当中，基于网络化综合平台，还能够形成完善、有机的一个整体，并且无缝连接各个子系统。在过去的安全防范系统、火灾报警系统、温度监测系统当中，相互之间是独立的，需要利用继电器和联动设备才能够实现联动，并且需要进行复杂的连线，一旦某个环节发生问题，就无法实现联动。而在该系统当中，协议、串口、网络都存在于各个子系统之间，在两芯屏蔽线的连接下，就能够联动监控、报警等功能，并且对事件进行智能化的处理。

图2　系统数据处理流程

4 技术方法

4.1软件平台设计

在软件平台的设计当中，信息网芦花综合平台，在总控中心当中，能够对监控控制功能、信息资料调看等功能加以实现。通过对面向队形模块化设计方法的应用，对其进行设计，从而对系统的可扩展性、灵活性、稳定性等进行了提升。系统在总控中心当中，能够按照管理、功能等方面的需要，在专用内部以太网当中，对管理平台、综合平台等进行接入，联合现场安防子系统，形成完整的安全保障网络系统。在管理员的计算机当中，影带那个对专用电子版地图客户端进行安装，形成网络客户端系统。在总控中心当中，对权限进行分配，根据不同的权限，对不同范围的前端监控设备信息进行调看。

同时，可以设置和操作相关的安全监测子系统主机。在信息网络化综合平台当中，基于面向服务的架构，对分层松耦合结构进行了应用，融合了数据应用层、数据处理层、数据接入层等，并且可以灵活的替换、扩展各层功能。统一对数据接入进行管理，物力接入方式为访问层屏蔽底层。这样，平台能够对不同的规约方式进行接入，并且将统一的调用方式、数据表达等提供给上层应用。对多级数据传输和通信模式进行了应用，在主站、子站、设备之间，能够进行多机数据传输，从而集中监控相应设备。

4.2防盗预警监测

在防盗预警监测模块当中，对光时域反射技术进行了应用。在光纤当中，广播会在传输时产生背向散射，例如瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射等，其中具有最大光强度、并且散射光波长不发生变化的就是瑞利散射。在光纤背向散射当中，主要引起散射光的原因在于不均匀的传输介质，其中沿着光路传输反方向，会有一部分光返回发射端。根据这种规律，可以利用光时域反射仪进行测量。在防盗预警监测模块中，和光时域反射计相似，从光纤一端将光脉冲注入，对后向瑞利散射光利用光探测器进行探测。而通常会注入高度相干的光在光纤当中，所以，在脉冲宽度区域当中，反射瑞利散射光相干干涉的结果，就是传感系统的输出。在顶卫星全光纤周界安防系统中，对接收信号、注入脉冲之间的时间延迟进行测量，从而对扰动位置进行掌握。

图3　防盗预警监测模块

4.3载流量/温度安全监测

在该监测模块当中，包含了电流记录仪、载流量软件、感温光缆、光纤温度传感器等。其中，对电缆全线温度，克利用分布式光纤温度传感器，进行实时在线周期性的监测，重点监测可能发生故障的电缆接头。在该技术当中，传感器采用了光纤，在被测物体表面，直接对光纤进行敷设。基于特定环境，通过光波的形式，向光纤端部回传相应的温度信号。在该技术当中，对于点式设备或极长的线型设备，可以利用一根或几根光纤实现监测。在拉曼分布式光纤温度传感器当中，可以对传输信号、光纤感测信号等，同时进行应用，利用拉曼散射光温度敏感性，以及OTDR技术，能够对光纤不同位置的温度情况进行探测，从而实现分布式测量的要求。

在光纤当中，注入一定能量泵浦光，光线散射点温度调制，会对拉曼散射光产生影响，背向散射拉曼光在A/D转换、光电转换、光学滤波之后，在信号处理系统当中，能够显示温度信息。对于温度场空间信息，可以利用背向散射光回波时间、光纤中光的传输速度加以定位。利用在流量监控软件，能够对施加负载电流的电缆表面温度进行测量，从而得到电缆导体的温度，并对现场电缆运行中，是否超过了允许的最高工作温度。通过这种方式，能够对电缆的运行状态进行判断，并对负荷电流进行调整，更为有效的监控电缆运行。利用载流量/温度监测系统、电流记录仪等，能够对电缆表面温度信号、负荷电流信号等进行采集，并向计算机进行传输，通过对电缆导体温度的计算，对电缆载流能力进行判断。

5 测试结果

在基于全光纤技术的电缆故障运行监测当中，实际测试了系统的运行情况。在实际测试当中，采用了 20km的光纤电力电缆，在测试过程当中，对测试点的位置进行不断的更改，对系统监测的振动异常、载流量异常、温度异常等情况，能够自动进行报警，并对发生异常情况的位置进行明确。在基于全光纤技术的电缆故障运行监测系统当中，可能够采取图文结合的方式，对被测点的警报信息、电压、时间、位置等进行显示。在载流量和温度安全监测系统当中，对空间分辨能力进行了测试。根据结果能够得知，在稳定的光纤温度之下，利用水银温度计，对电缆测试点暂态温度进行测量，并且对比分布式实时测量的温度，从而对系统的温度计量精度进行了解。加热光纤中的一个相邻的位置，并对温度进行测量，同时测量两个位置之间的距离，对比分布式实时测量结果，从而对系统的空间分辨能力进行获取。在电缆的测试当中，采用不同的光纤位置对不同的电流强度进行传输，利用载流量和温度测量子系统和电流记录仪，对电缆中的温度信号、负荷电流等进行采集和测量。在电缆线路遭受到盗窃破坏等情况的时候，会产生不同的振动波形图，能够被系统进行监测。沿着电缆线路，对整条光缆进行敷设，然后利用瑞利散射信号的分布情况，对瑞利曲线图进行获取。其中，光缆的位置作为曲线图的横坐标，瑞利散射的信号电压幅度作为曲线图的纵坐标。在区段位置27900m到27950m的位置，获取光缆遭受盗窃破坏的时候所产生的振动波形曲线，以及振动背景噪声波形等。将振动信号电压幅度设定为纵坐标，将时间设定为横坐标。根据观察能够得知，如果被测点位置只具有0.01V以下的振动背景噪声幅度，则说明电缆情况正常。如果被测点位置产生了超过0.02V以上的振动信号幅度，则可能遭受到了盗窃破坏。因此，系统共过分析对比光缆偷盗图谱，就能够对偷盗事件进行识别。