基于光纤传感器的电力电缆故障在线测距系统*

2017-12-21赵展卜树坡刘昊

电测与仪表 2017年13期

赵展，卜树坡，刘昊

（苏州工业职业技术学院电子与通信工程系，江苏苏州215104）

0 引言

随着城市化水平提高和现代工业的发展，电力电缆作为重要的传输电能工具，越来越引起人们的关注。由于人为的违章施工作业、地面沉浮和绝缘老化等因素造成电缆故障，引发供电系统瘫痪从而造成不必要的损失。为了保证输电线路安全稳定运行，对电力电缆进行故障监测显得尤为重要。目前电缆的故障检修费时又费力，寻求一种快捷、准确的电力电缆故障测距方法，来缩短检修时间和减少停电损失，已成为国内外科研技术人员的共同目标［1］。电桥法和低压脉冲反射法可以解决低阻和断路故障，直闪法、冲闪法以及二次脉冲法可以解决高阻和闪络故障［2-4］，这些传统方法测量电缆故障点距离原理简单，但需要断电后离线测量，并且故障修复时间长。针对传统方法存在的这些缺点，采用光纤传感器对电力电缆状态进行监测，实现在线对电缆故障点快捷、准确的测距。

1 系统的总体设计方案

本系统的电缆故障点在线测距是基于光纤传感器的外差探测的Ф-OTDR光时域反射机理来实现的［5-7］。当电缆发生故障时，假定某一时刻t接收到的后向瑞利散射干涉信号可表示为［8-9］：

式中ER（t）是后向瑞利散射干涉信号的振幅；φR（t）是后向瑞利散射干涉信号的相位；ω是入射脉冲光的频率。

经过移频后的参考光信号可表示为：

式中Ec（t）是参考光的振幅；φc（t）是相位；Δω是移频器引入的频移量。

最后，通过光电检测器接收到得交流电信号为：

式中 φ（t）＝φc（t）-φR（t）；θ（t）是Ec（t）和ER（t）的相对偏振角。

如果t时刻接收到得后向瑞利散射干涉信号受到了故障点振动的影响，则可表示为：

式中 φV（t）是振动引起的相位变化。

此时，光电检测器接收到的交流电信号可表示为：

式中 φ′（t）＝φc（t）-φR（t）-φV（t）。

光电检测器将交流信号送入到信号C′（t）采集和处理系统中，经过信号处理，即可得到关于故障点振动的位置和频率信息。由于振动引起的光相位变化φV（t）最终会反映为后向瑞利散射信号的振幅变化，通过对不同脉冲所产生的后向瑞利散射信号振幅做差，即可得到故障点的位置信息。

本系统几个主要部分组成：激光发射电路部分、光电检测电路部分、数据处理与存储电路部分和GPRS通信电路部分，系统结构如图1所示。

图1 系统结构框图Fig.1 System structure block diagram

首先系统微处理器控制激光器产生符合要求的窄线宽的光脉冲，其中的一路光用作系统的信号光，另一路光经移频器用作参考光。信号光经功率放大电路放大注入到测量光纤传感器中，反馈的光能量用环形器将入射到光纤的激光脉冲与反射回来的信号分离后，分离信号和参考信号经耦合器输入到光电检测电路，再经光电检测电路把光信号转换为电信号并放大后传送给数据处理与存储电路，微处理器对检测的信号进行分析处理，计算出故障点的距离，并将距离信息通过GPRS通信电路传送到远程主控室的计算机中。

2 系统硬件电路设计

2.1 激光发射电路

激光器是Ф-OTDR光纤传感器中最为关键的元件。本系统采用某科技有限公司OTDR专用半导体激光器OPLS-LDFW55-40-P，其输出功率可以达到50 mW。系统的微处理器控制激光器产生窄线宽的光脉冲经功率放大器注入到光纤中，功率放大器由芯片IC-HK实现，IC-HK芯片可为激光器提供波形良好的电流脉冲，最大驱动电流达到1 400 mA。激光发射电路如图2所示。

图2 激光发射电路Fig.2 Laser transmitting circuit

2.2 光电检测电路

由于背向散射光非常弱，光电管选用具有雪崩增益的 APD（Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管）作为光信号接收器，其能对器件内部的光生载流子电流进行放大。采用高精度低噪声的运算放大器OP37完成光信号到电信号的转换，同时将电信号进行了初步放大，然后采用程控增益放大器VCA810对电信号进一步放大，来满足A／D转换器对采样电压的要求。光电检测电路如图3所示。

图3 光电检测电路Fig.3 Photoelectric detecting circuit

2.3 数据处理与存储电路

系统采用有源滤波芯片MAX274对检测的信号进行滤波，来消除环境噪声的干扰。该芯片内部有2阶可变滤波器单元，可实现巴特沃斯型、贝塞尔型及切比雪夫全通型滤波器，滤波效果比较好［10］。滤波后的电压信号送入12位模数转换器AD9233芯片中，它具有125 MSPS转换速率，650 MHz带宽，满足系统的要求。由于对光纤传感器采集的信号多次采样以达到累加次数，将产生巨大的数据信息，因此，采用 SRAM（ISSI61LV25616）和 FIFO（IDT7203）对采样数据进行缓存。系统的微处理器采用某公司的TMS320F28335，它具有150 MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，用来完成系统的光脉冲产生、数据的处理和存储等功能。

2.4 GPRS通信电路

微处理器TMS320F28335将数据进行处理，计算出电缆故障点距离信息，并通过GPRS通信电路实时远程发送到主控室的计算机中。本系统选用SIM300模块进行GPRS通信，可实现数据的低功耗高速传输［11］。GPRS通信电路如图4所示。

图4 GPRS通信电路Fig.4 GPRS communication circuit

3 软件设计

在CCStudio V6.0.1编译环境下编写系统的在线测距程序代码，实现对窄脉冲产生，数据的处理、分析、实时显示、存储和数据远程传送等功能。系统程序流程如图5所示。

远程主控室计算机监测界面采用VB软件编写，对发来的GPRS数据进行解包和存入数据库，便于工作人员对电缆状态信息进行查看、调阅以及数据报表打印等，并对发生故障的电缆及时报警和显示故障点距离。

4 现场测试结果分析

为了验证系统的在线测距性能，对实验区电缆进行分段挖掘实验。测距结果如表1所示。

表1 测距结果Tab.1 Consequence of location measurement

图5 系统程序流程Fig.5 Systematic program flow chart

由表1可见，随着测试距离的增加，测量距离与实际距离的偏差值均在6 m左右。将本在线测距系统应用于10 kV某乙线路电缆监测中，为了适应20 km的监测距离，系统的脉冲频率设定为1 kHz，脉冲宽度设定为200 ns。2016年9月16日主控室计算机监测界面报警并显示电缆发生故障，故障点距离为850 m。经现场挖掘，在856.1 m处发现电缆故障点，电缆故障为本体故障，如图6所示。由测距结果可知，系统的测距误差为0.72%，同样采用电桥法进行测量，故障点距离为859 m，测距误差为1.1%，由此可见，本系统测距误差比电桥法测距误差小，测量精度较高。