适应现代电网建设的高压智能电缆研究进展

张 亚，张国珍，黄泽琦，王章军，程明亮，杨海艳，龚 敏

（1.重庆泰山电缆有限公司，重庆401120；2.山东电工电气集团有限公司，山东 济南250000；3.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉430000；4.上海霍开光电技术有限公司，上海200000）

0 引言

智能化、机械化、信息化的发展在为人们带来便利的同时，产生的能源消耗也十分巨大，尤其是对电力的消耗。随着电力消耗量的逐渐增长，作为电力载体的电缆却日渐无法承载过大的电力，无法完成电力传输和分配的工作，因而为能保证电力供应需求，将普通电缆换成高压电缆，增加电力传输力度［1］。到目前为止，高压电缆已成为电网系统中重要组成部分，许多国内学者都对此进行了研究。

贺中桥等［2］提供了一种波形自动判读的电力电缆故障智能检测定位系统，确定故障线路后发出脉冲信号，根据采集的信息确定故障点和故障类型并进行存储显示，最后进行信息传输，实现人机交互功能。这个发明可以为电力电缆故障处理提供有效的检测定位基础，缩短抢修时间，降低损失。

孙廷玺等［3］提供了一种高压复杂电缆故障快速分段判别及定位方法，在户外终端往故障电缆线路中注入恒定的电流，检测三相电缆中间接头金属套的直流电流信号，然后使用二分法得到最小故障区间，然后利用智能电压比较法和电缆故障精确定点方法找到故障点。这个发明可以提高电缆故障查找效率，缩短停电时间，提高供电可靠性。

陈道华［4］提供了一种智能高压电缆终端生产专用模具，动模与静模之间形成型腔，型腔内设有热芯棒，热芯棒的尾部与斜滑块相连，下表面连有凸起，凸起的侧面与静模的侧壁相连，侧抽芯机构包括主架，主架与动模的侧壁相连。这个装置开合模速度快，可以大大节约电缆终端的加工时间。

李万超等［5］设计了一个新型的高压电缆局部绝缘老化故障智能定位系统。由中心处理器、DTE 数据通信设备和系统前端信号/数据采集设备构建系统整体框架，系统硬件包括传感器、通信设备和中心处理器，系统软件包括故障信号采集处理、故障信号传输和故障定位3大模块。这个系统的定位误差比传统定位系统降低了1.28 m，定位时间缩短了10.2 s。

叶漳桂等［6］提供了一种高压电力电缆护层智能接地装置，电流采集装置能够采集分析电力电缆护层多点接地的环流电流并自动投切环路的阻抗，电压采集装置能够采集分析电力电缆护层浮地电压。这个发明不仅具有高压电力电缆护层接地环流在线监测功能和护层虚地功能，还具有现场显示及远程通信三遥功能，可为运维人员现场提供直观数据，具有突发异常数据上报功能。

上述学者的研究都取得了一定的研究成果，但是随着人们对电线电缆技术的愈发重视和打造世界一流能源互联网企业的战略部署，需要研制具有状态全面感知的高压智能电缆，推动泛在电力物联网的发展。

1 泛在电力物联网与全面感知型高压智能电缆

泛在电力物联网，就是围绕电力系统各环节，充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术、先进通信技术，实现电力系统各环节万物互联、人机交互，具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统，包含感知层、网络层、平台层、应用层四层结构［7-9］。

高压电缆线路是电力系统电能输送的关键基础设施，其安全运行对电力系统、国民经济、社会稳定和国家安全具有重大意义，必须保证其安全可靠。建设泛在电力物联网的目的，就是确保电网的智能安全可靠，让人们用起来更方便、更放心。那么在泛在电力物联网对电缆的要求就将围绕线路的智能、安全、可靠、便于运维等方面展开研究和设计。关键技术［10］在于全面感知型智能高压电缆设计与实现、传感技术、信息传输技术、电磁兼容技术。

电缆与其他单元式的电力电器产品不同，单元式产品便于测量和监控，利于智能控制设计、实施，成本低。电缆属于分布式产品，线路长，电磁干扰强，沿线环境条件复杂，影响因素多，不利于与传感器结合。然而，随着光纤技术的发展，分布式光纤传感系统在线监控得到了迅速的应用，同时光纤传感技术属于无源技术，并且具有本质防爆、抗强电磁干扰、电绝缘性好、防雷击、高精度、重量轻、体积小等特点［11］，光纤本身也是通信的媒介，使得高压电缆的智能化成为了可能。

2 分布式光纤传感技术

依据所监测信号的不同，如图1所示，主要分为基于拉曼（Roman）散射的分布式温度传感器、基于瑞利（Rayleigh）散射的分布式光纤损耗检测传感器、基于相位瑞利（Rayleigh）敏感光时域反射的分布式光纤振动传感器（φ-OTDR）及基于布里渊散射（Brillouin）的分布式应变传感器［12-17］。

电缆本身属于分布式产品，采用分布式光纤传感技术可以很好地和电缆结合在一起。

2.1 全面感知型高压智能电缆与分布式光纤振动传感技术

基于OTDR结构的分布式光纤传感技术，包括：利用布里渊散射的B-OTDR技术、偏振光时域反射计POTDR 技术和相位敏感光时域反射计φ-OTDR 技术。如图2 所示，φ-OTDR 技术通过解调光纤的中瑞利散射光相位的变化，探测周界振动信号，结合全面感知型智能电缆，可作为1）对电力电缆自身的质量进行自检，包含电缆导体内部空隙、绝缘击穿、漏电放电；2）电缆身份智能识别；3）同时电缆自身会对外界对其破坏进行主动防御并且报警的原理。

图1 分布式光纤传感原理图Fig.1 Principle diagram of distributed optical fiber sensing

图2 分布式光纤振动原理示意图Fig.2 Schematic diagram of distributed optical fiber vibration principle

假设在ΔL内有M个随机分布的、独立的瑞利散射元，而且这些散射的偏振都是相同的。M 个散射的场矢量和表示为：

rk和φk分别为脉冲内第k 段光纤的M 个后向散射的幅度和相位的矢量和，ai和Ωi分别是ΔL长度光纤内第i个后向散射的幅度和相位。rk、φk、ai和Ωi都假定为随机变量。假设ai和Ωi都是独立并对于所有的i 分布都是一样的，而且Ωi是均匀分布在区间（-π，π）上的。当脉冲宽度为NΔL，从距离MΔL处的后向散射光的干涉场可以表示为：

这里，Pk、rk和φk分别表示第k个反射镜的偏振、反射率和相位，θk表示入侵扰动引入到第k个反射镜中的相位变化。

由光调制解调仪输出的大功率窄脉冲光注入到传感光纤中，产生后向瑞利散射光。如图3所示，瑞利散射光经光调制解调仪分离后得到携带振动信号（主要是光相位信息）的光信号的叠加；从光调制解调仪后向反射回来的瑞利散射光进入光接收模块进行光/电转换，经前级放大，再分别进入同步信号采集器进行A/D（模/数）转换，由信道协处理器对数字信号进行预处理和分析计算，数据预处理的结果输出到对应的监测分析处理系统，得到整个线路的振动信息。

图3 感知层监测系统图Fig.3 Perception layer monitoring system diagram

现有的常规应用均采用将光缆敷设在电缆表面，存在以下问题：

1）干扰因素多，光缆较细，柔性度大，外界微小的振动甚至电缆通道内的风、水流均会引起光缆振动，导致系统误报，长时间误报，导致系统失效；

2）隐蔽性弱，遇到电缆盗窃，偷盗者可以避开外界的光缆，对电缆单独实施切割，起不到预警报警的作用；

3）工程实施困难，往往电缆通道内，电缆、光缆等线缆种类繁多，电缆表面增加传感光缆，势必会影响到其他线缆的正常运行，甚至导致安全事故，特别在建设好的电缆通道内敷设电缆，可能会导致传感光缆断裂，使得系统损坏；

4）运维成本高，光缆敷设在电缆外面，得不到很好的保护，长时间运行，势必存在光缆断裂的情况，导致运维工作量增大。

采用全面感知型高压智能电缆，通过分布式光纤振动传感技术，可以实现以下功能：

1）对高压电缆的质量进行自检，包含高压电缆导体内部空隙、绝缘击穿、漏电放电的在线监测。高压电缆导体内部存在空隙时，绝缘击穿、漏电放电会形成放电，甚至导致爆炸。放电会形成涡流，发出声音振动信号，分布式光纤振动传感技术可以实时采集放电形成的声音振动信号，发出预警报警，提高电缆使用安全性、可靠性；

2）对全面感知型高压智能电缆身份智能识别，随着社会经济的发展，高压电缆的数量越来越多，对电缆的运维造成很大的困难，采用全面感知型高压智能电缆，类似建筑行业的BIM技术，只需要在现场敲击全面感知型高压智能电缆，在系统上可以立即跳出此电缆的身份信息，可包括：生产时间、生产厂家、电缆敷设时间、敷设厂家、电缆使用时间、等级、哪向哪回等，甚至可以通过手机APP 的方式进行体现，大大减少运维时间和成本；

3）全线路分布式监测，电缆本身作为分布式产品，点式的传感器只能监测单点的信号，存在大量的盲区，采用全面感知型高压智能电缆对整条线路无盲区在线监测，提高电缆的安全性；

4）主动防御，全面感知型高压智能电缆将被动防御提升为主动防御，若有盗窃者接近电缆，试图对全面感知型高压智能电缆进行切割，系统立即预警，并可通过应用层及时报警，若附近存在工程施工，接近全面感知型高压智能电缆系统立即预警，应用层发出报警，及时阻止或提醒安全施工，保障电缆的安全运行，避免损失。

2.2 全面感知型高压智能电缆与单模分布式光纤传感技术

光时域反射技术1977 年由Barnoski 博士发明［2］。时域里，入射光产生后向散射光返回到光纤入射端所需时间为t，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L，2L=vt，v为光在光纤中传播速度，v=c/n，c为真空中的光速，n 为光纤折射率。在测得时间t 时，就可求得距光源L处的距离。

当泵浦光注入传感光纤后，当泵浦光功率小于受激阈值时，光纤中的背向自发拉曼散射光功率公式［18］如下：

斯托克斯光功率：

反斯托克斯光功率

式（3）、式（4）中，Pε为入射光功率，Ks、Kas分别为与光纤斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射截面有关的系数；S为光纤的背向散射因子；Vs、Vas分别为斯托克斯和反斯托克斯拉曼光子频率；a0、as、aas分别为光纤中入射光、斯托克斯和反斯托克斯光的传输损耗系数；L为光纤长度。

如图4，反斯托克斯光强温度灵敏度高，而斯托克斯光对温度基本上不敏感。因此实际的温度变化信息主要由反斯托克斯光携带。

图4 拉曼散射光强随温度变化的归一化曲线Fig.4 The normalized curve of Raman scattered light intensity with temperature

图5 光纤测温系统硬件结构图示Fig.5 Diagram of the hardware structure of the optical fiber temperature measurement system

如图5所示，计算机控制同步脉冲发生器产生大功率光脉冲；同时向高速数据采集卡提供同步脉冲，使其进入数据采集状态。光脉冲经过波分复用器的一个端口进入到传感光纤，并在光纤中各点处产生后向散射光，返回到波分复用器。后向散射光通过薄膜干涉滤光片分别滤出斯托克斯光和反斯托克斯光，并分别进入到光电检测器和主放大器中进行光电转换和放大，将信号放大到数据采集卡能够有效采集的范围上。此时数据采集卡将传感光纤各点散射回来的光电信号进行采集和存储，产生一条光纤温度曲线，进行累加和平均等数据处理。最终由计算机通过编译好的软件进行温度解调和显示。

目前，采用多模光纤分布式光纤测温技术较为成熟，但是多模光纤不能作为常规通信使用，需要单独在电缆中植入一根多模光纤，降低使用效率。

全面感知型高压智能电缆采用单模分布式光纤传感技术，单模光纤既可以作为测温使用，而且能够让通信使用，提高电缆使用效率，并且单模分布式光纤传感技术监测长度可达到30 km，多模分布式光纤传感技术监测长度只能够达到10 km，减少成本，提高经济效益。

3 全面感知型高压智能电缆特点

1）对电缆全面感知，支撑泛在电力物联网具有状态全面感知的功能；

2）温度监测长度达30 km，温度精度±1 ℃，主动防御监测长度达40 km，距离长，精度高，保障电缆运行的安全性、可靠性；

3）自我识别、自我感知，实现真正意义上的智能。

由重庆泰山电缆有限公司和上海霍开光电技术有限公司共同研制的2 km 全面感知型高压智能电缆在台湾新竹展开温度及载流量测试、电缆防盗防开挖测试、电缆爆炸定位报警应用，电缆身份信息识别测试及应用。应用结果如下：

1）全面感知型高压智能电缆导体芯温度精度达到±0.5 ℃，大大提高了载流量精度；

2）采用机械挖掘8次，报警8次，准确率为100%；人工挖掘19次，报警18次，准确率为95%；累计准确率为96.3%；

3）机械干扰测试（浅层、轻刮、敲击）15次，产生预警；人工干扰测试（浅层挖掘）14次，产生预警，总测试误报率为0；

4）模拟电缆爆炸定位误差测试13 次，误差最大7 m，最小0 m，平均定位误差2.3 m，如表1所示。

在应用测试期间3个月2次正确报警外力施工：砖厂施工、市政污水管施工。

表1 全面感知型高压智能电缆现场测试数据Table 1 Field test data of comprehensive sensing high voltage smart cable

4 结语

全面感知型高压智能电缆将全面感知和通信结合在一起，实现对电力电缆自身的质量进行自检，包含电缆导体内部空隙、绝缘击穿、漏电放电的在线监测；电缆导体运行的温度、载流量在线监测电缆身份智能识别；同时电缆自身会对外界对其破坏进行主动防御并且报警。加上现有其他的电缆监测技术：接地电流互感器、局放传感器，从而从内而外全面感知电力电缆的运行状态，为电力电缆的安全运行，并为管理部门和人员及时发现环境温度异常变化、偷盗、破坏事件，进行制止和事故处理，提供有力的技术保障。

［参考文献（］（References）

［1］ 国网能源研究院有限公司.能源与电力分析年度报告［M］.北京：中国电力出版社，2018.

［2］ 贺中桥，刘波.一种波形自动判读的电力电缆故障智能检测定位系统：CN201821416012.2［P］.2019-11-26.

［3］ 孙廷玺，廖雁群，郭小凯，等.一种高压复杂电缆故障快速分 段 判 别 及 定 位 方 法：CN201910699392.8［P］.2019-10-18.

［4］ 陈道华. 智能高压电缆终端生产专用模具：CN201910438876.7［P］.2019-09-20.

［5］ 李万超，尹海丞，王磊.高压电缆局部绝缘老化故障智能定位系统设计［J］.自动化与仪器仪表，2019，（08）：41-45.LI Wanchao，YIN Haicheng，WANG Lei.Design of intelligent positioning system for partial insulation aging fault of high voltage cable［J］.Automation&Instrumentation，2019，（08）：41-45.

［6］ 叶漳桂，陈励娜.一种高压电力电缆护层智能接地装置：CN201910446643.1［P］.2019-08-02.

［7］ 电网头条.官宣：2019 年国家电网公司全力打造“三型两网”企 业［EB/OL］.［2019-01-17］.http：//www.chinasmart grid.com.cn/news/20190117/631711.shtml.

［8］ 电力界.国家电网泛在电力物联网建设大纲正式发布［EB/OL］.［2019-03-11］.http：//www.chinasmartgrid.com.cn/news/20190311/632172.shtml.

［9］ 胡畔，周鲲鹏，王作维，等.泛在电力物联网发展建议及关键技术展望［J］.湖北电力，2019，43（01）：1-9.HU Pan，ZHOU Kunpeng，WANG Zuowei，et al. Key technology and development proposals for ubiquitous power internet of things construction［J］. Hubei Electric Power，2019，43（01）：1-9.

［10］ Byoungho Lee.Review of the present status of optical fiber sensors［J］.Optical Fiber Technology，2003，9（02）：57-79.

［11］ 李荣伟，李永倩.高压电缆用分布式光纤传感检测系统［J］.光纤与电缆及其应用技术，2010，（01）：38-41.LI Rongwei，LI Yongqian. High-voltage cable detection system based on distributed fiber optic sensing［J］.Optical Fiber&Electric Cable and Their Applications，2010，（01）：38-41.

［12］ 王剑锋，刘红林，张淑琴，等.基于拉曼光谱散射的新型分布式光纤温度传感器及应用［J］.光谱学与光谱分析，2013，33（04）：865-871.WANG Jianfeng，LIU Honglin，ZHANG Shuqin，et al.New type distributed optical fiber temperature sensor（DTS）based on raman scattering and its' application［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2013，33（04）：865-871.

［13］ 蒋鹏.基于瑞利散射的分布式光纤振动传感技术研究［D］.长沙：国防科学技术大学，2012.JIANG Peng.Research on distributed optical fiber vibration sensor based on rayleigh backscattering light［D］.Changsha：National University of Defense Technology，2012.

［14］ 刘建霞.φ-OTDR 分布式光纤传感监测技术的研究进展［J］.激光与光电子学进展，2013，50（08）：193-198.LIU Jianxia.Research progress of distributed optical fiber sensing and monitoring technology based on φ-OTDR［J］.Laser&Optoelectronics Progress，2013，50（08）：193-198.

［15］ 朱涛，何茜.基于φ-OTDR的光纤分布式宽频振动传感技术研究［C］.中国光学学会中国通信学会中国电子学会，2015.

［16］ 单媛媛.基于Φ-OTDR 的分布式光纤振动传感系统关键技术研究［D］.南京：南京大学，2019.SHAN Yuanyuan. Research of distributed optical fiber vibration sensing system based on Φ-OTDR［D］.Nanjing：Nanjing University，2019.

［17］ 胡君辉.基于瑞利和布里渊散射效应的光纤传感系统的研究［D］.南京：南京大学，2013.HU Junhui.Investigation on the fiber sensing system based on rayleigh and brillouin scattering effect［J］. Nanjing：Nanjing University，2013.

［18］ 张在宣.光纤分子背向散射的温度效应及其在分布光纤温度传感网络上应用研究的进展［J］.原子与分子物理学报，2000，17（03）：559-565.ZHANG Zaixuan. The temperature effect of optical fiber back-scattering and the applied research for distributed optical fiber temperature sensor netw ork［J］. Chinese Journal of Atomic and Molecular Physics，2000，17（03）：559-565.