Φ-OTDR 技术在电力系统光缆监测中的应用

吴建灵，季 伟，叶向阳，王文军，吴俊杰，徐常志，叶俊健

（1.丽水正阳电力建设有限公司，丽水 323000；2.深圳市特发信息股份有限公司，东莞 523000）

0 引言

电力产业作为国家经济的命脉产业之一，对维护国家产业布局，调整能源结构的重要性日益明显。随着国家电网泛在电力物联网战略规划的提出，大规模的光纤网络得以铺设，电力通信光网络的稳定性和可靠性关系着两网融合后新型电网的安全有效运行。普通的人力巡察存在故障查找困难、排障时间长、修复成本过高等缺点。因此，如何实时的监测光纤的故障隐患，如何管理和维护光缆线路以确保通信系统安全稳定运行已成为重要问题。

1 基于背向瑞利散射的传感技术

1.1 传统的OTDR 技术

OTDR 的典型结构图如图1所示，光源从激光器中发射，入射波经过环形器，在磁场作用下，传递到接入端口的传感光纤，光纤中的光纤中的瑞利散射光向各个方向散射，当光纤受到外界振动影响，因光弹效应背向瑞利散射光沿着光纤返回入射端，通过环形器从另一端口入射到光电探测器中，经光电探测器接收并转化为电信号，最终送入到系统的信号采集和信号处理系统中。

图1 OTDR典型结构图

传统的OTDR 采用的激光光源非常微弱，光脉冲光波内散射光相互干涉的响应度较小，需要对散射回的信号进行多次累积处理才能采集到信号，从而影响到监测光缆线路损耗的数值。而且不用破坏光缆并做一个全面的检查。在工程应用中传统的OTDR 路由标定技术定位精度低±10–50 m，且不具备GIS 系统。因此，当发生光纤断点时往往依靠人工下井来回跑巡查确定断点所在的位置，如此费时费力大大增加了电力光缆维护的成本，且效率不高。

1.2 Φ-OTDR 传感技术

光弹效应也叫作双折射效应，它是物质的弹性形变，产生双折射引起其折射率发生变化的物理现象。当光纤发生光弹效应时，光在光纤中的瑞利散射光因折射率发生变化，进而引起光纤中所传输光的相位变化。

假设传 感光纤长度为l，λ 为光的中心波长，n为光纤的折射率，通过相位公式计算出φ：

由式（1）可知，当该传感光纤受到外界环境引起的振动变化时，光纤中传输的光信号受到影响，光的波长发生改变，其相位随之发生变化，相位变化量公式如（2）所示

根据△φ 的变化信息，可推算出对应光纤位置的相位的变化，再根据该背向散射光的光强变化，就可以推算出相应的振动信息。

与OTDR 不同的是，Φ-OTDR 采用一窄线宽激光光源，其原因是OTDR 采用的低相干性脉冲光源抑制了相位变化，而Φ-OTDR 选取的窄线宽激光光源，其发出的窄线宽的连续光经脉冲调制器调制为脉冲光（脉冲宽度20 ns），再经EDFA 进行放大后通过环形器注入到传感光纤中，以产生背向瑞利散射光信号。产生的背向瑞利散射光信号经光电探测器接收并转化为电信号，最终送入到系统的信号采集和信号处理系统中。Φ-OTDR系统结构图如图2所示。

图2 Φ-OTDR系统结构图

相比传统的OTDR 技术Φ-OTDR 定位精度要高，传统的OTDR 技术定位精度±10–50 m，而Φ-OTDR定位精度可达到±5 m 的高定位精度。

2 光缆故障原因及分析

由于我国国土辽阔，工程建设过程难免会出现意外挖断地下通信光缆的情况，例如华北某油田输油光缆光纤断点定位修复，津沧线几根冗余芯也在此处断裂，后在现场证实是中铁建设施工挖断。现场如图3所示。

图3 中铁施工挖断光缆现场图

最为常见的光纤故障：

（1）人为破坏（包括挖伤、砍断、火烧、砸伤、施工时光缆打绞等）。

（2）不可抗力造成（如杆倒、地质沉降、地震）。

（3）中间接头内光纤断。

（4）中间接头内光纤收缩严重或光纤焊接头老化。

（5）光缆内断。

（6）终端盒里面光纤焊接头接不好。

3 基于Φ-OTDR 技术的工程应用方案

城市内光纤网络四通八达为了能够更好的维护城市的通信网络，减少经济损失使用先进的Φ-OTDR 技术无疑是一种明智的选择。如图4所示。

图4 Φ-OTDR技术应用架构图

光纤断点定位步骤如下：

（1）路由标定。主机接入光纤后，通过路由标定确定光缆实际位置以及走向，并在地图上进行标注，当有光纤出现断点后，会在主机软件界面上显示报警。设备联网后，通过载入百度地图显示光缆所在位置地图，并设定中心点，选定当地所在位置，在地图上标出光缆走向图，当有报警时，界面会出现一个弹窗，显示光纤断点位置。并可比对现场光缆实际位置，查看实际断点位置。

（2）确定损坏光缆断点位置。首先，将损坏的光纤（图5中的1号光缆）接入分布式光纤振动传感系统，测量并记录光纤断点的纤长数据，这里可假设光纤断点位置的纤长为550 m。

图5 光纤断点定位示意图

（3）振动测试。为进一步确定光缆断点位置，在测量的光纤断点附近（只做大概估计即可），利用大锤、铅球、铲背等工具，在光缆正上方的向下砸击地面，此时，分布式光纤振动传感系统会呈现出图6的振动曲线。

图6 光纤振动曲线图

通过观察现场测试点，会对现场光缆所处环境造成干扰，导致光缆光源走向发生改变，促使断点前振动曲线上升，从而进一步判断光缆断点位置。

4 结束语

文研究围绕传统OTDR 技术展开，详细说明了基于背向瑞利散射Φ-OTDR 技术的原理。从工程应用的角度去分析对比了OTDR 技术和Φ-OTDR 技术的优劣，在以往采用传统OTDR 技术的的光纤断点定位中，如何快速准确定位光纤断点所在地理位置是最大的难点。一般需要挖开光缆，而往往要开挖很多的坑才能逐步逼近找到断点，过程耗时耗力效率低。相比之下Φ-OTDR光纤断点定位传感系统采用光纤振动测试的方式进行断点的定位，不用多次开挖和直接接触光缆，效率和准确性都大大提高。