基于全光纤传感技术的电缆漏电实时监测定位系统

陈子涵，宋耀华，彭毅，皮昊书，时亨通，邱方驰

（1.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000；2.广东复安科技发展有限公司，广东 东莞 523000）

电能输送通常指调度中心根据各地区用电量的多少对电能进行调配，根据传输方式的不同，大致可以划分为架空线缆输电和电缆沟敷设电缆输电。对于一些紧靠建筑物的架空线而言，这些问题都会给居民的生命和财产安全带来极大的安全隐患。通过电缆沟敷设电缆，其铺设的工期短、后期维护费用低，外界环境因素对其造成的影响小，并且具有走向灵活且能容纳较多电缆等优点，因此，电缆沟敷设已成为电力传输的主要方式。

在电力输送方式上，电缆沟输电要优于架空线，但是，随着电缆沟内电缆数量的增多，面临的安全问题逐渐凸显。例如，沟内大多为密闭环境，通风不好，因此，其温度容易积压，长时间积压易引起火灾；电缆沟内部环境复杂，存在大量积水以及有毒气体等，会给电力施工和检修人员的人身安全产生不利影响。电缆沟内电缆不仅承担电能传输的作用，同时，还承担通信和继电保护等功能。电缆沟的安全问题事关重大，如果出现问题，将会给配电部门及相关用户造成巨大的损失。为了能让相关人员随时监测电缆沟内部环境状态，及时发现问题，做到及时发现及时处理，因此，对电缆沟的实时监测具有非常重要的意义。

基于此，笔者设计了一套实时监测定位系统，以实现对电缆沟内电缆实时监测。该系统由两个萨格纳克光纤干涉仪组成，并使用3×3耦合器解调，通过时延估计算法对两个干涉仪的相位差进行数学运算，构造两个高度相似的复合信号。这两个信号在时域上仅仅具有固定的时延差，通过对其做互相关便可以实现定位。

1 检测定位系统设计

1.1 系统设计

设计的电缆沟安全监测实时定位系统结构框图如图1所示。其中，光源采用的是宽带光源；隔离器的作用是防止反射光进入光源，影响其工作状态并起到保护光源的作用；耦合器1是一个3×3的光纤耦合器，其分光比为1:1:1；延迟线圈1和延迟线圈2都是延迟光纤；耦合器2是一个2×1的光纤耦合器，用于将分开的光再耦合起来传输；波分复用器的作用是将光分成2个波段的光分开或者合并；法拉第旋转镜用于将光反射，并且可以保持其偏振态稳定。探测器将探测到的光信号转换为电信号，采集卡将模拟信号转化为数字信号输出给工控机，最后，在工控机上进行数据分析处理。

图1中存在2个萨格纳克干涉仪，其中，对于波长λ1的干涉仪来说，存在下列路径：

（1）1→2→3→4→5→6→7→8→9→10→11→10→9→8→7→6→5→14→15

（2）15→14→5→6→7→8→9→10→11→10→9→8→7→6→5→4→3→2→1

对于波长λ2的干涉仪来说存在下列路径：

（3）1→2→3→4→5→6→7→12→13→12→7→6→5→1 4→15

（4）15→14→5→6→7→12→13→12→7→6→5→4→3→2→1

λ1的光沿着路径（1）和（2）传播时，将于耦合器1处发生干涉；同理，λ2的光沿着路径（3）和（4）传播时，也将于耦合器1处发生干涉。波分复用器再将光分解成λ1和λ2，并分别被4路探测器探测。我们提出的新型漏电监测定位系统分为前端和后端，中间只用一根光纤作为传感光纤，其体积非常小，可以随电缆一起封装。

1.2 定位原理分析

假设图1中的位置6处发生了漏电，那么，漏电产生的超声波将对光纤产生“光弹效应”，由此对光纤中的信号光进行相位调制，因此，由4路探测器获取的信号可以表示为：

图1 系统结构框图

在定位系统中，使用波分复用技术形成的两个萨格纳克干涉仪，由漏电引起的相位差可以分别被表示为：

式中，c是真空中的光速，Ld为延迟光纤的长度，Lx为漏电处距离法拉第旋转镜的距离，是由漏电引起的相位变化，为简单起见，忽略了连接光纤的长度。

图2 时延估计算法框图

对比公式（7）和公式（8）可知，∆φ1(t)和∆φ2(t)在时域上的表现是一样的，仅仅存在一个时间延迟Δτ=2n·Lx/c，对∆φ1(t)和∆φ2(t)做互相关，相关函数可表示为：

通过搜索R(t)的峰值，根据其最大值偏离中心点的位置，便可以获得时间延迟Δτ的值，漏电距离Lx可以通过以下公式获得：

2 实验结果及分析

2.1 漏电位置定位

在前面理论研究和公式推导的基础上，该定位系统的可行性已经得到证明，然后，我们按照框图1搭建了该定位系统。光源的中心波长为1550nm，波长范围为1510～1590nm；波分复用器的透射端通过波长为1520～1540nm的光，反射端反射1545～1565nm的光；延迟光纤的长度为10km；采集卡的采样频率为500K/s，使用LabVIEW程序实现信号处理和分析。

当线路中的电缆有破损时，破损处将伴随高压放电，产生的超声波对传感光纤有调制作用。通过探测器获取干涉信号，再通过时延估计算法计算得到的结果如图3所示。

图3 时延估计算法的计算结果

图4 现场实际受损光缆

对实际线路进行巡检，发现该处电缆确实异常，现场实际漏电电缆如图4所示。从图中可以看出，电缆沟内电缆已经破损，且伴随着漏电发出“嗒嗒嗒”的响声。

2.2 软件可视化表现

LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程软件，主要应用于仿真、工业化测试和自动化控制等领域。本系统的可视化操作界面使用LabVIEW编写，并记录漏电时间和位置等信息，然后，将报警信号推送给客户。软件界面如图5（a）所示。

根据软件记录的电缆漏电位置，取30组数据作图，得到的结果如图5（b）所示。从图中可以看出，本系统计算得到的漏电位置是有浮动的，但其最大的定位误差在40m内。因此，本文设计的电缆漏电实时监测定位系统具有很高的稳定性，并且定位准确，具有实际的应用价值。

图5 软件界面与系统稳定性

3 结语

本文基于分布式光纤传感技术并结合时延估计算法设计了一套全光纤电缆实时监测定位系统。该系统使用两个萨格纳克光纤干涉仪检测不同波长的干涉信号，并使用一个3×3耦合器解调时变相位变化，通过时延估计算法对光缆异常位置进行定位。使用LabVIEW编写了一套可视化操作界面，实现了对电缆的实时监测，并对漏电位置进行定位，定位误差在40m内。