智慧电缆安全预警系统探讨——以智慧电缆为基础载体的基于光纤传感技术的电气安全预警平台

杨艳晶， 赵 天， 李超权

(1. 中关村科技园区海淀园创业服务中心，北京100085；2.戎微(北京)技术有限公司，北京100085)

[摘要] 电能是人类城市经济繁荣最基本驱动资源，之于城市发展的作用逐渐由“数量保障”向“质量提升”过渡。 首次建立基于光纤感技术的以智慧电缆运维为基础载体的电气安全预警系统，对电气安全关键参数的动态早期预警及故障准确定位，实现了以较小的投入，最大地提高电能运输保障效率和安全预警效能、电气安全运维精准化保障。

[关键词] 光纤光栅；定位；布里渊散射；喇曼散射；光时域反射；管理平台

中图分类号:TU852文献标识码:A文章编号:1729-1275(2021)03-0077-04

0 引言

近年来，随着能源驱动型城市的电力负荷逐年攀升，城市电力电缆设备与规模与日俱增，要求电缆保障运维手段与之相适应。 利用新一代光纤传感技术与传统电缆相结合，提高电缆运维的信息化水平，实现整个电能传输途中的动态可测试性；研制嵌入式智能故障诊断与预测设备，提高电缆运维的准确性、可靠性和实效性。 发展信息化智慧预警电缆在城市电能网体系中占有比例，是提高一个城市电能源安全供给的有效手段。

遍布城市各个角落电缆出现故障的情况比较复杂，城市动土工程的外力破坏及电缆设施丢失、长时间电缆运行导致的电缆本体或附件故障。 传统的电缆事故定位一般采用脉冲回波法、电桥法、脉冲电压法等，传统保障维修手段尚存在故障点位置及故障情况无法有效直观快速分析获取，很难在最佳时间对电气事故进行防护和修复，无法做到提前发现潜在的故障，提高电缆设施的完好性。

智慧电缆预警系统以电缆为载体，集传输电能与光纤传感功能一体，与线缆延伸敷设的数十公里光纤同时传输和感知成千上万个监测部位的信息。具有分布式、远距离、本安型耐腐蚀、抗电磁干扰等优点。 智慧电缆线路及电气设施运维缺陷(如电缆接头、终端发热，电缆过热、开路(断线)、绝缘击穿、绝缘降低(特性阻抗)故障，电缆局部放电闪络故障、外力拉断、积水、温升率、应变、微震、有毒气体、电气井盖打开)均可以通过基于光纤传感技术以智慧电缆为载体的电气安全预警系统的动态实时参数与初始参数的比较和变化趋势进行数据分析，完成电气安全运维事故预测、预知电气设施投运后可能出现的隐患与故障，做到区域电气安全运维风险事前的动态实时管控的预防全覆盖。

1 智慧电缆预警系统分类

1.1 总体分类

智慧电缆预警系统一般由智慧电缆、预警主机、预警系统管理平台组成。 系统分类有按光纤传感与电缆装配分类和按采用光纤传感技术分类二种方式。

1.2 按复合装配方式分类

(1)内置式:光纤在电缆生产过程中将光纤置于电缆结构层中。

(2)外置式:光纤传感器沿电缆线路按一定方式固定在电缆外护套或接头表面并组网。

1.3 按光纤传感技术分类

(1)基于布拉格光纤光栅传感技术的智慧电缆。

(2)基于喇曼(Raman)散射分布式光纤传感技术的智慧电缆。

(3)基于受激布里渊散射分布式光纤传感技术的智慧电缆。

2 智慧电缆预警系统原理

2.1 基于布拉格光纤光栅传感器的智慧电缆

预警主机(激光源)发射出固定波长的传输激光源进入分布在10km 范围内不超过12 个布拉格光纤光栅传感器中，光栅的中心波长λ1～12 会随着光纤周围温度、振动的变化而发生很大的变化引起中心波长的漂移，经解调可得到对应的温度特性、振动特性曲线，测试框图如图1 所示。 特别适用于电力井盖、隧道巡视如井盖是否打开，隧道内是否积水或有异常情况发生；隧道内温度是否正常，临近热力、燃气、油气管线泄漏沉降等危险；电缆外护套、中间接头、户外终端头温度有无异常等实时监测。

图1 基于布拉格光纤光栅传感器的智慧电缆测试框图

2.2 基于喇曼(Raman)散射分布式光纤传感器的智慧电缆

图2 喇曼(Raman)散射分布式光纤传感的智慧电缆测试框图

实现整个电缆(10km)沿线的连续温度进行监测的智慧电缆是基于光纤受激喇曼散射与光纤的反斯托克斯喇曼散射与被测温度相关联的原理，用光时域反射技术进行定位；如图2 示入射激光脉冲与电缆内置光纤分子相互作用，发生散射。 从传感光缆内任何一点的斯托克斯光(Stokes)与反斯托克斯光信号强度的比例中，可以对应该点的温度。 基于光时域反射技术(Otod)原理利用入射光与返向光之间的时间差对每个温度采集点到入射端的距离及光纤异常温度点的距离定位。 特别适用长距离、测点连续的应用场所如地铁、铁路交通、隧道及国防工程。 实施中内置式智慧电缆更直接反映电缆导体温度，外置式适用发电厂、变电站的电缆夹层、电缆沟道、大型电缆隧道的温度场变化过程，可以及时发现事故隐患并预警，进而避免发生事故或引起火灾。

2.3 基于受激布里渊散射分布式光纤传感技术的智慧电缆

受激布里渊散射分布式光纤温度、应变传感器通过光纤的背向布里渊频移及强度随温度和应变的变化关系，以及光时域(OTDR)原理技术进行温度和应变信息的同时检测及精准定位，光导纤维既作为传输介质，同时也作传感介质，利用光纤中的光传输原理同时获取沿光纤(100km)分布的温度、应变信息，测试框图如图3 所示。

图3 受激布里渊散射分布式的智慧电缆测试框图

当电缆出现故障趋势时，电缆上某点的温度和应力变化数据同时采集有着明显的优势，特别适合如海洋、化工、核电等超越人类生理极限的极端环境领域的关键电缆应用。

3 智慧电缆预警系统的配置

智慧电缆预警系统由预警系统管理平台、预警主机和内置/外置光波导的的智慧电缆组成，智慧电缆预警系统的配置图详见图4。

图4 以智慧电缆运维为基础载体的基于光纤传感技术的电气安全预警平台配置图

3.1 系统关键参数

智慧电缆预警系统关键参数详见表1。

表1 系统关键参数

续表1

3.2 智慧电缆的配置参数

智慧电缆的配置参数详见表2。

表2 智慧电缆的技术参数

4 全光纤智慧电缆安全预警系统工程应用

图5 为某工程全光纤智慧电缆安全预警系统图。

图5 某工程全光纤智慧电缆安全预警系统图

4.1 配置说明

(1)基于全光纤传感技术的智慧电缆预警系统电气安全综合参数监控方案，由智慧电缆、光纤传感器、预警主机、预警系统管理平台组成。

(2)外置式光纤传感器:光纤光栅传感器Gλ、激光气体传感器Gn 组成，与传输光缆熔接后用光纤接续盒防护，每芯光纤接续均用光纤跳线熔接，通过光纤法兰连接。

(3)光纤光栅传感器G:温度、局放、液位、风速、湿度、微震等，适用高压器件安全及供电桥架、隧道、缆沟及环境安全参数监测。

(4)激光气体传感器Gn:甲烷、CO 等有毒或易燃气体。

(5)内置/外置式分布式光纤传感器用于温度动态测量、应变动态测量、应变合并动态测量。

4.2 智慧电缆工程敷设

安装敷设工程应用案例如图6 所示。

图6 安装敷设示意图

5 结束语

通过采用以智慧电缆运维为基础载体的基于光纤传感技术的电气安全综合预警平台，在线监测电缆运行状态及电气设施关键参数，实时掌控，使保障维修模式从定期开展的预防性维修转向按需开展的预测性维修。 不仅能提前发现潜在的故障，提高设施设备的完好性，还节省了维修时间，降低了维修费用，确保了供电系统的安全性和可靠性。电气安全预警系统主要用于国防、市政管廊、机场、地铁、数据中心、医院、金融领域等重要工程。