基于阵列式FBG的电缆护层环流监测系统

林 阳，王 耀，阎嫦玲，罗苏南，潘仁秋

（南京南瑞继保工程技术有限公司，南京 211102）

0 引言

高压电缆具有安全、可靠，几乎不占用地面空间等优点，已被广泛地使用在现代化大中城市的繁华市区，电缆隧道的建设规模及长度不断增加。

然而，高压电力电缆可能存在设计、制造、施工缺陷，且长期处于地下隧道内，环境电磁干扰强、湿度高、易浸水、监控困难，运行过程中易受到环境电、热、化学因素的干扰，导致电力电缆中绝缘缺陷的产生和恶化，进而导致绝缘击穿、起火、断裂等故障，从而引发更大范围的事故。

电力电缆外护层具有保护和绝缘作用，其完整性和可靠性是电缆安全运行的保障[1]，而根据电网公司的运行规范和检修经验，电力电缆的护层环流是表征电缆故障的重要指标[2-6]，因此实现电缆护层环流的可靠监测，对于实时掌握电缆健康状况，及时发现绝缘缺陷，保障电缆安全稳定运行意义重大。

1 电缆护层环流实时监测系统现状

高压电缆正常运行时，如果有电流流过，会在电缆金属护层中感应出电压。为了保证运行安全，同时抑制电缆护层接地环流，电缆金属护层一般采用单端接地或交叉互联的方法进行接地。当电缆的绝缘状态良好时，护层环流接近于零。但是当绝缘护层老化或破损导致金属护层发生多点接地时，接地环流会大幅增加，如不及时处理，将会对电缆的长期寿命和短时运行安全造成极大的影响。因此，监测电缆护层的接地环流不仅可以监测电力电缆金属护层自身的状态，也可以监测主绝缘的品质状态和高压电力电缆的其他故障。

目前，管廊常用的护层电缆监测系统主要由护层环流互感器、电流采集装置和综合监控主机组成，如图1所示。电缆接头处配置三相接地电流互感器（部分管廊另配置N相互感器），互感器输出信号由电流采集器采集并通过光纤环网发送至监控主机，综合监控主机对接收到的护层接地环流信息进行故障分析和故障报警[7]。

以上的护层环流监测系统已有较大范围的应用，但是工程设计和运行过程中，发现管廊内装置的供电问题较为多见。护层环流采集器为有源装置，需考虑供电电源问题。很多管廊尤其是较早期管廊内动力电源配置不足，且采集器电源引线过长的话会造成终端电压降低，影响护层采集器正常工作；一些电源线缆敷设不方便的特殊区域要求装置支持低电压供电，对装置功耗要求严苛；部分管廊不具备供电条件，需采用线圈取能方式或配置电池，但线圈取能存在工作死区，当电缆上运行电流较小时会失效，电池则容量有限，需要定时更换，运维难度较大。

2 FBG阵列式电缆护层环流监测系统方案

2.1 总体方案

为了适应电力管廊供电困难的现状，本文提出了基于阵列式光纤光栅传感器（FBG）的准分布式护层环流监测系统方案，系统架构如图2。系统主要包括电流互感器、光纤布拉格光栅（FBG）传感器、传输光缆和护层环流主机，电流互感器安装于高压电缆护层接地线上测量接地电流；FBG接收互感器输出信号并转换为特定波长的光信号；传输光缆为单模铠装光缆，连接各FBG并将其光信号输送至二次设备室的护层环流主机；护层环流主机解析接收到的FBG传感信号，计算护层接地电流信息，并实现人机交互、数据存储、故障分析和故障报警等功能，完成管廊电缆护层环流监测及告警。

2.2 光纤布拉格光栅（FBG）传感器

光纤布拉格光栅（Fibre Bragg Grating，FBG）是在单模光纤的纤芯内刻制光栅，通过光栅间的距离变化感知温度、形变、应力等外界物理作用，从而对其反射波长进行周期性的调制而形成的一种全光纤器件。FBG好像一个窄带的反光镜，当一束光送进FBG时，根据光栅理论，在光波长满足Bragg条件的情况下，就会发生全反射，FBG只反射一个波长而透射其余的波长，被反射的波长称为Bragg波长，因此反射光谱在Bragg波长处出现峰值，如图3。光栅受到外部物理场（如应力、应变温度等）的作用时，其栅距随之发生变化，从而改变了反射光的波长，检测反射光的波长变化即可确定待测部位相应物理量的变化[8，9]。

图3 FBG传感原理Fig.3 FBG sensing principle

由于FBG只对波长敏感，传感系统的光强损失不影响检测结果，因而可实现长距离监测及长期监测，并可在一路光纤上实现FBG阵列排布的准分布式多点测量。光纤布拉格光纤传感器阵列具有灵敏度高、频带宽、体积小、抗电磁干扰能力强、布置灵活等优点，适合用于管廊内的监测需求。

用于电缆护层环流监测的FBG传感系统如图4，每相接地线配置一套护层环流互感器及FBG传感器。环流互感器采集接地线上的接地电流，其输出转换为电压后分别施加在磁致伸缩材料的阳极和阴极上。磁致伸缩材料粘贴在FBG上，受阳极及阴极的电压差影响产生伸缩变化，使紧贴的FBG产生对应形变，从而对反射光的波长实现周期性调制。

图4 FBG护层环流传感系统Fig.4 The composition of the FBG shield circulation sensing system

经电流互感器和磁致伸缩材料转换后，在线性工作范围内，磁致伸缩材料的应变与被测护层环流I的关系可表示为

其中：ε为磁致伸缩材料的应变，k1为曲线斜率，与磁致伸缩材料的磁致特性相关；α为电流到磁场的转化率，与电流互感器、转换电阻R的选取相关。

FBG中心波长的变化可表示为

其中：Pe为光栅的弹光系数，λ0为光栅的中心波长。当I为正弦波形时，FBG中心波长也随之产生周期性的波长变化。

各相的FBG传感器由传输光缆串接在一起，接入护层环流监测主机。各FBG传感器分别工作在不同的中心波长，其工作波段互不重叠，且都落在护层监测主机宽带光源的光谱带内[10]。通过多段电缆接头处的FBG阵列，可用一台护层监测主机实现高压电缆全程各测点的护层环流实时监测。

FBG传感器安装在管廊中，环境潮湿且有浸水风险，因此需配置高防护等级箱体。高防护箱体为全封闭一体化结构，采用铸铝金属材料，具有很好的电磁屏蔽作用，与外部接口采用防水接头，防护等级达到IP68，整体具有防尘、防水和抗电磁干扰功能，保证了FBG传感器在电缆隧道复杂的运行环境中可靠运行。

2.3 护层环流监测主机

护层环流监测主机需满足FBG阵列的光源提供及解调计算需求，同时需具备故障电流判定、数据通信、时钟同步、人机接口等功能，本文对护层环流监测主机的硬件部分进行详细的设计，采用模块化的设计理念实现电流采集装置的各功能单元，具体如图5。

图5 护层环流监测主机设计方案Fig.5 Design scheme of protective layer circulation monitoring host

护层环流监测主机的功能模块主要包括电源转换模块、CPU模块、光路系统及人机接口，其中CPU模块具备光源控制、解调计算、电流数据处理、时钟同步及数据通信等功能，光路系统包含了光源、滤波器等光学器件，两者配合实现光源控制、光信号探测及信号解调等功能。人机接口含键盘、液晶等器件，数据输入DSP，可实现装置系统操作、信息查看及定值修改等功能。

CPU模块内含FPGA、DSP、A/D和D/A转换电路、通信模组和时钟同步模组等。FPGA完成光源控制、解调计算、电流数据处理等需高速处理的功能；DSP实现系统管理、时钟管理、通信管理、人机交互等功能；A/D、D/A转换电路与光路系统连接，将输入的模拟信号转换为数字信号并传输给DSP核进行数据处理，将DSP输出的数字控制信号转换为模拟信号施加到光路系统的光源、滤波器上。通信模组受DSP控制，实现与综合监控主机或其它必要设备的通信，支持IEC61850、IEC103、modbus-tcp等主流电力通信规约。时钟对时模组支持网络对时，可接收北斗或GPS对时信号，为装置的故障分析提供准确的时间参照。

监测主机的核心是光源及解调系统，其结构如图6。光源控制电路控制宽带光源发射宽谱光，经光隔离器、耦合器、传输光缆后注入FBG阵列，在各FBG传感器处产生波长选择反射，反射后的光信号经耦合器引导至可调F-P滤波器，滤波后的光信号由光探测器采集后传输至解调电路；解调电子电路控制滤波器的扫描电压，并结合扫描电压与探测光信号进行解调处理，计算出被测电流，经电流数据处理后输出电缆故障告警信号。

图6 光路及解调系统设计Fig.6 Design of optical system and demodulation system

护层环流监测主机中，所有FBG共用同一个光源，为支持更多的FBG传感器组成阵列，光源采用宽带光源，可考虑采用超辐射发光二极管（SLED），其3dB光谱宽度可超过45nm，单个FBG传感器的波长变化范围基本小于0.5nm，考虑一定的光谱重叠裕量，一个SLED光源可支持50个以上的FBG传感器组成阵列；为进一度拓宽光源光谱，可采用数个SLED光源并行工作模式，波长高低搭配的3个SLED光源组合使用后，可输出光滑谱宽＞90nm的宽谱光，支持100个以上的FBG传感器阵列。

为检测各FBG返回的不同波长反射光，光路系统中配置可调谐窄带光纤F-P滤波器[11，12]。通过电控压电陶瓷改变F-P腔的腔长来调节滤波器的导通频带（即反射光的透射波峰），在调谐控制信号作用下，F-P滤波器的导通频带扫描整个光栅反射光光谱。当可调F-P滤波器的透射波峰与传感光栅的反射波峰重合时，滤波器的透射光强最大，结合光探测器采集到的透射光强度与扫描电压可以解调出对应FBG处的反射光波长，进而计算出被测电流。在可调F-P滤波器的每个扫描周期内，所有FBG传感器的Bragg波长能导到快速测定。可调谐F-P滤波法适用于阵列式测量，具有较宽的调谐范围和光能利用率，实现较高的分辨率和测量精度，可大大提高测量范围和FBG传感器的复用个数。

对于部分长度不长，但是需监测电缆较多的管廊，可以在耦合器后配置光开关，光路系统如图7。常用的光开关的最快切换时间约1ms～10ms，部分高性能开关可实现ns级切换，通过光开关的周期性切换，光路系统可并接多路电缆上的FBG阵列，实现多通道测量。

图7 多通道光路系统设计Fig.7 Design of multichannel optical system

监测主机支持环流越限、环流变化值、接地环流与线路电流比值越限等多种电缆故障判据，多角度实现电缆故障判定及告警；因不同地区、电压等级对于护层环流的故障判定需求存在差异，装置设有可自定义的报警定值，实现故障的自定义数学、逻辑判定，便于判定复杂电缆故障。

3 结论

电力电缆护层环流监测的重要性已日益提高，但是电力管廊中供电困难的现状限制了有源监测系统的应用。本文设计了一种新型基于光纤布拉格光栅（FBG）阵列的无源护层环流监测系统，采用FBG传感器采集电缆护层环流，无需供电，灵敏度高，可完全满足电力管廊内的环境和功能需求，具有广泛的推广应用价值。

FBG传感器具有体积小、动态范围大、可靠性高等优点，且适用范围广泛，除可测量护层环流以外，还可适用于管廊温度、应力以及振动等物理量的监测，本文所设计的监测系统可根据工程需求进行扩展，满足不同环境量监测的需求。