基于分布式光纖振動(dòng)傳感原理的電力電纜故障定位技術(shù)研究＊

周正仙，田 杰，段紹輝，徐幫聯(lián)，王曉華，4

（1.上海華魏光纖傳感技術(shù)有限公司，上海 201103；2.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；3.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；4.上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，上海 200090）

引 言

電力電纜是電力傳輸?shù)闹匾d體。但是人為因素（如：施工挖破皮、被割破皮等）和自然災(zāi)害（如：滑坡、塌方、地基沉降、腐蝕、老鼠破壞等）會(huì)造成電纜線路故障，影響電力電網(wǎng)建設(shè)效能的發(fā)揮。因此，應(yīng)用科學(xué)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電纜的電纜的故障進(jìn)行檢測(cè)和定位、及時(shí)提醒線路維護(hù)人員提前采取預(yù)防措施顯得十分的緊迫和必要。

本文研究基于分布式光纖振動(dòng)傳感原理為核心的智能監(jiān)測(cè)技術(shù)，利用光纖傳感技術(shù)對(duì)電網(wǎng)中的電力電纜線路的故障進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)和定位。該智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電纜線路的故障進(jìn)行檢測(cè)和定位，確保電網(wǎng)安全、高效運(yùn)行；綜合分析處理各傳感器信息，并且在出現(xiàn)異常情況時(shí)，通過(guò)控制相應(yīng)的聯(lián)動(dòng)設(shè)備采取一定的措施來(lái)保障電網(wǎng)正常運(yùn)行。

1 分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)原理

分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)是利用 Φ－OTDR（optical time domain reflectometer，OTDR）［1－4］光時(shí)域反射計(jì)的干涉機(jī)理測(cè)試外界繞那擾動(dòng)，外界擾動(dòng)作用在光纜上面或附近產(chǎn)生的壓力（振動(dòng)）導(dǎo)致光纖中瑞利散射光［5］相位發(fā)生變化，由于干涉作用，光相位變化將引起光強(qiáng)度的變化時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同時(shí)刻后向瑞利散射信號(hào)的干涉效應(yīng)可定位振動(dòng)信號(hào)的位置，并通過(guò)建立光纜線路環(huán)境特征參數(shù)數(shù)據(jù)模型和告警監(jiān)測(cè)閾值模型，降低監(jiān)測(cè)告警的虛警率。

分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)采用普通通信光纜中的一根空閑纖芯作傳感單元，進(jìn)行分布式光纖傳感器多點(diǎn)振動(dòng)測(cè)量［6］。其基本原理是當(dāng)外界的振動(dòng)作用于通信光纜時(shí)，引起光纜中纖芯發(fā)生形變，使纖芯長(zhǎng)度和折射率發(fā)生變化，導(dǎo)致光纜中光的相位發(fā)生變化。當(dāng)光在光纜中傳輸時(shí)，由于光子與纖芯晶格發(fā)生作用，不斷向后傳輸瑞利散射光。當(dāng)外界有振動(dòng)發(fā)生時(shí)，背向瑞利散射光的相位隨之發(fā)生變化，這些攜帶外界振動(dòng)信息的信號(hào)光，返回系統(tǒng)主機(jī)后，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)處理，將微弱的相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理后，進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)根據(jù)分析的結(jié)果，判斷入侵事件的發(fā)生，并確認(rèn)入侵地點(diǎn)。圖1為分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical fiber distributed vibration sensing system

該系統(tǒng)的定位精度P與注入光纖的光脈沖寬度ΔT有關(guān)，且有

式（1）中c為真空中的光速，n為傳輸介質(zhì)折射率，試驗(yàn)中系統(tǒng)采用的光脈沖寬度ΔT為250ns，對(duì)應(yīng)理論定位精度25m，實(shí)測(cè)定位精度優(yōu)于30m。

分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)由于采用的Φ－OTDR技術(shù)是基于光時(shí)域反射技術(shù)（OTDR）和光纖干涉技術(shù)發(fā)展而成的先進(jìn)的光纖傳感技術(shù)，它同時(shí)具有光時(shí)域反射技術(shù)定位精度高和光纖干涉技術(shù)靈敏度高的特點(diǎn)，特別適合于通信光纜防破壞監(jiān)測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域。

2 基于分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)的電纜故障定位系統(tǒng)組成

整體系統(tǒng)由高壓電纜放電試驗(yàn)系統(tǒng)、分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)及綜合平臺(tái)軟件組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)通過(guò)分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)監(jiān)測(cè)來(lái)自于高壓電纜上方的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)振動(dòng)信號(hào)來(lái)分析判斷故障點(diǎn)的位置。當(dāng)高壓電纜放電試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)高壓電纜發(fā)出高壓脈沖信號(hào)時(shí)，同時(shí)會(huì)向分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)上升沿或下降沿信號(hào)，以作標(biāo)記信號(hào)。分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)根據(jù)高壓電纜放電試驗(yàn)主機(jī)給的脈沖同步信號(hào)進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的采集，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓電纜的振動(dòng)情況，并將監(jiān)測(cè)到振動(dòng)信號(hào)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。高壓電纜放電試驗(yàn)系統(tǒng)放電結(jié)束后，由綜合平臺(tái)對(duì)分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，并結(jié)合高壓電纜放電試驗(yàn)系統(tǒng)放電脈沖情況，綜合分析對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定位，并在軟件界面是顯示整段監(jiān)測(cè)光纜的波形圖、故障點(diǎn)位置。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中保存測(cè)量的振動(dòng)信號(hào)和放電信號(hào)的歷史數(shù)據(jù)，并繪制成報(bào)表，由用戶選擇查看。

圖2 基于分布式光纖振動(dòng)傳感技術(shù)的電纜故障定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of power cable fault monitoring system based on the optical fiber distributed vibration sensing technology

該系統(tǒng)以高壓電纜故障時(shí)所產(chǎn)生的震動(dòng)為監(jiān)測(cè)對(duì)象，可實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜走廊路面施工振動(dòng)位置的振動(dòng)量，并根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值顯示報(bào)警狀態(tài)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓電纜故障點(diǎn)所產(chǎn)生的震動(dòng)情況，可對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定位，定位誤差不大于±25m；

（2）檢測(cè)到電纜故障時(shí)，在界面上顯示告警提示；

（3）軟件界面可顯示電纜的震動(dòng)波形圖；

（4）能與高壓電纜放電試驗(yàn)系統(tǒng)通訊，接收該系統(tǒng)發(fā)來(lái)的上升沿或下降沿信號(hào)；

（5）各監(jiān)測(cè)值的歷史數(shù)據(jù)記錄展示。

3 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)是否能探測(cè)到電纜的故障信號(hào)并準(zhǔn)確定位故障信號(hào)的位置，搭建了一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)選取110kV電纜300m，在電纜上100m、200m和300m位置分別模擬放電信號(hào)。用該系統(tǒng)來(lái)探測(cè)電纜的放電信號(hào)及其位置。

圖3為系統(tǒng)在電纜上100m處探測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)。從上圖分析得出系統(tǒng)能準(zhǔn)確探測(cè)到電纜故障放電時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，并能準(zhǔn)確定位故障信號(hào)發(fā)生的位置。

圖4為系統(tǒng)在電纜上200m處探測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)。從上圖分析得出系統(tǒng)能準(zhǔn)確探測(cè)到電纜故障放電時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，并能準(zhǔn)確定位故障信號(hào)發(fā)生的位置。

圖3 100m處電纜局部放電振動(dòng)信號(hào)Fig.3 Power cable partial discharge vibration at 100meter

圖4 200m處電纜局部放電振動(dòng)信號(hào)Fig.4 Power cable partial discharge vibration at 200meter

圖5為系統(tǒng)在電纜上300m處探測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)。從上圖分析得出系統(tǒng)能準(zhǔn)確探測(cè)到電纜故障放電時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，并能準(zhǔn)確定位故障信號(hào)發(fā)生的位置。

4 結(jié) 論

研究的基于分布式光纖振動(dòng)傳感原理的電纜故障定位系統(tǒng)可準(zhǔn)確探測(cè)電力電纜故障為，預(yù)防因電力電纜自身老化等原因而發(fā)生故障。制止因蓄意破壞、偷盜等情況造成的輸電中斷，從而保障中高壓電力電纜的傳輸安全和通暢。當(dāng)電力電纜線路發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)預(yù)警，自動(dòng)定位故障發(fā)生位置，及時(shí)通知管理人員對(duì)警情進(jìn)行有效處理，從而提高對(duì)電網(wǎng)供電的可靠性。

圖5 300m處電纜局部放電振動(dòng)信號(hào)Fig.5 Power cable partial discharge vibration at 300meter

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