智慧電纜安全預(yù)警系統(tǒng)探討
——以智慧電纜為基礎(chǔ)載體的基于光纖傳感技術(shù)的電氣安全預(yù)警平臺

楊艷晶， 趙 天， 李超權(quán)

(1. 中關(guān)村科技園區(qū)海淀園創(chuàng)業(yè)服務(wù)中心，北京100085；2.戎微(北京)技術(shù)有限公司，北京100085)

[摘要] 電能是人類城市經(jīng)濟(jì)繁榮最基本驅(qū)動資源，之于城市發(fā)展的作用逐漸由“數(shù)量保障”向“質(zhì)量提升”過渡。 首次建立基于光纖感技術(shù)的以智慧電纜運維為基礎(chǔ)載體的電氣安全預(yù)警系統(tǒng)，對電氣安全關(guān)鍵參數(shù)的動態(tài)早期預(yù)警及故障準(zhǔn)確定位，實現(xiàn)了以較小的投入，最大地提高電能運輸保障效率和安全預(yù)警效能、電氣安全運維精準(zhǔn)化保障。

[關(guān)鍵詞] 光纖光柵；定位；布里淵散射；喇曼散射；光時域反射；管理平臺

中圖分類號:TU852文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1729-1275(2021)03-0077-04

0 引言

近年來，隨著能源驅(qū)動型城市的電力負(fù)荷逐年攀升，城市電力電纜設(shè)備與規(guī)模與日俱增，要求電纜保障運維手段與之相適應(yīng)。 利用新一代光纖傳感技術(shù)與傳統(tǒng)電纜相結(jié)合，提高電纜運維的信息化水平，實現(xiàn)整個電能傳輸途中的動態(tài)可測試性；研制嵌入式智能故障診斷與預(yù)測設(shè)備，提高電纜運維的準(zhǔn)確性、可靠性和實效性。 發(fā)展信息化智慧預(yù)警電纜在城市電能網(wǎng)體系中占有比例，是提高一個城市電能源安全供給的有效手段。

遍布城市各個角落電纜出現(xiàn)故障的情況比較復(fù)雜，城市動土工程的外力破壞及電纜設(shè)施丟失、長時間電纜運行導(dǎo)致的電纜本體或附件故障。 傳統(tǒng)的電纜事故定位一般采用脈沖回波法、電橋法、脈沖電壓法等，傳統(tǒng)保障維修手段尚存在故障點位置及故障情況無法有效直觀快速分析獲取，很難在最佳時間對電氣事故進(jìn)行防護(hù)和修復(fù)，無法做到提前發(fā)現(xiàn)潛在的故障，提高電纜設(shè)施的完好性。

智慧電纜預(yù)警系統(tǒng)以電纜為載體，集傳輸電能與光纖傳感功能一體，與線纜延伸敷設(shè)的數(shù)十公里光纖同時傳輸和感知成千上萬個監(jiān)測部位的信息。具有分布式、遠(yuǎn)距離、本安型耐腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)點。 智慧電纜線路及電氣設(shè)施運維缺陷(如電纜接頭、終端發(fā)熱，電纜過熱、開路(斷線)、絕緣擊穿、絕緣降低(特性阻抗)故障，電纜局部放電閃絡(luò)故障、外力拉斷、積水、溫升率、應(yīng)變、微震、有毒氣體、電氣井蓋打開)均可以通過基于光纖傳感技術(shù)以智慧電纜為載體的電氣安全預(yù)警系統(tǒng)的動態(tài)實時參數(shù)與初始參數(shù)的比較和變化趨勢進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，完成電氣安全運維事故預(yù)測、預(yù)知電氣設(shè)施投運后可能出現(xiàn)的隱患與故障，做到區(qū)域電氣安全運維風(fēng)險事前的動態(tài)實時管控的預(yù)防全覆蓋。

1 智慧電纜預(yù)警系統(tǒng)分類

1.1 總體分類

智慧電纜預(yù)警系統(tǒng)一般由智慧電纜、預(yù)警主機(jī)、預(yù)警系統(tǒng)管理平臺組成。 系統(tǒng)分類有按光纖傳感與電纜裝配分類和按采用光纖傳感技術(shù)分類二種方式。

1.2 按復(fù)合裝配方式分類

(1)內(nèi)置式:光纖在電纜生產(chǎn)過程中將光纖置于電纜結(jié)構(gòu)層中。

(2)外置式:光纖傳感器沿電纜線路按一定方式固定在電纜外護(hù)套或接頭表面并組網(wǎng)。

1.3 按光纖傳感技術(shù)分類

(1)基于布拉格光纖光柵傳感技術(shù)的智慧電纜。

(2)基于喇曼(Raman)散射分布式光纖傳感技術(shù)的智慧電纜。

(3)基于受激布里淵散射分布式光纖傳感技術(shù)的智慧電纜。

2 智慧電纜預(yù)警系統(tǒng)原理

2.1 基于布拉格光纖光柵傳感器的智慧電纜

預(yù)警主機(jī)(激光源)發(fā)射出固定波長的傳輸激光源進(jìn)入分布在10km 范圍內(nèi)不超過12 個布拉格光纖光柵傳感器中，光柵的中心波長λ1～12 會隨著光纖周圍溫度、振動的變化而發(fā)生很大的變化引起中心波長的漂移，經(jīng)解調(diào)可得到對應(yīng)的溫度特性、振動特性曲線，測試框圖如圖1 所示。 特別適用于電力井蓋、隧道巡視如井蓋是否打開，隧道內(nèi)是否積水或有異常情況發(fā)生；隧道內(nèi)溫度是否正常，臨近熱力、燃?xì)?、油氣管線泄漏沉降等危險；電纜外護(hù)套、中間接頭、戶外終端頭溫度有無異常等實時監(jiān)測。

圖1 基于布拉格光纖光柵傳感器的智慧電纜測試框圖

2.2 基于喇曼(Raman)散射分布式光纖傳感器的智慧電纜

圖2 喇曼(Raman)散射分布式光纖傳感的智慧電纜測試框圖

實現(xiàn)整個電纜(10km)沿線的連續(xù)溫度進(jìn)行監(jiān)測的智慧電纜是基于光纖受激喇曼散射與光纖的反斯托克斯喇曼散射與被測溫度相關(guān)聯(lián)的原理，用光時域反射技術(shù)進(jìn)行定位；如圖2 示入射激光脈沖與電纜內(nèi)置光纖分子相互作用，發(fā)生散射。 從傳感光纜內(nèi)任何一點的斯托克斯光(Stokes)與反斯托克斯光信號強度的比例中，可以對應(yīng)該點的溫度。 基于光時域反射技術(shù)(Otod)原理利用入射光與返向光之間的時間差對每個溫度采集點到入射端的距離及光纖異常溫度點的距離定位。 特別適用長距離、測點連續(xù)的應(yīng)用場所如地鐵、鐵路交通、隧道及國防工程。 實施中內(nèi)置式智慧電纜更直接反映電纜導(dǎo)體溫度，外置式適用發(fā)電廠、變電站的電纜夾層、電纜溝道、大型電纜隧道的溫度場變化過程，可以及時發(fā)現(xiàn)事故隱患并預(yù)警，進(jìn)而避免發(fā)生事故或引起火災(zāi)。

2.3 基于受激布里淵散射分布式光纖傳感技術(shù)的智慧電纜

受激布里淵散射分布式光纖溫度、應(yīng)變傳感器通過光纖的背向布里淵頻移及強度隨溫度和應(yīng)變的變化關(guān)系，以及光時域(OTDR)原理技術(shù)進(jìn)行溫度和應(yīng)變信息的同時檢測及精準(zhǔn)定位，光導(dǎo)纖維既作為傳輸介質(zhì)，同時也作傳感介質(zhì)，利用光纖中的光傳輸原理同時獲取沿光纖(100km)分布的溫度、應(yīng)變信息，測試框圖如圖3 所示。

圖3 受激布里淵散射分布式的智慧電纜測試框圖

當(dāng)電纜出現(xiàn)故障趨勢時，電纜上某點的溫度和應(yīng)力變化數(shù)據(jù)同時采集有著明顯的優(yōu)勢，特別適合如海洋、化工、核電等超越人類生理極限的極端環(huán)境領(lǐng)域的關(guān)鍵電纜應(yīng)用。

3 智慧電纜預(yù)警系統(tǒng)的配置

智慧電纜預(yù)警系統(tǒng)由預(yù)警系統(tǒng)管理平臺、預(yù)警主機(jī)和內(nèi)置/外置光波導(dǎo)的的智慧電纜組成，智慧電纜預(yù)警系統(tǒng)的配置圖詳見圖4。

圖4 以智慧電纜運維為基礎(chǔ)載體的基于光纖傳感技術(shù)的電氣安全預(yù)警平臺配置圖

3.1 系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

智慧電纜預(yù)警系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)詳見表1。

表1 系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

續(xù)表1

3.2 智慧電纜的配置參數(shù)

智慧電纜的配置參數(shù)詳見表2。

表2 智慧電纜的技術(shù)參數(shù)

4 全光纖智慧電纜安全預(yù)警系統(tǒng)工程應(yīng)用

圖5 為某工程全光纖智慧電纜安全預(yù)警系統(tǒng)圖。

圖5 某工程全光纖智慧電纜安全預(yù)警系統(tǒng)圖

4.1 配置說明

(1)基于全光纖傳感技術(shù)的智慧電纜預(yù)警系統(tǒng)電氣安全綜合參數(shù)監(jiān)控方案，由智慧電纜、光纖傳感器、預(yù)警主機(jī)、預(yù)警系統(tǒng)管理平臺組成。

(2)外置式光纖傳感器:光纖光柵傳感器Gλ、激光氣體傳感器Gn 組成，與傳輸光纜熔接后用光纖接續(xù)盒防護(hù)，每芯光纖接續(xù)均用光纖跳線熔接，通過光纖法蘭連接。

(3)光纖光柵傳感器G:溫度、局放、液位、風(fēng)速、濕度、微震等，適用高壓器件安全及供電橋架、隧道、纜溝及環(huán)境安全參數(shù)監(jiān)測。

(4)激光氣體傳感器Gn:甲烷、CO 等有毒或易燃?xì)怏w。

(5)內(nèi)置/外置式分布式光纖傳感器用于溫度動態(tài)測量、應(yīng)變動態(tài)測量、應(yīng)變合并動態(tài)測量。

4.2 智慧電纜工程敷設(shè)

安裝敷設(shè)工程應(yīng)用案例如圖6 所示。

圖6 安裝敷設(shè)示意圖

5 結(jié)束語

通過采用以智慧電纜運維為基礎(chǔ)載體的基于光纖傳感技術(shù)的電氣安全綜合預(yù)警平臺，在線監(jiān)測電纜運行狀態(tài)及電氣設(shè)施關(guān)鍵參數(shù)，實時掌控，使保障維修模式從定期開展的預(yù)防性維修轉(zhuǎn)向按需開展的預(yù)測性維修。 不僅能提前發(fā)現(xiàn)潛在的故障，提高設(shè)施設(shè)備的完好性，還節(jié)省了維修時間，降低了維修費用，確保了供電系統(tǒng)的安全性和可靠性。電氣安全預(yù)警系統(tǒng)主要用于國防、市政管廊、機(jī)場、地鐵、數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、金融領(lǐng)域等重要工程。