分布式振动传感技术在电缆通道防外力破坏监测及定位的应用

钱恒健++刘刚+刘国平++谷丰++郑有明

摘 要：近年来，地下电缆在输配电系统中的比重越来越大，但是在使用中时常受到外力破坏，电缆供电安全可靠的优势受到严重影响。因此，保障电缆供电不受外力破坏成为了电力运行部门急需解决的问题。随着分布式光纤传感技术的快速发展，电力部门可采用该技术来实时测量传输线路周围的振动情况，在实现传输线路防外力破坏预警的同时还可定位异常发生地点。

关键词：振动传感技术；监测；定位

中图分类号：TM726 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）18-0166-02

1 电缆通道防外力破坏监测概况

外力破坏是危害电力设施的三大因素之一。违章建筑、违章施工、地质灾害等都能形成外力危害输电线路。

目前国内对于地下电缆的防护措施主要有：（1）在运行中派专人进行正常性巡视、特殊巡视和重点工程巡视；（2）对特殊地点安装警示牌提醒施工人员注意保护电缆；（3）采用埋管、隧道等抗外力强度高的通道形式代替直埋等抗外力强度低的敷设方式。以上措施人力、物力成本高，自动化、智能化程度低，且实际防外力破坏效果不理想。

对于地下电缆隧道等电力管网的防损坏监控，想要通过日常巡线解决外力破坏的问题比较困难。对于随机产生的外力破坏，我们只有加强对线路的实时监测，只有这样才能提升线路的防外力能力。

部分电力部门引入了一些科技手段用于监控传输线路的状态，以确定传输线路是否受损，如漏电电流检测法、电力线载波检测法、点式应变传感器检测法。但上述方法均有明显的局限性：漏电电流检测法只有在传输线路被破坏后才能反映结果，并且停电时无法工作；电力线载波检测法在监测过程中面临着高噪声、阻抗变化大、信号传输损耗大等问题；点式应变传感器检测法可以实时监测输电线路应变状态，当发生外力破坏事件时，输电线路因受拉力会产生应变，拉力通过线路传递到传感器所在位置，使其也产生应变，从而可以判断电缆是否受到外力破坏。然而，点式应变传感器检测法同样存在着不足之处，其无法定位故障点且只能布置在传输线路上一些特殊的位置，监测范围不够全面，且应变检测值与实际值相比有一定偏差，不能完全反映真实情况。

2 分布式光纤振动传感技术

分布式光纤传感技术具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力，非常适合于大型工程监测、长距离线路监控、大范围地域安防等领域，其基本特征为：

（1）分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤；（2）一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被测量的二维和三维分布情况；（3）系统的空间分辨力一般在米的量级，因而对被测量在更窄范围的变化一般只能观测其平均值；（4）系统的测量精度与空间分辨力一般存在相互制约关系；（5）检测信号一般较微弱，因而要求信号处理系统具有较高的信噪比；（6）由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描、相位的跟踪等处理，因而实现一次完整的测量需较长的时间。

分布式光纤传感技术一经出现，就得到了广泛的关注和深入的研究，并且在短短的十几年里得到了飞速的发展.依据信号的性质，该类传感技术可分为4类：

（1）利用后向瑞利散射的传感技术；（2）利用喇曼效应的传感技术；（3）利用布里渊效应的传感技术；（4）利用前向传输模耦合的传感技术。

利用外界信息具有敏感能力和功能的特殊光纤作为传感元件，将“传”和“感”合为一体，传感光纤在外界物理因素（如运动、振动和压力）的作用下，改变光纤中的光纤相位，从而对外界参数进行检测，具体来说是当外界的振动作用于光缆时，引起光缆中纤芯发生形变，使纤芯折射率与長度发生变化，导致光缆中光的相位发生变化。

当光在光缆中传输时，由于光子和纤芯晶格发生作用，不断地向后传输瑞利散射光。当外界存在振动时，背向瑞利散射光的相位变化转换为光强变化，再经光电转换和信号处理之后，进入计算机进行数据分析。

3 分布式光纤振动传感防外力破坏系统

分布式光纤振动传感防外力破坏技术是利用ΦOTDR（optical time domain reflectometer，OTDR）光时域反射计的干涉机理测试外界绕那扰动，外界扰动作用在光缆上面或附近产生的压力（振动）导致光纤中瑞利散射光相位发生变化，由于干涉作用，光相位变化将引起光强度的变化时，通过实时监测不同时刻后向瑞利散射信号的干涉效应可定位振动信号的位置，并通过建立光缆线路环境特征参数数据模型和告警监测阈值模型，降低监测告警的虚警率。

光纤振动传感防外力破坏系统是利用激光、光纤传感和光通信等高科技技术构建的安全报警系统，是一种对威胁公众安全的突发事件进行监控和警报的现代防御体系。该系统主要应用于边界防卫、周界安防警戒、管道防护、通讯和电力通道、电力线缆保护等领域，在军用与民用领域具有广泛的应用前景。

分布式光纤振动传感防外力破坏系统由传感光纤、光纤振动信号测量主机、振动传感监测报警主机和振动传感监测报警软件组成。

分布式光纤振动传感系统采用普通通信光缆中的一根空闲纤芯作传感单元，进行分布式光纤传感器多点振动测量。

当外界有振动作用于传感光缆时，引起光缆中纤芯发生形变，导致纤芯长度和折射率发生变化，导致光缆中光波的相位发生变化。当光在光缆中传输时，会不断产生后向传输光。当外界有振动发生时，后向传输光的相位随之发生变化，这些携带外界振动信息的信号光，反射回系统主机时，经光学系统处理，将微弱的相位变化转换为光强变化，经光电转换和信号处理后，进入计算机进行数据分析。系统根据分析的结果，判断入侵事件的发生，并根据后向传输光的到达时间即可通过光速计算出振动距离，确认入侵地点。

3.1 多种入侵行为识别

分布式光纤振动系统对电缆管道沿线的第三方非法入侵行为，经过模式分析、后台模式识别、准确判定入侵事件。可检测的第三方非法入侵行为包括：人工挖掘、车辆入侵、重型机械挖掘，具有高灵敏度和多种识别模式。如图1，图2，图3所示。

3.2 重大事故事前预防

基于统一的振动事件行为模式识别库，智能区分不同外力行为事件产生的振动信号特征，在电力通道可能遭受外力破坏造成严重后果之前，系统即可给出预警、报警信号，较之事故发现之后的故障报警，通常具有4个小时之提前量，管理人员通过事件复核，完全可以在事故萌芽之初将问题消解，避免重大经济责任事故和社会不良影响。

4 结语

分布式光纤振动防外力破坏系统，是近几年来新发展出来的一种具有广泛应用前景的新型技术应用系统。通过在电缆通道建设项目中，实施应用该技术，对于地下输电线路的长距离传输进行定位实时安全监控，对可能造成输电线路破坏的外部威胁进行提前预警，以便及时制止破坏、强化防范，或准确奔赴意外现场，采取补救措施，可从根本上防止电缆通道因外界破坏造成重大经济损失，杜绝环境污染，避免社会危害。分布式光纤振动防外力破坏系统的应用，充分发挥其设计先进、高效、准确的特点，解决了传统电缆通道靠人工巡检难以实现即时、全面的电缆通道安全保障问题，为优化设计方案，提高设计质量起到积极有效的作用。endprint