基于光缆可视化系统的光缆运行状态感知技术

倪苏洋，蒋思珺，葛振宇

国网江苏省电力有限公司南通市通州区供电分公司，江苏南通，226000

0 引言

基于现阶段我国社会经济的高速发展，对电力资源需求逐渐增大，为提升电力输送效率，在高压输电线路日益侧重采用光缆，用于实现电力传输和信息通信。但综合考虑线路所处的环境，对其运行状态会产生诸多影响。为此，相关电力公司应当注重对光缆的运行状态实施良好感知和检测。结合现代科学技术的发展以及智慧电力的创新趋势，应当合理运用光缆可视化系统，合理选择光缆运行状态感知技术，以此实现全面监测，保证光缆线路能够安全、可靠运行，充分实现电力传输和信息通信等功能，推动电力行业持续进步。

1 光缆可视化系统

1.1 前端感应监测装置

在当前光缆可视化系统中，前端感应监测装置是一项重要组成部分，其主要是通过感知层进行传感器采集数据，再利用传输层将数据传输到系统后台，能够合理判断光缆的运行状况。比如利用距离传感器借助超声波信号发送和接收时刻的时间差与信号在介质中的传播速度等，实现距离测量，在道路、河流、铁路、下架空光缆线路上有效监测其运行状态，起到预防事故的良好作用[1]。

1.2 后台展示控制系统

当前端感应监测装置采集到数据后，可传输到后台展示控制系统进行分析和处理，并实现可视化功能。系统管理员可对全部数据进行添加、删除、修改、查询等功能，并利用图形显示温度、湿度等数据，保障其更具有直观性。通常情况下，后台展示控制系统的组成包括数据通信模块、数据处理服务器、客户端以及综合分析软件等，统一接收前端感应监测装置的数据，并实施大数据分析，集中进行可视化展示，同时具有查询历史统计数据、生成报表、辅助决策等智慧化功能，便于开展光缆资源管理。

1.3 监测结果与分析

光缆可视化系统能够根据监测结果进行分析，实现光缆运行状态的综合监测。其主要是将前端监测装置固定安装在杆塔之间光缆的弧垂处，使其与地面保持垂直，有利于对光缆的对地距离、温湿度、倾斜等运行状态进行实时的智能化监测、预警与分析决策，并在后台显示器中直观展示光缆运行状态，有利于管理人员掌握光缆运行效果，避免发生故障问题，确保电力光缆运行具有稳定性和安全性。

2 光缆运行状态监测方法

2.1 点式静态参数监测

随着当前在电力输电线路中对光缆线路的使用越来越频繁，为保障其运行状态良好，采用相应的光缆可视化系统实施监测。在实践过程中，利用状态感知技术主要是对光缆线路采取点式静态参数监测方法，即是在前端监测装置中利用光纤光栅传感器。通过对各类参数进行整合，借助特殊的精密转化结构监测反射波长，能够有效获取温度和光纤广深应变变化情况，并且通过不同传感器来改变倾角状态与反算拉力参数。比如当电力光缆线路出现覆冰状态时，以往的监测传感器在采集数据的过程中，存在易饱和与动态范围狭小的现象，无法准确监测光缆运行状态。而利用点式静态参数监测方法，则能够在架空光缆覆冰量增加的情况下自动开展监测，通过利用惯性传感器精准收集相应的数据信息。通过真实场景模拟输电线路覆冰检测实验，可对熟悉电线路从最初的无覆冰到覆冰状态最后到熔化全程进行监测，通过试验结果分析，点式光纤维覆冰检测的误差均处于2mm以下，充分展现出点式光纤维传感器在覆冰电力光缆线路监测中的作用，准确度较高[2]。

另外一方面，点式静态参数监测能够对光缆线路实施绝缘子污秽监测，其一般是基于污秽对光传输路径折射率改变完成传感。在光缆可视化系统的支持下，利用光强污秽检测传感器可有效监测线路运行状态，比如对其传感元件选择为石英玻璃，当有污秽物质散落到石英玻璃中，就会导致石英玻璃的折射率发生改变，影响光在石英玻璃上的传输强度，借助反推污秽方法能够获取现场光缆线路情况。当绝缘子光纤光栅监测方法应用在实践中时，能够对光缆线路运行状态监测发挥良好效果，比如在我国10kV输电线路中，对光缆线路进行绝缘子表面检测，通过黏附温度补偿光纤和应力光纤，再利用不同浓度的硝酸开展绝缘子腐蚀度测试，能够获得复合绝缘子脆断、起裂以及严重裂缝等监测阈值，有利于为光缆线路运行提供高效的运行状态监测和故障预警功能。

2.2 分布式温度和结构静态的参数监测

利用光缆可视化系统时，对光缆运行状态实施监测，可利用分布式传感器，其可达到长距离的无缘监测，有效应对复杂环境下的电力光缆线路运行状态检测，并具备较强的抗干扰能力和容忍度，对线路健康监测应用效果较好。尤其在当前新时代下，我国在电力光缆线路中，主要采用光纤复合架空线路、复合相线等，为保障线路运行具有可靠性，应当加强对各项运行参数的监测，借助可视化优势实现光纤资源的科学管理。在实践环节中，将分布式传感器设置在系统前端监测结构中，利用富余的光纤作为传感光纤，有利于减少监测设备的投入成本，在我国光缆线路铺设规模日益扩大的形势下，分布式传感器监测方法具有较好的适应性。同时分布式光纤传感器具有全线监测功能，保证前端数据采集的完整性，基于后台可视化系统辅助管理决策。另外，现阶段在光缆线路运行状态感知监测中，对传感器的动态监测精度要求持续提高，利用分布式传感器进行数据采集，经过系统处理后，可视化分辨率不超过100m，有利于精准定位光缆线路[3]。在实际的电力光缆线路运行状态检测中，利用分布式结构进行参数检测，主要原理是利用布里渊散射信号完成通信光纤应变和温度的参数测量，了解输电线路的温度状态、覆冰状态以及弧垂状态，从而及时做出动态增容或融冰处理手段。

2.3 输电线路舞动状态检测

由于电力架空光缆在运行过程中可能出现舞动状态，很容易引发线路短路和电力跳闸等风险，甚至会造成电力杆塔螺栓松动、强度下降或自损坏等现象，严重的还会出现倒塌事故。为此应当利用可视化系统加强对线路的运行状态监测，尽可能避免出现各种不良事故。不过与线路覆冰状态监测相比，舞动状态的频率参数相对较高，在检测过程中也能够得到良好的响应，因此在监测过程中，光纤传感器的频率不小于3Hz即可。在实践中为更好的实现光缆运行状态感知，主要是利用FBG拉力传感器，以此完成线路舞动状态检测，其相比于以往的传感器检测具有良好的动态频率相应效果。在操作环节，相关人员可将FBG应变传感器设置在监测线路杆塔上，感知架空线路杆塔的应力改变来完成线路舞动情况监测。这种监测方式的主要特点在于可以直观地掌握线路舞动情况，但尽可能进行准分布式测量，无法大范围地获取电力线路舞动情况。为了有效监测远距离电力架空光缆线路的分布式舞动状态，可引入敏感时域反射技术，通过处理算法对架空线路舞动情况进行检测，但是在实际应用中由于偏振状态影响因素较多，在远距离的架空线路传输时，也容易受到外部因素带来的干扰，降低线路的可靠性，在未来发展阶段中，仍需进一步开展研究，解决当前存在的不足和缺陷[4]。

3 基于光缆可视化系统的电力光缆运行状态感知技术应用

3.1 环境温度监测

利用光缆可视化系统进行光缆运行状态感知技术应用，主要是利用光纤分布式传感器进行温度监测，其原理主要是通过拉曼光时域反射和布里渊时域反射原理，能够完成电力光缆线路温度监测任务，通过在线状态监测可有效进行运行状态管理，有利于取得良好应用效果。例如在陆地光缆线路的运行状态监测中，可通过在线路表面敷设光纤，并且将其置于金属保护套内，通过光纤测温结果来推算出线路温度状态。而高压输电线路中对光缆的温度监测，主要是利用BOTDR技术，通过1kV三项光纤复合配电来和光纤通信分布式温度进行测量，传感器的距离达到1km，被测电缆的长度也要求满足100m距离要求，监测电缆线路和光纤温差0.018℃。如果线路电压等级较高，则光纤和导体温度也会相应增大，在温度的推导过程中也存在一定难度，通过运用分布式传感器能够直接对导体温度实时测量，即是将温度传感器植入高压输电线路的导体内部，直接测量导体温度，并传输到后台进行可视化现实，进一步提高光缆运行状态监测的可靠性。再比如对于海底光缆线路的温度监测，应当综合考虑其铺设特点，如线路较长、环境较为特殊等，所以其内部集成的光纤一般采用单模光纤，在进行海底光缆温度监测时，运用光缆运行状态感知技术，需要发挥出光纤较大的散射强度，例如利用BOTDE技术对海底线路的应变和温度开展同步检测，设置分布式监测系统，分别对布里渊频移和功率进行测量，完成应变和温度分离，并直观显示在后台控制系统，为相应管理人员提供监测数据，有效开展维护及管理工作[5]。

3.2 入侵以及破坏监测

近年来，光缆在高压输电线路中得到较为广泛的应用，在其运行过程中很容易遭受外部入侵或破坏，对线路的运行安全造成严重的影响。为保障光缆发挥正常功能和作用，应当积极运用光缆运行状态感知监测技术，基于可视化系统进行有效的安全管控。通常情况下，可设置光缆线路破坏监测系统，其主要是利用-OTDR技术来完成线路振动信号的监测。由于线路外部入侵造成的光缆振动频率一般都会达到100Hz～1000Hz左右，因此通过高压入侵和输电线路破坏监测传感技术，保证振动频率监测处于该频率范围内。在实践应用过程中，将-OTDR技术运用到海底电缆的机械扰动监测中，能够通过对光纤复合输电线路与58.6m光纤有效衔接，完成水下传感性能和声学特性模拟，可以满足20m的1.7kHz信号精确定位，表示常规光缆监测振动信号具有良好的可行性，即是利用-OTDR技术在海底输电线路振动监测过程中，运用光缆运行状态感知监测技术对线路拖曳以及船只落锚造成的损伤现象进行模拟，可以准确评估线路振动参数，并且在后台控制系统中完成初步故障判断[6]。同时，也可利用内嵌式光纤技术进行海底光缆线路振动监测，有利于借助可视化系统呈现线路的动态应变情况。这是由于内嵌光纤监测系统能够进行所有光缆位置的应变程度进行量化，并满足10km的高分辨率识别效果。利用该系统进行测量时能够充分突出光缆的张力特点，监测船只抛锚等状态，确定海底光缆线路的损害情况。除此之外，在光缆运行状态感知监测中，通过分布式光纤传感器的全面运用，借助传感器中的瑞利散射信号改变能够准确评估输电线路振动情况，采集真实的监测数据，在直观化显示下有效处理各项故障问题。现阶段，分布式声波传感技术的出现，也逐步为振动传感技术提供新的支持，其是基于-OTDR技术衍生出来的，在DVS基础上完成散射相位调节，通过线路定位振动完成波形还原，为光缆线路的破坏定位与识别提供可靠支持。

3.3 局放监测

在高压输电线路的长期运行下，容易存在局部绝缘故障问题，从而造成该部位放电事故，对光缆运行状态产生严重影响。为此，在实施监测过程中，可结合光纤穿管技术与可视化系统，有效开展局放监测。在具体实施环节，主要是采用分布式传感监测和点式传感监测技术。一般情况下，将局放信号作为传感参量，测量赫兹处于超声频段。应用点式光纤传感技术时，通常利用光纤光栅传感器以及干涉式传感器完成线路局放监测。比如在光纤光栅传感工作中，可采用聚氨酯树脂材料对传感器进行密封，沿着局放信号和试验品内部方向进行监测，在聚氨酯树脂材料的作用下，可以充分发挥延伸特性，使传感器谐振频率减小。另外，可采用聚苯硫脒材料对FBG传感器进行密封，可以获取XLPE内300PC的线路局放信息。而在干涉式传感器的应用中，强调利用长尾光纤直线干涉仪器进行高压输电线路定位系统和放电监测，采取光纤传感臂和高压电能转换器来模拟超声波放电信号，能够获取6kHz的声信号，进而获取光缆的运行状态信息。此外，通过构建Michelson干涉仪的光纤超声传感系统，可以实现传统单模光纤的超声传感效果，对局部放电检测起到良好的模拟效果。分布式传感器在输电线路局放监测中，主要可以利用COTDE技术相干光时域反射对输电线路接头进行监测。传感器接头采用光纤声学传感技术，虽然分布式传感系统在测量过程中受到结构限制，但是利用随机正交解调技术可以有效调节出局放信号，达到良好的监测效果。

4 结语

综上所述，随着我国电力事业的不断发展，对电力光缆运行安全提出了较高的要求，为了保障线路稳定运行，必须积极发挥可视化系统的应用优势，合理运用光缆运行状态感知监测技术，针对不同环境下的光缆线路开展高效、直观的监测，获取准确的监测数据，辅助相关人员对线路实施管理，最大限度地避免发生故障问题。因此，在实践中可针对高压输电线路、架空线路、海底线路中的光缆进行实时监测，利用可视化系统与状态感知技术，针对绝缘缺陷、外部入侵或破坏、局放问题等实施全面监测，促使光缆线路稳定运行，进一步提升电力发展质量，推动现代电力事业的健康发展。