基于光纤传感技术的输电线路在线监测技术

曾繁祎，陈太艺，周 川

(海南电网有限责任公司三亚供电局，海南 三亚 572000)

随着分布式光传感技术的发展，光纤单一化的通信功能得到了改变[1-2]。综合应用光纤中的散射光信息，不仅可以获得光纤自身的扰动、衰耗指数、温度与故障定位等多种参数，同时，还可以监测到风害、导线覆冰、地线温度、雷击、杆塔倾斜以及地质灾害等状况，从而提升光纤在监测方面的应用广度[3-5]。

当前，电力系统中光缆的种类较多，包含了全介质自承式光缆(ADSS)、光纤复合架空地线(OPGW)、管道光缆以及光纤复合相线(OPPC)等，光纤在监测领域中的优势比较明显。灵活采用以光纤为基础的监控方式，可及时发现并排除事故隐患，从而保证设备运行状态的可控，提升整个输电网络的可靠性。本文总结目前存在的各种光纤传感技术，在此基础上对输电线路在线监测技术进行研究。

1 输电线路故障类型

1.1 输电线路设计问题

电网系统中部分需要较远距离的电力输送，需要采用距离较长的输电线路，这种类型的输电线路通常容易受到多种因素的影响，导致电力能源输送不及时。

为此，高压电力系统输电是极为重要的环节，高压电力系统输电线路会架设到离城市距离比较远的地方，比如野外或者郊区，这样会规避城市水文地质与建筑物对其产生的影响，再结合科学布线原则，可以显著提升线路的科学性、合理性，确保输电线路的整体稳定。电力系统基站中设置的光纤解调仪可以处理传感器获取的信号，通过分析信号，绘制图像，最终表现出更加直观的状态，可以为技术人员提供参考。采用光纤传感技术可以有效防止传统传感技术无法大量传输信号的弊端。

1.2 恶劣天气造成的故障

恶劣天气会造成高压电力输电线路产生故障，比如雷雨天气由于潮湿短路而形成的故障，或者是其他相对严重自然灾害所产生的问题。为了安全，输电线路通常会架设到人烟稀少的地方，这些地方通常环境比较恶劣，需要充分考虑天气和环境对输电线路所产生的影响。气温过低时如果有降雨或者是浓雾，输电线路上便会产生覆冰。在现有输电线路故障中，最为常见的故障就是由覆冰导致的。

光纤传感技术是采用特定方法在输电线路电缆中添加光纤单元，将输电线路拉伸程度转换为传感器信号，并最终将信息传送到数据中心，这样就能够对输电线路的变化情况进行分析，从而实现对线路的有效监测。

因为天气原因造成的输电线路故障，就会对用电用户产生影响，甚至会导致严重的经济损失，因此需要尤其注重电力输电线路自身的抵抗性。

1.3 人为原因造成的故障

输电线路稳定与否还和社会群体有着较大的关联，人为因素也是近年来造成电力输电故障的重要影响因素。

从近期的新闻报道中可以发现，很多输电线路都遭到了盗抢和损害，部分人为了攫取利益盗窃国家电力设施，造成高压电力设施产生问题，甚至造成了一些地区电力突然中断，产生经济损失。

2 光纤传感技术在输电线路在线监测中的应用

2.1 输电线路监测需求

伴随着本地网络规模以及长途传输的持续扩大，为了充分满足通信的基本要求，提升光缆的使用效率，消除维护力短缺的问题，需要对光缆网的实际运行状态进行实时监控，及时地发现问题，并确保光缆的正常运转。在光缆产生劣化或者是断纤的时候，可以准确定位、快速响应、缩短查找排除障碍耗费的时间。与此同时，大量和光缆管理、维护有关的割接、施工以及维护等资料信息，也需要使用电子化手段完成记录、处理与查询。

在此背景下，需要准确地确定光纤的断纤、衰耗、光缆故障、光缆质量等相关信息。在气候相对复杂、地形多变的区域，还需要监测光缆的扰动与覆冰等数据，以此规避光缆风灾与冰灾的产生。对光缆的监测需求以及监测内容如表1所示。

表1 光缆的监测需求以及监测内容

传统光缆仅仅能够监测断点与衰耗等指标，并且容易受到强电磁环境的干扰，难以实现精准化的监测。现在使用分布式光传感技术能够通过对光纤中光波信号的振幅、波长、相位频移以及偏振态等特征量的变化，获得光缆的拉力、弯折以及扰动等数据，从而提前预判光缆发生故障的可能性，降低光缆的运维成本。

2.2 输电线路在线监测系统的功能

电力网络系统中，无线通信是使用最为广泛的在线监测技术，通过无线接入技术能够在现在网络架构下，完成输电线路的有效组网。然而，这种方式的保密效果相对较差，传播的速度比较慢，公网维护相对困难。输电线路在线监测系统需要完成的功能主要是使用光纤传感器监测线路的覆冰厚度、质量、舞动位移和加速度、杆塔倾斜角等内容。其原理是利用光纤传感器得到需要的物理量，然后利用光纤解调仪对光纤信号进行解调，并将数据传输到系统中，系统通过算法获得所需要的信息，通过相关的表盘将应变与温度等内容显示出来，并且最终将数据传入到数据库中，便于后续使用。

因此，可以将自乘式光缆、光线复合架空地线和光纤复合架空相线的安全性、传播速度快以及无源器件等优势融合在一起，从而在线监测输电线路的舞动、覆冰与振动，突破传统无线通信方式的束缚。输电线路的在线监测主要是光栅传感器使用光刻把光纤的纤芯实施折射率调制，使其产生周期性变动，并最终产生光纤传感器。布拉格光栅传感器可以反射规定波长的光波，反射出的波长满足布拉格定律：

λB=2neffΛ

(1)

式中neff——等效折射率；Λ——光栅常数。

假如光栅传感器受到了温度和应变的影响，会因为热效应、应变效应和弹光效应使得neff与Λ产生差异化变化。与此同时，反射波长也会产生变化。因此，测量出光栅传感器反射波长就能够测算出应变与温度的数值。除此之外，光栅传感器具有占地小、质量轻、耐腐蚀、抗干扰能力强以及易组网等优势，对应变、温度等电网参数监测的使用比较广泛。

3 基于光纤传感技术的输电线路在线监测技术

3.1 分布式光纤传感技术

当前分布式光纤传感技术主要依托相干光传感接收和处理的模式，从而获取较高的灵敏度以及更长的测量距离。分布式光纤传感技术采用相干检测获取传感光学信号参量，这些参量包含了波长、强度、偏振态、频率、相位等。分布式光纤传感技术的原理为背向散射原理，以此测量光纤衰减系数。通过向光纤中发送光脉冲，与此同时在同步时钟影响下通过探测光脉冲背向瑞利散射信号功率变化判定光纤沿线的弯曲、连接头、熔接点以及断裂处等事件，并且记录探测光信号往返的时间，最终识别与定位光纤沿线的各个故障点。

输电线路监测中，布里渊传感器的使用比较广泛，其优势在于远距离监测，有着较高的空间分辨率。随着传感装置的不断改进，目前空间分辨率已经提升到了厘米级，精确度相对较高，并且该传感器可以同时监控应力与温度。尽管精准度相对较高，可是因为这项技术成本较高，技术也不够成熟，普及度较低。

目前，人们更多是将布里渊传感器用于海底光缆的监测。在输电线路的监测中主要使用光时域反射仪(OTDR)技术，因为海底电缆容易受到捕鱼船、船舶抛锚等的影响，电缆经常会产生故障，通常情况下很难确定故障的精确位置。采用布里渊传感器可以实现对故障地区的精确定位，有助于后续工作的开展，极大提升了工作质量与工作效率。基于布里渊传感器技术设计而成的布里渊光时域分析仪，在确保其精确定位的基础上拓展了传播距离，传播距离能够达到100 km，空间定位也获得了极大的提升。

拉曼传感器也是应用较为广泛的电力电缆监测装置，优势在于可以实现全面的监测，利用该传感技术可以全方位地监测整个电力电缆系统，分辨率相对较高。目前拉曼传感器已经被广泛用于地下、高压和海底电缆监测中，可是在实际使用过程中会受到距离的束缚，无法进行远距离监测。根据实际情况，选择最优化的传感设备，便于最大化地发挥传感设备的价值，实现精准化监测，有效地节约物力、人力与财力。

从整体上看，伴随着科技的发展，分布式光纤传感技术获得了极大的改善，并且广泛地应用在通电线路的监测中。按照通电线路实际需求，选择合理化的传感技术，便于最大化地发挥传感技术价值，不断地优化电缆监测工作，提升监测的水平，推动电力系统的稳定运转。分布式光纤传感装置光路架构如图1所示。

图1 分布式光纤传感装置光路架构

尽管分布式光纤传感技术有维护简单、监测范围大和抗干扰能力强等方面的优势，可是可监测物理量相对有限，同时多参量交叉耦合，故障检测准确率有待提升，但依然有较大的潜力可供挖掘。

结合人工智能技术、多元数据融合技术，拓展光传感信号特征库，能够提高监测的准确性与全面性。

(1)多维数据融合技术。输电线路关联数据包含了接入数据和现有数据两种类型。接入数据包含了各种形式的分布式光纤传感数据、人工巡检数据以及在线监测数据。现有数据则包含了地理信息、生产管理系统、运行经验、能量管理系统、历史故障信息等相关数据，两种数据的获取途径多种多样，因此需要开发多维度数据接口程序，构建通信规约，以此无缝接入多维度数据，构建输电线路的多源异构数据库。

(2)人工智能算法修正技术。人工神经网络的构建，使用分布式光纤传感系统进行数据监控，能够实现网络结构的不断更新，修正故障类型判定算法以及定位算法等。比如，在振动监测的时候，需要调解采集的振动信号，然后利用小波变换算法将信息特征提取出来，使用主成分分析法有效降低特征量维度，然后采用神经网络提升各种振动事件判断的准确率。人工神经网络与多源异构数据融合技术的结合，能够完善各种故障判定算法模型，提高故障定位准确性和各种故障类型判断的准确率，在运行的过程中不断地更新各个特征判断值权重，建设输电线路智能故障诊断平台。

3.2 光纤光栅传感技术

光纤光栅传感技术是将光信号作为主要形式进行传播，该技术不受电磁干扰，有着较强的抗干扰能力。光纤光栅传感器能够实现体积的最小化，并且可以在无损的情况下对轨道交通结构进行合理布设。使用波长编码的方式，能够实现准分布式实时监测。光纤光栅传感技术还具有可靠性高、精度高等方面的优势，能够进行应变、应力、加速度、位移以及温度等多种参量的监控。光纤光栅传感技术的反射波长对于应变、温度等外界环境有着较高的敏感度，可以通过高分辨率对很多物理参数进行测量。通过飞秒激光等技术，能够实现大批量、低成本地生产光纤光栅传感器。

通过激光扫描技术能够实现对相关信息的高精度监测。光纤光栅传感系统包含了两个主要部分，分别是光纤布拉格光栅(FBG)传感器与光谱解调仪。FBG为点式传感器，为了能够检测大型被测物体受外界场的影响，通常在被测物体内部铺设多个FBG，这些传感器同时测量各测量点外界场，能够完成准分布式传感。在输电线路上连接多个波长不同的FBG，使用光开关切换光路，就能够实现复用，组成多路FBG阵列。复用与级联都可以拓展传感覆盖范围。

光源发出的光通过耦合器射入到FBG时，光栅将反射其中以布拉格波长为中心波长的窄谱分量：

λB=2neffΛ

(2)

式中λB——布拉格波长；neff——光纤纤芯有效折射率；Λ——光纤光栅周期。

应变以及应力造成的光纤拉伸与压缩会造成光栅周期Λ产生变化，弹光效应也会导致有效折射率neff随着应力的改变而改变。温度改变的时候热膨胀则会导致Λ发生改变，热敏效应也会使得neff伴随着温度的变化而变化，最终造成λB的变化。当前，各种形式的光纤光栅传感技术都能够通过被测信号直接或者间接地改变λB，通过监测λB就能够完成对被测信号的实时监测。光纤布拉格光栅如图2所示。

图2 光纤布拉格光栅

3.3 智能化光纤传感技术

输电线路受到外力破坏可以采用振动监测传感技术，该技术包含了支撑梁、悬臂梁、质量块、光纤光栅和壳体等内容。在传感器外壳上固定悬臂梁，将悬臂梁与支撑梁固定在一块，在支撑梁和外壳间固定光纤光栅，给光纤光栅预应力，使其封装以后可以收缩与拉伸，在悬臂梁末端增加质量块提升监测的灵敏度。如果垂直方向产生振动，质量快就会具备加速度，从而带动支撑梁摆动，从而压缩与拉伸光栅，光栅波长会随之移动，然后通过解调系统进行检测，最终就可以获得加速度的数值，从而检测微振信号。从解调方式上看，能够使用窄线宽分布式反馈激光器(DFB)作为光源，把DFB激光器波长放在光纤光栅放射谱斜边上，如果光纤光栅接收到了外界振动信号，反射波长会伴随着振动产生应变移动，因为不同的波长处，光纤光栅放射率存在差异，所以被光纤光栅反射后的激光器光强会伴随着光栅波长的移动而发生变化。在隧道周围地质结构因为自然因素或者人为因素产生变形或者是破裂的时候，会产生微弱地震波，并且不断地向周围扩散、传播。通过周围位置不同的光纤检波器，能够记录微地震波传播的方向、到达的时间以及地震波能量等相关信息。

利用波导气体传感器以及光纤光栅加速度计的输电线路多参量状态监测方案如图3所示。该体系一共包含了监控主机与各种类型的传感器，利用输电线路中布置的用于监测积水、隧道气体、振动、液位、防火门以及井盖等多种形式的传感器，监测主机能够实现多参量测量，在监控中按照监测主机实时测量数据，最终完成分析、监视与控制等功能，从而实现对隧道内空气、安防以及外力破坏等的监测功能。

图3 智能化电缆隧道监测方案

4 结语

当前，单一化的传感元件很难充分满足输电线路模块化、集成化的发展需求，以尺寸小、抗电磁干扰能力强、可多路复用等优势为基础的光纤传感技术对于电力设备运行状态下的力、温、气、光等相关参量的实时监测已经成为了光纤传感技术的发展趋势。

在实际应用过程中，需要根据具体情况，在充分考量监控环境、系统成本以及精度需求等的前提下，权衡各种因素，选择合理化的封装方案、光纤类型、解调系统以及布置方案。