分布式光纤传感系统在城市地下电缆监测中的应用

王 牧 高有伦 陈春银 王 亮 韦龙州

（航天银山电气有限公司）

0 引言

城市地下输电线缆的安全关系着城市用电系统的可靠运行。地下电缆的故障位置诊断一直是输电线故障监测的难点，地下电缆的盗采也是一直困扰城市输电安全的痼疾［1-2］。通过对城市地下电缆的实时情况的检测和故障位置的精确判断，可以有效地防治由于线路老化引发的故障问题，也可以从一定程度上减少电缆被盗采的情况［3-4］。

分布式光纤传感器能够实现对连续空间的不间断测量。分布式光纤传感器从技术原理上主要可以划分为两种，即基于布里渊散射原理和基于拉曼散射原理。基于拉曼散射的光纤传感器技术发展成熟，但也存在技术局限性，功能单一，仅限于温度测量方面［5-6］。而基于布里渊散射的光纤传感器，功能较为全面，既能够对温度又能够对应变进行测量。布里渊光纤传感器具有准确度高、抗干扰能力强、传输距离长、便于组网的优点，能够很好的辅助工作人员了解温度和应变规律，及时发现异常情况，并采取有效的处置措施，最大限度减小线路故障和其它因素带来的损失［7-8］。

1 故障与故障测距

由于技术手段限制，在地下直埋电缆和住宅配电系统中的故障探测是一件费时费力的工作［9］。已有的技术不仅存在测距结果准确度差的缺点，有一些技术甚至可能损坏电缆。因此，如何快速有效地探测电缆故障，如何精确定位故障位置，减少探测故障引起的长时间停电，是我们这篇文章要讨论的重点。此外，对于电力电缆的短路故障、机械损伤、和自然受损情况（如绝缘受潮、绝缘老化等），可以更直观有效地进行监测，随时了解电缆使用情况，更好地维护电缆运行安全，降低维修成本［10］。

应用光纤布里渊散射可以进行温度和应力测量，根据短路电流的热效应，通过布里渊散射的温度测量，探测由短路电流引发的线缆温度突变；通过布里渊散射的应力测量，探测由机械损伤和自然受损造成的线路应力异常。

2 布里渊温度和应变传感器机理

本文所应用的分布式光纤传感器主要就是基于布里渊散射原理工作的，能够对温度和应变进行双重检测，布里渊散射现象是基于入射光发生频率移动而造成的非弹性散射，并且频率移动受光纤内部的声波场特性影响。布里渊散射又可以分为自发性和受激性两种。由于光纤内部由热效应引起的弹性声波场信号强度微弱，几乎难以检测到，因此普遍采用自发性布里渊散射来实现布里渊光纤传感器的功能。

光纤中的布里渊散射是由入射光和声波压力波互相作用产生的，压力波可以近似认为一个频率为ΩB、速度为vB的移动光栅。因此布里渊散射就可以近似等同于入射光在移动光栅作用下产生的散射，基于多普勒效应原理散射光频率变化，与入射光的频率产生差异，当散射光频率ωS、入射光频率ωL、压力波频率ΩB满足布拉格散射条件，即：

这个时候，这个频率的散射光强度达到极限。压力波的频率还与温度和应变存在关联性，所以布里渊散射光的强度就与频率移动、光纤温度、应变存在关联性。由光纤温度和应变因素引发的布里渊频率移动和强度的关联关系为：

式中，vVB为布里渊散射的频率移动；vPB为布里渊散射的强度；CVBε和CPBε分别为布里渊散射频率移动的应变和温度系数；CVBT和CPBT分别为布里渊散射强度的应变和温度系数；vε为光纤所承受的应变，vT为光纤的本体温度。

因此，光纤本体的温度和应变数据可以由布里渊散射信号的频率移动和强度计算得到。

3 短路电流的热效应

因为短路现象发生后继电保护机制会被快速触发，将故障区段切除掉，由于导体发热速度极快，产生的高热量无法及时向周围介质发散，因此可以将这一过程看作是绝热过程，耗失的热量忽略不计，可以认为产生的热量全部导致导体发热，导致导体温度升高。导体材料短时发热的允许温度θkal和系数C见表。

表 导体材料短时发热的允许温度θkal和系数C

（1）短路产生的热量计算

短路电流在一定连续时间t内在导体内的热量可以计算：

式中：Ipt、Iapt、Ikt短路电流周期分量、非周期分量以及总短路电流的有效值；Rav短路持续时间t内导体电阻的平均值。

由于短路电流随时间变化的规律较复杂，在实际应用中，用式（3）直接求发热量Qk非常困难。因而在工程计算中，用到短路电流时会用短路电流的稳态值来代替从而计算得到Qk，设定假想时间为tima，短路电流稳态值在tima时间内产生的热量与短路电流在连续时间t内的发热量完全一致。因此该方法可以称为“假想时间”法，由下式描述：

为简化计算，引入短路电流周期分量假想时间tpi与短路电流非周期分量假想时间tapi，则存在关系：

根据假想时间曲线，5s后的短路电流已进入稳态。5s之后，假想时间为：

对于tapi，工程中取近似值计算，当0.1s＜t＜1s时，tapi≈0.05β″2，当t＞1s，tapi≈0。

（2）导体短路发热温度计算

根据热平衡原理得到短路温度θk。

式中，Rav、cav、r导体的电阻率平均值、比热平均值和比重平均值；l、s、m导体的长度、截面积和质量；θk、θw导体的短时最高温度与导体正常工作温度。

上式经化简得到：

在工程计算中，一般利用载流导体加热系数A值与温度θ之间的关系曲线A＝f（θ），确定短路发热温度θk。

1）根据导体正常运行时的温度θw，查A＝f（θ）曲线可得导体正常加热系数Aw；

2）运用Aw，可求出导体短路加热系数Ak；

3）再用Ak从曲线中查得短路发热温度θk。

4 分布式光纤传感监测方案

目前，可以采用两种布里渊方法进行温度和应变的测量，即布里渊时域反射技术和布里渊时域分析技术。

（1）基于布里渊时域反射分布式光纤传感技术。基于布里渊时域反射分布式光纤传感系统与在普遍应用的光时域反射技术原理相似，其原理如图1所示。

图1 基于布里渊时域反射分布式光纤传感技术基本原理图

在该原理中，在光纤的一端输入脉冲信号，同时在另一端检测散射信号，通过检测输入脉冲和散射信号的之间时间延迟，将时间延迟与光速相乘就能够得到光纤位置，再根据散射信号的强度就能够算出光纤的衰减数据。进而计算出光纤的温度和应变数据。

布里渊散射是入射光在由自发声场和移动光栅作用产生的散射效应，当外部光注入到光纤时，光栅通过布拉格衍射反射入射光，入射光也称为布里渊泵浦光。

（2）基于布里渊时域分析分布式光纤传感技术。在光纤两端分别注入泵浦光和直流探测光，当二者的频率差值与特定位置的布里渊频率移动相同，该区域就会出现布里渊缩放效应，两光束互换能量。由于布里渊频率移动与温度、应变之间是线性相关的，所以双侧光源的频率连续变化时，经过光纤一端耦合，并且经过散射效应的探测光，就能够确定光纤上各个位置能量转移上限时，对应的频率偏差，从而计算出对应的温度数据和应变数据，实现分布式测量。

基于布里渊时域分析分布式光纤传感技术原理如图2所示。

图2 BOTDA工作原理

（3）基于LPR的布里渊时域反射分布式光纤传感外差原理的线路故障检测系统

电缆检测方案在基于布里渊时域反射分布式光纤传感技术中，外差检测法与光源频率漂移不存在联系性，并且具备较好的信噪比、更优的动态调节范围和更快的检测速度。因此选择基于布里渊时域反射分布式光纤传感技术的外差检测式光纤传感系统对输电线路的温度和应变进行实时在线监测，其原理如图3所示，光源发出的光被耦合器一分为二，即调制得到的脉冲光和本振光，再与散射光一起注入到外差检测器上进行外差检测。

图3 布里渊外差检测原理

在监测系统中，将光纤布设在架空线路上。采用经过处理的电缆运用，如图4所示，或将光纤附着输电线表面。

图4 植入光纤的电缆切面图

通过监测输电线路应力数据分析绝缘受潮或老化，对线路进行受力分析，就能够对输电线路的可靠性进行科学诊断。当线路绝缘受潮，在重量方面有所增加，从而导线张力改变，可以根据检测到的应力数据来反向推算绝缘老化或受潮增加的重量。当线路重量触发阈值时，监测系统会报警，从而保证工作人员采取有效的措施对电缆进行处理。同时根据测得温度数据，了解导线温度情况，当短路事故发生时，可以通过短路电流的热效应，判断短路电流的大小，并根据导线温度的突变，判断事故发生的位置。而且长期积累线路的历史数据可以对输电线路的运行和设计提供指导。

5 与现有电缆故障诊断方法比较

已有的电缆故障诊断方法主要分三类：电桥法、闪络测试法和脉冲反射测试法。电桥法是早期的测量电缆故障的方法，包括电阻电桥法、电容电桥法和高压电桥法。但电桥法的结果误差比较大，且对于高阻故障及闪络性故障无法测量。闪络测试法也是比较常用的电缆故障测距方法，包括有冲击高压闪络测量法和直流高压闪络测量法。其限制是波形相对复杂，准确度不高，对操作人员的要求比较高。脉冲反射测试法也是目前比较常用的，包括低压脉冲法、脉冲电压法和脉冲电流法。脉冲法测试简便，适用于电缆的高阻故障测量，但此方法会产生高频干扰，给故障测距的结果带来误差，且有损坏电缆的风险。

与现有的几种电缆故障诊断方法相比，基于分布式光纤传感系统的电缆故障检测系统有三方面优点。

（1）迅速。可以不间断地测量温度和应变场分布，并对故障短路引发的线缆升温和由于物理破坏受到的应力变化，可以迅速反应并告警。

（2）准确。由于光纤传感本身的抗磁特性，因此用于输电线路测量合适，尤其是高压输电线路等具有复杂电磁环境的数据测量，能够精准测量地下电缆变化情况，测量的精度可以精确到米，对地下电缆的破坏和盗采做到迅速报警和定位。

（3）智能。分布式光纤传感系统可与地下电缆环网系统相结合，便于建成大范围多点测量的地下电缆监控网络。通过在线远程遥测，可以更方便、更智能化地展示电缆运行情况。并且通过数字化的分布式光纤传感网络与智能电网的结合，可以更好地保障城市电力系统的安全可靠运行。

由于光纤布里渊传感技术存在一定的复杂性，其成本较高，而且存在着对现有电缆系统进行升级和改造等问题，但随着技术水平提升和成本降低，这些问题在不久的将来都能够解决。

6 结束语

分布式光纤传感系统为地下电缆的监测和故障测距提供了新的思路和方法，不仅避开了传统电缆故障测距的限制，通过复合式光纤电缆线构造的分布式监测系统，可随时将电缆所受温度和应力变化实时上送，使地面监测人员可实时观测地下电缆运行情况，并在电缆故障或物理损坏时收到告警并准确定位，更好地保障了城市电力系统的安全运行。