基于分布式振动传感的智能光纤监测方案设计

涂超, 王继仪, 张丽文

(国网甘肃省电力公司酒泉供电公司, 甘肃, 酒泉 735000)

0 引言

大型供电系统[1]的安全运行对社会发展起到重要推动作用。然而,由于电缆故障[2]导致电力生产损失已成为该行业面临的一个重要问题。其中,有些故障主要由于在安装阶段电缆可能出现过度弯曲或过度拉伸时遭到损坏造成。此外,还有一些故障主要在后期运行时由于人为或自然灾害导致电缆受冲击,从而造成一定量机械损伤。为此,无论从经济角度,还是电力运行安全保障要求等方面,研究电缆安防与保护方案已迫在眉睫。

随着网络、大数据、物联网、通信等技术[3-4]不断发展,可建立智能电缆检测系统,从而大幅度提高电缆系统的可靠性。其中,一种主要思路是通过模型方法实现电缆故障检测。文献[5]提出了基于不充分知识下的电缆故障检测与诊断方法。该方法分别从电缆类型、电缆结构、电缆参数、传播特性等方面构建电缆分布结构模型,从而实现电缆故障检测与诊断。文献[6]提出了基于数据驱动及无监督分析的电缆故障检测与诊断方法。该方法通过重采样采集电缆工作原始数据,利用数据驱动技术构建特征参数储备池,计算原数据的特征贡献率,从而诊断电缆故障类型。然而,模型方法存在计算复杂,复杂条件下如海底、深山等复杂地形适用性较低。随着分布式振动传感器(DVS)的不断发展,有大量学者将其引入电缆监测领域。文献[7]基于压电传感器研制了无线分布式的电缆外力扰动智能传感器。同时,对该传感器数据处理、低功耗电源管理、取能单元以及物联网通信方法进行了分析。文献[8]提出了一种基于相位敏感的光时域反射仪技术的光纤分布式振动传感器系统。基于DVS的电缆监测方案可靠性高,然而设计复杂,且成本较高。

为了改善传统DVS系统设计复杂以及成本较高的缺陷,本文设计了基于瑞利散射的DVS评估方案,并使用光纤干涉仪监测嵌入式光纤的三芯交流电缆的机械应力,为智能光纤安防与监测提供一定借鉴思路。

1 理论分析

为了评估沿光纤方向的应变分布,本文使用基于相位的光时域反射技术[9-10](φ-OTDR)分析来自光纤截面的后向散射光的相位,并用来测量光纤任何给定截面处的应变程度。如图1所示,为了评估长度为L的光纤截面上的应变程度,可将光脉冲发射到光纤中,并测量该截面两端后向散射瑞利光之间的相位差。对于任意给定电缆,相位差可计算如下:

(1)

图1 基本电缆组成示意图

式中,φA和φB为来自两端的后向散射光的相位,n为光纤的有效折射率,λ为光的波长,φ为随机相位。当电缆弯曲时,该段光纤两端之间的距离根据弯曲力矩增加或减少,此时光纤同一截面上的相位差计算如下:

(2)

式中,ΔL为光纤长度的变化,加号和减号分别对应于拉伸和压缩下的变量。通过比较电缆受到不同偏转前后的相位差,可以确定光纤长度的变化,从而确定电缆的应变。通过连续监测光纤每个单独部分的后向散射光相位变化,可以绘制电缆沿线的动态应变变化图。

2 力学分析

图1为某供电电缆示意图。其由3根导线和1根光纤缠绕,并由金属铠装和1根外部保护套组成。在电缆的应变分析中,需要在计算中考虑电缆内光纤束的无应变运行窗口(中性层),以及电缆内元件的螺旋排列对应变的影响。需注意,无应变运行窗口指电缆伸长或牵引对电缆内的光纤几乎没有影响,主要通过缠绕电缆中心元件外被层的光纤松套管来实现。然而,无应变窗口若因电缆显著变形而耗尽,电缆内的光纤将承受电缆总应变的一小部分。此外,电缆上的实际应变与光纤所承受的应变程度之间的差异需要通过试验确定。

电缆内部光纤束的螺旋几何结构也会影响应变测量结果。如图2所示,施加在光纤上的应变程度取决于电缆弯曲和光纤束相对于电缆中性层的位置。由于几何形状限制,光纤受到拉力和压缩应变。光纤无限小长度dx上的应变程度计算如下:

图2 基本电缆组成示意图

εfibre=εT+εb

(3)

式中,εT和εb分别为拉伸应变和压缩应变。由于DVS系统测量光纤的净伸长ΔL在预先确定的标距长度L上,因此可通过对标距长度上的应变进行积分从而计算光纤伸长率:

(4)

式中,x0为传感光纤上的任何位置。带有螺旋缠绕管组件的电缆在其主加载方向具有较高的轴向强度,且在其他加载方向具有相当大的灵活性。当此类电缆发生偏转时,由于正常荷载导致电缆变形,电缆内的子部件将遭受较高的压缩应变,同时由于没有施加纵向力,因此会承受较小的拉伸应变。综上,为了研究由于电缆偏转而在光纤上产生的应变和应力,可以忽略光纤上的拉伸应变。

为了测量偏转电缆内光纤的压缩应变εb,首先需要计算电缆的曲率。曲率可以通过将二阶多项式拟合到测量的电缆挠度δ计算,且其端点保持在零挠度。因此,曲率κ可根据挠度计算如下:

(5)

式中,δ′和δ″为挠度δ的一阶和二阶导数。电缆的曲率可用于计算距离电缆主轴dm的光纤上的最大压缩应变,计算公式如下:

εb,max=κdcosθ

(6)

式中,θ电缆内子部件的螺旋角。光纤上的净应变水平取决于光纤相对于电缆中性面的位置,具体如图2所示。应变水平变化范围为εb,max(顶端承受拉伸的光纤)到-εb,max(底部承受压缩的光纤)。因此,由于标距长度L上的压缩应变而产生的总伸长率由式(7)给出:

(7)

式中,Llay为电缆的捻距,L为DVS系统的标距长度。式(7)表明,光纤伸长取决于传感系统的标距长度和电缆的捻距,并且沿传感光纤周期性的变化。如果DVS系统的标距长度等于电缆的捻距(Llay=L),则压缩应变产生的伸长率将为0。分析原因:受拉光纤截面的正应变将被下一段受压光纤的负应变抵消。对于标距长度小于电缆捻距的DVS系统,伸长率为传感系统标距长度上的应变总和。

3 试验与分析

3.1 试验装置

图3为提出的用于评估DVS监测电力电缆动态应变和冲击能力的试验装置。该试验装置由2个主要部分组成:光纤询问器和液压试验台。

图3 试验装置

3.1.1 光纤询问器

为了测试电缆内的光纤,本试验使用基于φ-OTDR的DVS传感单元。图3为询问器示意图。该装置对1550 nm分布反馈式(DFB)激光器进行调制,产生峰值功率为20 mW的8 ns光脉冲。光脉冲由掺铒光纤放大器(EDFA)放大,从而将峰值功率提高到1W。放大的脉冲通过密集波分复用(DWDM)滤波器过滤并由自发辐射(ASE)放大。放大的脉冲通过环行器C发射到传感光纤。

来自传感光纤的后向散射光由同一环行器收集,并由第二个增益为25 dB的EDFA放大。放大后的后向散射光通过另一个DWDM滤波器以消除ASE噪声,并发射到非平衡马赫-曾德尔干涉仪(IMZI),并从后向散射光中提取相位信息。IMZI的参数设置为2 m,从而实现1 m空间分辨率;输出端使用对称的3×3耦合器,从而避免相位信号衰落。

进一步,IMZI的3个输出臂分别连接到3个光接收器并用500 MHz/s的等效数据采集卡进行采样。接着对采集的数据进行处理,从而提取沿传感光纤的相位信息。为了消除系统中噪声,每个采样点的相位信息由通带为0.1 Hz至500 Hz的带通滤波器(BPF)进行数字滤波。

3.1.2 液压试验台

根据典型四点弯曲试验过程,液压试验台由1个2.5 m钢框架和2个液压执行器组成,用于对电缆施加力(见图4)。试验台设计用于在2个相距2.5 m的点处支撑电缆,允许电缆自由转动和平移滑动。2个液压执行器安装在距离试验台两端625 mm处。在本文使用1根3.5 m长的三相33 kV铠装电缆作为测试对象。其中,电缆线芯捻距为1.6 m,其子组件的螺旋角为16°。

图4 液压试验台

3.2 试验过程

本试验的目的是确定DVS系统测量循环荷载和电缆突然冲击能力。

对于循环荷载试验,液压执行器周期性地偏转电缆,在中点附近有2个移动距离,分别为±100 mm和±150 mm。同时,通过测量电缆五点处的位移来评估电缆挠度,并最终求解电缆曲率。对于冲击试验,使用4 kg楔形钢块从114 cm的高度落在测试电缆的中间。

试验过程中,循环荷载和冲击试验的脉冲重复周期均设置为900 μs,循环加载的数据采集时间为60 s,冲击试验的数据采集时间为20 s。

3.3 结果与分析

3.3.1 循环荷载结果与分析

图5为传感光纤上固定点的应变随时间的变化曲线。其中,图5(a)和图5(b)分别为±100 mm和±150 mm挠度范围内的应变变化曲线。圆圈代表DVS系统在传感纤维上的一个点上测量的应变率,而虚线代表围绕传感纤维的松套管为液压执行器的理想周期运动所测得的应变。

(a) ±100 mm挠度范围内应变变化曲线

从图5可以看出,传感光纤上单个点的感应应变频率和相位与液压执行器偏转范围内的频率和相位相匹配。对于±100 mm和±150 mm的挠度,子部件的最大应变分别为6.88 mε和10.65 mε,而DVS系统测量的应变偏移分别为232 με和415 με。分析造成差异的原因:由光纤和电缆其余部分之间的弱机械耦合造成,如松套管、铠装层、导管之间震动等。

3.3.2 冲击试验结果与分析

图6为冲击试验时撞击点处的2D横截面随时间的变化曲线。其中,竖直虚线表示该时间处产生冲击;曲线中实线表示嵌入电缆中的光纤在冲击点处经历的应变,主要由高频振动组成;曲线中虚线表示同一位置的过滤数据,主要由电缆的低频振动组成。从图6可以看出,光纤的应变变化为-139.8 με至169.1 με。初始冲击后,应变振幅呈指数衰减。此外,后续曲线还有部分振幅,分析原因:主要来自初始冲击后的后续反弹。

图6 冲击试验时撞击点处的2D横截面随时间的变化曲线

试验结果符合实际,表明本文所提DVS监测电力电缆方案可实现电力应变曲线实时绘制,这为电力智能安防与检测提供了重要的数据基础。

4 总结

本文对电力电缆光纤监测进行了研究与分析,建立了一种基于分布式振动传感器的电缆光纤感知方案,可用于在安装过程和运行期间沿电缆的动态应变的定量分析,从而检测和量化电缆的机械损伤。该模型为智能光纤安防发展提供了一定借鉴作用。