基于分布式光纤振动传感原理的电力电缆故障定位技术研究＊

周正仙，田 杰，段绍辉，徐帮联，王晓华，4

（1.上海华魏光纤传感技术有限公司，上海 201103；2.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；3.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000；4.上海电力学院 电子与信息工程学院，上海 200090）

引 言

电力电缆是电力传输的重要载体。但是人为因素（如：施工挖破皮、被割破皮等）和自然灾害（如：滑坡、塌方、地基沉降、腐蚀、老鼠破坏等）会造成电缆线路故障，影响电力电网建设效能的发挥。因此，应用科学手段实现对电力电缆的电缆的故障进行检测和定位、及时提醒线路维护人员提前采取预防措施显得十分的紧迫和必要。

本文研究基于分布式光纤振动传感原理为核心的智能监测技术，利用光纤传感技术对电网中的电力电缆线路的故障进行全方位实时智能监测和定位。该智能监测系统可实现对电力电缆线路的故障进行检测和定位，确保电网安全、高效运行；综合分析处理各传感器信息，并且在出现异常情况时，通过控制相应的联动设备采取一定的措施来保障电网正常运行。

1 分布式光纤振动传感技术原理

分布式光纤振动传感技术是利用 Φ－OTDR（optical time domain reflectometer，OTDR）［1－4］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［5］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。

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［6］。其基本原理是当外界的振动作用于通信光缆时，引起光缆中纤芯发生形变，使纤芯长度和折射率发生变化，导致光缆中光的相位发生变化。当光在光缆中传输时，由于光子与纤芯晶格发生作用，不断向后传输瑞利散射光。当外界有振动发生时，背向瑞利散射光的相位随之发生变化，这些携带外界振动信息的信号光，返回系统主机后，经光学系统处理，将微弱的相位变化转换为光强变化，再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，并确认入侵地点。图1为分布式光纤振动传感系统结构示意图。

图1 分布式光纤振动传感系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of optical fiber distributed vibration sensing system

该系统的定位精度P与注入光纤的光脉冲宽度ΔT有关，且有

式（1）中c为真空中的光速，n为传输介质折射率，试验中系统采用的光脉冲宽度ΔT为250ns，对应理论定位精度25m，实测定位精度优于30m。

分布式光纤振动传感系统由于采用的Φ－OTDR技术是基于光时域反射技术（OTDR）和光纤干涉技术发展而成的先进的光纤传感技术，它同时具有光时域反射技术定位精度高和光纤干涉技术灵敏度高的特点，特别适合于通信光缆防破坏监测的应用领域。

2 基于分布式光纤振动传感技术的电缆故障定位系统组成

整体系统由高压电缆放电试验系统、分布式光纤振动传感系统及综合平台软件组成，系统结构如图2所示。

系统通过分布式光纤振动传感系统监测来自于高压电缆上方的振动信号，通过振动信号来分析判断故障点的位置。当高压电缆放电试验系统对高压电缆发出高压脉冲信号时，同时会向分布式光纤振动传感系统发出一个上升沿或下降沿信号，以作标记信号。分布式光纤振动传感系统根据高压电缆放电试验主机给的脉冲同步信号进行振动信号的采集，实时监测高压电缆的振动情况，并将监测到振动信号保存到数据库中。高压电缆放电试验系统放电结束后，由综合平台对分布式光纤振动传感系统采集到的振动信号进行分析，并结合高压电缆放电试验系统放电脉冲情况，综合分析对故障点进行定位，并在软件界面是显示整段监测光缆的波形图、故障点位置。系统数据库中保存测量的振动信号和放电信号的历史数据，并绘制成报表，由用户选择查看。

图2 基于分布式光纤振动传感技术的电缆故障定位系统结构示意图Fig.2 Schematic diagram of power cable fault monitoring system based on the optical fiber distributed vibration sensing technology

该系统以高压电缆故障时所产生的震动为监测对象，可实现以下功能：

（1）实时监测电缆走廊路面施工振动位置的振动量，并根据实时监测值显示报警状态。实时监测高压电缆故障点所产生的震动情况，可对故障点进行定位，定位误差不大于±25m；

（2）检测到电缆故障时，在界面上显示告警提示；

（3）软件界面可显示电缆的震动波形图；

（4）能与高压电缆放电试验系统通讯，接收该系统发来的上升沿或下降沿信号；

（5）各监测值的历史数据记录展示。

3 试验结果

为了验证系统是否能探测到电缆的故障信号并准确定位故障信号的位置，搭建了一个测试系统。测试验证系统选取110kV电缆300m，在电缆上100m、200m和300m位置分别模拟放电信号。用该系统来探测电缆的放电信号及其位置。

图3为系统在电缆上100m处探测到的振动信号。从上图分析得出系统能准确探测到电缆故障放电时产生的振动信号，并能准确定位故障信号发生的位置。

图4为系统在电缆上200m处探测到的振动信号。从上图分析得出系统能准确探测到电缆故障放电时产生的振动信号，并能准确定位故障信号发生的位置。

图3 100m处电缆局部放电振动信号Fig.3 Power cable partial discharge vibration at 100meter

图4 200m处电缆局部放电振动信号Fig.4 Power cable partial discharge vibration at 200meter

图5为系统在电缆上300m处探测到的振动信号。从上图分析得出系统能准确探测到电缆故障放电时产生的振动信号，并能准确定位故障信号发生的位置。

4 结 论

研究的基于分布式光纤振动传感原理的电缆故障定位系统可准确探测电力电缆故障为，预防因电力电缆自身老化等原因而发生故障。制止因蓄意破坏、偷盗等情况造成的输电中断，从而保障中高压电力电缆的传输安全和通畅。当电力电缆线路发生故障时自动实现预警，自动定位故障发生位置，及时通知管理人员对警情进行有效处理，从而提高对电网供电的可靠性。

图5 300m处电缆局部放电振动信号Fig.5 Power cable partial discharge vibration at 300meter

［1］DAKIN J P.Distributed optical fiber sensors［J］.SPIE，1992，1797：76－108.

［2］孙圣和，王廷云，徐 颖.光纤测量与传感技术［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000.

［3］IMAHAMA M，KOYAMADA Y，HOGARI K.Restorability of Rayleigh backscatter traces measured by coherent OTDR with precisely frequency controlled light source［J］.IEICE Trans Commun，2008，E9l－B（4）：1243－1246.

［4］王莉田，史锦珊，王玉田，等.背向散射多点分布式光纤测温系统的研究［J］.仪器仪表学报，1996，17（6）：639－641.

［5］宋牟平，汤伟中，周 文.喇曼型分布式光纤温度传感器温度分辨率的理论分析［J］.仪器仪表学报，1998，19（5）：485－488

［6］李志全，白志华，王会波，等.分布式光纤传感器多点温度测量的研究［J］.光学仪器，2007，29（6）：8－11.