基于分布式光纤振动传感技术的电力电缆故障点定位的研究 - 信息谷 - ICITU

　　随着信息化及大数据不间断信息传输时代的到来, 城市配电网使用的电缆数量日益增加, 电力电缆的故障点定位对于维护城市电网安全平稳运行意义重大, 对埋地电缆的连续性以及对故障点的快速定位都提出了更高的要求。城市建设过程中的市政开挖施工、交通维护以及工农业生产过程中的外力作用造成电力电缆故障率居高不下。

　　电力电缆故障定位方法一般采用阻抗法、电压比较法、电桥法、行波反射法[1～3]为基础进行故障定位研究。上述方法的故障定位技术都是基于电缆本身的测量参数进行定位, 往往会受到外界电磁干扰的影响导致适用环境以及定位精度不高等问题。而电力电缆的敷设往往伴随着通信光缆, 因此通过对伴行的通信光缆的定位即可对电缆的故障点进行定位。

　　光缆故障定位通常利用光时域反射计 (OTDR) 进行故障点长度测量, 该技术利用激光在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射而制成的精密光电一体化仪表, 被广泛应用于光缆线路的维护、施工之中, 可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。但该技术对振动点的具体物质无法做出判别, 在工程实践中定位光缆断点首先利用OTDR测量断点距离, 通过地面与光缆铺设过程中的冗余比例进行实际测量, 开挖找到光缆并剪断后利用OTDR继续进行测量直至逼近光缆断点, 该方法工作效率低, 寻找断点过程中需要多次开挖剪断光缆, 增加了工作量。

　　光纤可用于传输信息, 当光纤受到扰动时, 能将信号传递给接收探测器, 当检测到被测信号发生变化时, 光纤中传播的光的特性也发生变化, 通过对调制光的检测可得到外界的物理量变化, 这就是光纤传感的基本原理[4～6]。分布式光纤振动传感系统是窄线宽激光光源发出的调制脉冲激光, 传输到振动探测光纤中, 当光纤中的待测参数发生变化时, 光纤中传播的光的相位信息特性会发生改变, 光纤中传播的透射或散射光经过光纤传输, 最终到达光电探测器中, 探测器将光信号转换为电信号并输出。通过特定算法解调, 可以计算出这些光学参数的变化, 通过特定算法的解调完成对外界环境物理量的变化进行测量的功能。

　　通常窄线宽激光器的线宽小于3KHz, 所用窄线宽激光器的输出波长为1550.12nm, 窄线宽激光器通电后发射连续激光光脉冲, 激光器的输出端为光纤输出。窄线宽激光器发出的连续光脉冲通过光纤连接传输到声光调制器中进行调制, 调制激光器脉冲, 脉冲光经过掺铒光纤放大器 (EDFA) 对输入的脉冲光信号进行放大, 该放大器的作用是将输入光进行放大增大输入到探测光缆的信号能量, 使探测距离加长。经过放大后的脉冲光信号输入到100GHz的滤波器中滤除放大脉冲中的无用光信号, 经过滤波后的光信号输入到光纤环形器的输入1端口, 环形器的端口2连接分布式光纤振动传感系统的探测光缆, 环形器的3端口连接雪崩光电二极管 (APD) 用于探测探测光缆中相干后向瑞利散射光的光强信号并转化为电流信号, 收集到的电信号经过转换放大后进入数据采集卡进行数据处理最终得到该探测光缆上的振动信号。

　　由于干涉作用, 光相位的变化将引起后向瑞利散射光光强度的改变, 通过对携带了扰动信息的后向瑞利散射光信号进行分析处理后, 即可实现对扰动和入侵的精确定位。光缆可附着在电缆通道上进行布设;若电缆是埋地方式铺设的, 光缆可在电缆上方或者两侧距离进行埋地伴行铺设。当有第三方外力如挖掘、打孔等, 使光缆产生振动, 系统报警, 同时定位。

　　光缆在铺设过程中由于盘留、熔接、弯曲等不可控的因素往往导致光缆地面距离往往与光缆实际距离有较大差距, 为了解决上述电力电缆定位故障技术问题, 本文提供一种埋地电力电缆故障位置地面精确定位装置及方法, 实现电力电缆放电位置点精确定位, 精确定位到指定电缆断裂位置, 有效减少埋地电缆修复过程中寻找地下断点的难度。

　　电力电缆对地故障可分为两种情况:第一种为电力电缆对地放电, 但未对周边光缆的完整性造成损害, 因此通过分布式光纤振动系统的纵向定位功能可完成对故障位置的精确定位:第一步, 接通电力电缆开关, 使电缆对地放电, 并产生对地振动, 对地振动引起同沟敷设电缆的振动报警, 通过系统软件读取系统对地放电位置;第二步, 铅球自由落体控制系统对对地放电周围进行投掷铅球;光纤振动传感系统感受振动信息, 通过在定位光缆位置进行投掷铅球, 找到振动能量最大的点记为电力电缆故障点。

　　若电力电缆的放电过程造成了同沟敷设的光缆的断裂, 则需要通过以下过程对故障位置进行定位:第一步, 铅球自由落体控制系统对断裂光缆周围进行投掷铅球, 光纤振动传感光路模块感受振动信息, 光纤振动传感采集与处理模块采集分析探测光缆上的振动信息并将信息传输至计算机;第二步, 定时控制器记录铅球自由落体的落地时刻t0, 同时记录计算机上显示光缆断点位置反应振动的时刻t1;第三步, 设光缆埋地的深度为d, 振动在相应大地中的传播速度为v, 铅球自由落体距离地面的高度为h, 计算得出光缆的断裂点在水平地面上距离铅球落地点A1的距离为以为半径的圆周上;第四步, 重复上述步骤一次, 得出光缆的断裂点在水平地面上距离铅球落地点A2的距离为以L2为半径的圆周上;第五步, 两个圆周具有两个重合点, 位于线缆铺设线路上的重合点即为光缆断点;第六步, 若线缆铺设路线未知, 通过第三次铅球投掷, 得出光缆的断裂点在水平地面上距离铅球落地点A3的距离为以L3为半径的圆周上, 三个圆周的重叠点即为光缆断点。

　　和现有技术相比, 本技术方案通过铅球自由落体控制系统对光缆周围进行投掷铅球动作, 当光纤振动传感主机软件显示断裂处振动光缆感受到铅球自由落体振动时表明铅球自由落体位置覆盖了光缆振动感受范围, 通常光纤振动传感系统可感受光缆范围内20m范围内周边的振动信息, 重复投掷, 覆盖范围重叠点处即为光缆断裂点。