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摘要：叙述了城市地下电缆的故障监测难点，提出了采用分布式光纤传感方案组建城市地下电缆监测预警系统，通过应用布里渊时域反射（BOTDR）技术对地下电缆进行在线监测，实时获得线路温度和应力数据，判断线路故障，诊断故障位置，极大地提高电网应急预警的能力。并将该系统与现有的输电线路监测系统进行比较，指出各自系统的优缺点。
关键词：BOTDR；地下电缆；实时监测；智能城市
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，地下电缆的盗采也一直是困扰城市输电安全的痼疾。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[1]。
分布式光纤传感器可以在连续的空间内进行测量。分布式光纤传感器主要分两种：基于布里渊散射的光纤传感器和基于拉曼散射的光纤传感器。尽管基于拉曼散射的光纤传感器发展得较为成熟，但只局限于对温度的测量；而基于布里渊散射的光纤传感技术可同时进行温度和应变两种信息量的测量。[2]由于布里渊光纤传感技术精度高、抗干扰、传感距离长、易组网等优点，因此可以更好地指导人们了解线路上温度和应力的变化规律，及时监测到导线温度突变和应力变化异常，为及时采取措施维护电缆安全提供了科学的依据，尽可能地减小线路故障和其它因素带来的损失。
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。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，如何精确地定位故障位置，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），如何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[3]。
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引发的线路应力变化。
2布里渊温度和应变传感器机理
电力分布式光纤传感系统中主要利用布里渊散射信号来实现温度和应变的监测，布里渊散射是相对于入射光产生一定频率移动的非弹性散射，且频移与散射角和光纤介质内的声波场特性直接相关。布里渊散射分为自发布里渊散射和受激布里渊散射。由于介质内由热激发产生的弹性声波场非常微弱，因此很难观测到布里渊信号，因此系统一般采用自发布里渊散射来进行实验和监测[4]。
光纤中的布里渊散射是入射光与声波或传播的压力波相互作用的结果，传播的压力波等效于一个频率为ΩB、速度VB移动的密度光栅。因此，布里渊散射可以看成是入射光在移动的光栅上的散射，多普勒效应使得散射光的频率不同于入射光。当散射光的频率ωS与入射光的频率ωL及ΩB满足相位匹配条件（对光栅来说，就是对应于满足布拉格散射条件），即ωL=ωS+ΩB时，此频率的散射光强为极大值。而由于散射介质的声波频率ΩB与温度和应力有关，所以布里渊散射光的强度和频移与光纤所受温度和应力有关。由温度和应变引起的布里渊频移和强度的变化可用矩阵表示为[5]：
4分布式光纤传感监测方案
目前，应用布里渊光纤传感技术同时进行温度和应变测量的有2种方式，一种是布里渊时域反射技术（Brillouin Optical Time Domain Reflector，简称BOTDR）；另一种布里渊时域分析技术（Brillouin Optical Time Domain Analysis，简称BOTDA）。[7]
1）BOTDR分布式光纤传感技术。基于BOTDR的分布式光纤传感系统与在光纤测量中广泛应用的光时域反射计（Optical Time Domain Reflectometer，简称OTDR）相似。
在BOTDR中，光纤的一端发射一个脉冲，同时在发射端检测背向瑞利散射信号，发送脉冲和接收到的散射信号的时延与光速的乘积可以提供光纤的位置信息，测量散射信号的强度可以得到光纤的衰减情况。在BOTDR中通过测量布里渊散射信号的强度或频移就可以得到光纤的温度或应变的信息。
布里渊散射是入射光在光纤内自发声场激发的移动光栅作用下，在光纤内产生的散射。当角频率为wp的光注入光纤时，光栅通过布拉格衍射反射入射光，此时入射光也称为布里渊泵浦光。
2）BOTDA分布式光纤传感技术。传感光纤两端分别接入短脉冲泵浦光和直流探测光，当两者的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等时，该区域就会产生布里渊放大效应，两光束相互之间发生能量转移。由于布里渊频移与温度、应变存在线性关系，因此，对两激光器的频率进行连续调节的同时，通过检测从光纤一端耦合出来的经过散射后的探测光，就可确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差，从而得到温度、应变信息，实现分布式测量[8]。
3）基于LPR的BOTDR外差检测输电线路故障检测系统
电缆检测方案在 BOTDR中，外差检测法不受光源频率漂移的影响且可得到更高的信噪比、更大的动态范围和更短的测量时间。因此选择基于BOTDR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，光源发出的光被定向耦合器分成2部分，一部分由电光调制器调制成脉冲光的形式后再入射到布设传感光纤的输电线路中；另一部分作为本振光，与散射光一起入射到外差检测器上进行外差检测[9]。
在监测系统中，对架空导线进行光纤布线。采用植入光纤的电缆进行输送电，或将光纤粘结安装在输电线表面。
通过监测导线应力大小测量绝缘受潮或老化情况，根据受力情况可以直接判断线路的可靠性。当线路绝缘受潮，其荷载加重，导线张力发生变化，根据传感器所测得应力变化来计算绝缘老化或受潮增加的重量。当线路重量到告警点或时，监测系统会发出报警，从而便于设计、运行及维护人员采取相应的技术措施防止电缆的进一步受损及维护。同时根据测得温度信息，掌握了沿线导线温度，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应力和温度数据可以对输电线路的运行和设计提供依据。
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。[10]
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。由于光纤传感的抗电磁干扰特性，此系统非常适用于输电线路，特别是高压输电线路电磁场环境中的应力测量，可以准确地测量地下电缆承受的拉力变化，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、更智慧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的复杂性，高成本成为制约其推广的一个重要因素，而且存在着对现有电缆系统进行升级和改造等具体问题，但随着技术的提高和成本的下降，这些问题都可以得到有效的解决。
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。
文献引用
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论文作者:田俊杰,王牧,钱阳冬
论文发表刊物:《电力设备》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/10
标签：光纤论文; 电缆论文; 布里论文; 故障论文; 测量论文; 温度论文; 应力论文; 《电力设备》2017年第36期论文;