摘要：研究一种基于分布式光纤振动传感原理和电缆局部放电原理的电力电缆故障定位技术。通过在电缆上施加高压脉冲，使得电缆上有故障的位置产生局部放电，从而产生振动信号。并将放电脉冲信号同步传输给分布式光纤振动监测系统。通过分布式光纤振动传感技术来探测电缆沿线放电产生的振动信号，并对振动信号进行定位。将该故障定位技术应用于电力电缆沿线上监测电缆故障的状态分布，并进行试验验证。实验结果表明，该系统可实现监测多回路30 km电缆线路的故障分布状况，并对故障点进行准确定位。
关键词：分布式光纤传感；后向散射；电力电缆；故障定位
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电缆故障分类
通常情况下我们可以将电缆故障分为以下五类：（1）接地故障-电缆单相对地故障；（2）短路故障-电缆两相或三相短路；（3）断线故障-电缆一相或数芯相被故障电流烧断或受机械外力拉断，致使导体完全断开的故障；（4）闪络性故障-这类故障一般发生于电缆耐压试验击穿，并多出现电缆中间接头或终端头内；（5）混合性故障-同时具有上述接地、短路、断线中两种以上性质的故障。
2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ΦOTDR（optical time domain reflectometer，OTDR）[14]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。
3电力电缆故障测距算法
电力电缆故障性质确定后，就可确定故障测距方法。故障测距是测量从电缆的测试端到故障点的电缆长度。而在目前的实际测试中，首选的是行波测距法测试故障距离，对于用行波测距法无法测试回波的特殊的主绝缘和护层故障，可以用电桥法进行故障测距。
电桥法的基本原理：利用电桥平衡时，对应桥臂电阻的乘积相等，而电缆的长度和电阻成正比的原理进行测试的。电桥法的优点是：简单、方便，且精确度较高，测量短路故障、低阻故障十分方便。
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低压脉冲反射法的基本原理：低压脉冲反射法是给故障电缆注入一个低压脉冲故障电缆，脉冲会在电缆中传播，而当脉冲碰到阻抗不匹配点（故障点或中间接头等）时会反射回来，通过发射脉冲与反射脉冲的时间差，再根据脉冲在电缆中传播速度，就可以得该点到测量点的距离。
4基于分布式光纤振动传感技术的电缆故障定位系统组成
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。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±25 m；
（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。
5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110 kV电缆300 m，在电缆上100 m、200 m和300 m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。
6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。目前的电缆故障测距方式大都是离线测试，需要断电并且需要较长的故障修复时间，而在线检测具有更为明显的经济效益和社会效益，这使得在线测距成为电缆测距技术成为一种发展趋势。
参考文献：
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[5]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.
论文作者:张洪波,刘佳,马波
论文发表刊物:《电力设备》2018年第25期
论文发表时间:2019/1/15
标签：故障论文; 电缆论文; 光纤论文; 分布式论文; 信号论文; 脉冲论文; 系统论文; 《电力设备》2018年第25期论文;