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摘要：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。本文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：分布式光纤传感系统；城市地下电缆监测；应用 引言：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。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，尽可能地减少线路故障和其他因素带来的损失。 1、分布式光纤传感系统概述 1.1基于BOTDR的分布式光纤传感系统技术原理 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相似。在布里渊时域反射中，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。在布里渊时域反射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。 1.2分布式光纤传感系统优势 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。 2、分布式光纤传输系统在电力电缆在线监测中的作用 2.1连续测温、实时监控 光纤既是传输信息的导体，又是分布测量的传感器。分布式光纤测温系统能够连续测温，实时显示线路上各点的温度及整条线路的温度变化曲线。在电缆中，各点温度随时间变化曲线以及常规监控指标，在正常情况下显示为监控域全局状态视图，当电缆温度变化曲线出现异常时，分布式光纤传感系统会发出报警信号，将状态视图切入到报警画面或故障信号所在区域分布图，同时还会显示故障区域的最高温度或者其他相关的报警指标。由于分布式光纤传感系统的测温介质采用光纤，这种材料本身就具有测量精度高、测量速度快的特点，因而可以精确地定位事故发生点，其实时监测的时间一般不超过10s，温度分辨率精度可达0.1℃，空间分辨率可达到1米，精度和准确度极高。此外，分布式光纤传感系统由于所带数据库基于CPU技术存储数据量大，所以其测量数据存储在系统中，方便调用不同时段数据在测量过程中同步浏览。 2.2分级报警、安全保障 分布式光纤传感系统运用于电力电缆在线监测中是为了杜绝电缆沟内各电缆接头处由于温度过高而引起火灾事故，它可以将各电缆接头处的温度及时准确传送到主控室内，当被测点的温度值超过了预定的报警值时，系统便能够及时报警。在实际工作中，光纤传感系统可以对被测区域进行划分和编程，对其设置不同的报警值（如60℃、70℃、80℃）进行分级报警，并且可以对不同的报警区域设置不同的报警类型，如定温报警、差定温报警、温升速率报警、平均温度报警、系统故障报警、光纤断裂报警等，具有广泛的适用性和实用性。在电力电缆运行中通过分布式光纤传感系统的在线监测，可以实时掌握整条线路的运行状态，对电缆沟内的火情进行检测和警报，防止事故的发生，提高电力电缆运行的安全性。 2.3软件系统扩展性强 软件系统可同时连接扩容的多台光纤测温主机，并实现上述所有功能，具有较强的扩展性。同时测温主机内置多种通信规约，便于与电缆综合上位监控系统通讯或与其他电缆监测功能集成。如和电缆载流量、护层电流、局放等的监测。这些功能如护层电流可与电缆测温共用测温主机，只是增加计算软件等，这样就方便了其他功能的集成。随着电力电缆隧道建设的增多，为了提高对供电线路预警，电缆状态的监测功能将会随之加强。所以电缆测温功能是基础，也是最主要和必需的。现在在电缆隧道建设的相关规程中也明确了电缆隧道电缆表面设置线型感温火灾探测器。 3、分布式光纤传感系统在城市地下电缆监测中的应用 3.1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。 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。 3.2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。 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，根据传感器所测的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。 结束语： 综上所述，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。 参考文献： [1]李双厚,李庆延,张国庆,等.基于分布式光纤测温的电力电缆温度监测系统[J].山东工业技术,2018(4):156-156. [2]张春阳.分布式光纤测温系统在电力电缆在线监测中的应用[J]. 江苏电机工程,2014,33(04):56-58+62. [3]肖恺,李平,罗巧梅,张静,杨峰,赵浩. 分布式光纤测温系统在电缆温度监测中应用[J]. 现代电子技术,2014,37(12):153-155+159.
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