分布式振動傳感技術在電纜通道防外力破壞監測及定位的應用

錢恒健++劉剛+劉國平++谷豐++鄭有明

摘 要：近年來，地下電纜在輸配電系統中的比重越來越大，但是在使用中時常受到外力破壞，電纜供電安全可靠的優勢受到嚴重影響。因此，保障電纜供電不受外力破壞成為了電力運行部門急需解決的問題。隨著分布式光纖傳感技術的快速發展，電力部門可采用該技術來實時測量傳輸線路周圍的振動情況，在實現傳輸線路防外力破壞預警的同時還可定位異常發生地點。

關鍵詞：振動傳感技術；監測；定位

中圖分類號：TM726 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）18-0166-02

1 電纜通道防外力破壞監測概況

外力破壞是危害電力設施的三大因素之一。違章建筑、違章施工、地質災害等都能形成外力危害輸電線路。

目前國內對于地下電纜的防護措施主要有：（1）在運行中派專人進行正常性巡視、特殊巡視和重點工程巡視；（2）對特殊地點安裝警示牌提醒施工人員注意保護電纜；（3）采用埋管、隧道等抗外力強度高的通道形式代替直埋等抗外力強度低的敷設方式。以上措施人力、物力成本高，自動化、智能化程度低，且實際防外力破壞效果不理想。

對于地下電纜隧道等電力管網的防損壞監控，想要通過日常巡線解決外力破壞的問題比較困難。對于隨機產生的外力破壞，我們只有加強對線路的實時監測，只有這樣才能提升線路的防外力能力。

部分電力部門引入了一些科技手段用于監控傳輸線路的狀態，以確定傳輸線路是否受損，如漏電電流檢測法、電力線載波檢測法、點式應變傳感器檢測法。但上述方法均有明顯的局限性：漏電電流檢測法只有在傳輸線路被破壞后才能反映結果，并且停電時無法工作；電力線載波檢測法在監測過程中面臨著高噪聲、阻抗變化大、信號傳輸損耗大等問題；點式應變傳感器檢測法可以實時監測輸電線路應變狀態，當發生外力破壞事件時，輸電線路因受拉力會產生應變，拉力通過線路傳遞到傳感器所在位置，使其也產生應變，從而可以判斷電纜是否受到外力破壞。然而，點式應變傳感器檢測法同樣存在著不足之處，其無法定位故障點且只能布置在傳輸線路上一些特殊的位置，監測范圍不夠全面，且應變檢測值與實際值相比有一定偏差，不能完全反映真實情況。

2 分布式光纖振動傳感技術

分布式光纖傳感技術具有同時獲取在傳感光纖區域內隨時間和空間變化的被測量分布信息的能力，非常適合于大型工程監測、長距離線路監控、大范圍地域安防等領域，其基本特征為：

（1）分布式光纖傳感系統中的傳感元件僅為光纖；（2）一次測量就可以獲取整個光纖區域內被測量的一維分布圖，將光纖架設成光柵狀，就可測定被測量的二維和三維分布情況；（3）系統的空間分辨力一般在米的量級，因而對被測量在更窄范圍的變化一般只能觀測其平均值；（4）系統的測量精度與空間分辨力一般存在相互制約關系；（5）檢測信號一般較微弱，因而要求信號處理系統具有較高的信噪比；（6）由于在檢測過程中需進行大量的信號加法平均、頻率的掃描、相位的跟蹤等處理，因而實現一次完整的測量需較長的時間。

分布式光纖傳感技術一經出現，就得到了廣泛的關注和深入的研究，并且在短短的十幾年里得到了飛速的發展.依據信號的性質，該類傳感技術可分為4類：

（1）利用后向瑞利散射的傳感技術；（2）利用喇曼效應的傳感技術；（3）利用布里淵效應的傳感技術；（4）利用前向傳輸模耦合的傳感技術。

利用外界信息具有敏感能力和功能的特殊光纖作為傳感元件，將“傳”和“感”合為一體，傳感光纖在外界物理因素（如運動、振動和壓力）的作用下，改變光纖中的光纖相位，從而對外界參數進行檢測，具體來說是當外界的振動作用于光纜時，引起光纜中纖芯發生形變，使纖芯折射率與長度發生變化，導致光纜中光的相位發生變化。

當光在光纜中傳輸時，由于光子和纖芯晶格發生作用，不斷地向后傳輸瑞利散射光。當外界存在振動時，背向瑞利散射光的相位變化轉換為光強變化，再經光電轉換和信號處理之后，進入計算機進行數據分析。

3 分布式光纖振動傳感防外力破壞系統

分布式光纖振動傳感防外力破壞技術是利用ΦOTDR（optical time domain reflectometer，OTDR）光時域反射計的干涉機理測試外界繞那擾動，外界擾動作用在光纜上面或附近產生的壓力（振動）導致光纖中瑞利散射光相位發生變化，由于干涉作用，光相位變化將引起光強度的變化時，通過實時監測不同時刻后向瑞利散射信號的干涉效應可定位振動信號的位置，并通過建立光纜線路環境特征參數數據模型和告警監測閾值模型，降低監測告警的虛警率。

光纖振動傳感防外力破壞系統是利用激光、光纖傳感和光通信等高科技技術構建的安全報警系統，是一種對威脅公眾安全的突發事件進行監控和警報的現代防御體系。該系統主要應用于邊界防衛、周界安防警戒、管道防護、通訊和電力通道、電力線纜保護等領域，在軍用與民用領域具有廣泛的應用前景。

分布式光纖振動傳感防外力破壞系統由傳感光纖、光纖振動信號測量主機、振動傳感監測報警主機和振動傳感監測報警軟件組成。

分布式光纖振動傳感系統采用普通通信光纜中的一根空閑纖芯作傳感單元，進行分布式光纖傳感器多點振動測量。

當外界有振動作用于傳感光纜時，引起光纜中纖芯發生形變，導致纖芯長度和折射率發生變化，導致光纜中光波的相位發生變化。當光在光纜中傳輸時，會不斷產生后向傳輸光。當外界有振動發生時，后向傳輸光的相位隨之發生變化，這些攜帶外界振動信息的信號光，反射回系統主機時，經光學系統處理，將微弱的相位變化轉換為光強變化，經光電轉換和信號處理后，進入計算機進行數據分析。系統根據分析的結果，判斷入侵事件的發生，并根據后向傳輸光的到達時間即可通過光速計算出振動距離，確認入侵地點。

3.1 多種入侵行為識別

分布式光纖振動系統對電纜管道沿線的第三方非法入侵行為，經過模式分析、后臺模式識別、準確判定入侵事件。可檢測的第三方非法入侵行為包括：人工挖掘、車輛入侵、重型機械挖掘，具有高靈敏度和多種識別模式。如圖1，圖2，圖3所示。

3.2 重大事故事前預防

基于統一的振動事件行為模式識別庫，智能區分不同外力行為事件產生的振動信號特征，在電力通道可能遭受外力破壞造成嚴重后果之前，系統即可給出預警、報警信號，較之事故發現之后的故障報警，通常具有4個小時之提前量，管理人員通過事件復核，完全可以在事故萌芽之初將問題消解，避免重大經濟責任事故和社會不良影響。

4 結語

分布式光纖振動防外力破壞系統，是近幾年來新發展出來的一種具有廣泛應用前景的新型技術應用系統。通過在電纜通道建設項目中，實施應用該技術，對于地下輸電線路的長距離傳輸進行定位實時安全監控，對可能造成輸電線路破壞的外部威脅進行提前預警，以便及時制止破壞、強化防范，或準確奔赴意外現場，采取補救措施，可從根本上防止電纜通道因外界破壞造成重大經濟損失，杜絕環境污染，避免社會危害。分布式光纖振動防外力破壞系統的應用，充分發揮其設計先進、高效、準確的特點，解決了傳統電纜通道靠人工巡檢難以實現即時、全面的電纜通道安全保障問題，為優化設計方案，提高設計質量起到積極有效的作用。endprint