適應現代電網建設的高壓智能電纜研究進展

張 亞，張國珍，黃澤琦，王章軍，程明亮，楊海艷，龔 敏

（1.重慶泰山電纜有限公司，重慶401120；2.山東電工電氣集團有限公司，山東 濟南250000；3.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢430000；4.上海霍開光電技術有限公司，上海200000）

0 引言

智能化、機械化、信息化的發展在為人們帶來便利的同時，產生的能源消耗也十分巨大，尤其是對電力的消耗。隨著電力消耗量的逐漸增長，作為電力載體的電纜卻日漸無法承載過大的電力，無法完成電力傳輸和分配的工作，因而為能保證電力供應需求，將普通電纜換成高壓電纜，增加電力傳輸力度［1］。到目前為止，高壓電纜已成為電網系統中重要組成部分，許多國內學者都對此進行了研究。

賀中橋等［2］提供了一種波形自動判讀的電力電纜故障智能檢測定位系統，確定故障線路后發出脈沖信號，根據采集的信息確定故障點和故障類型并進行存儲顯示，最后進行信息傳輸，實現人機交互功能。這個發明可以為電力電纜故障處理提供有效的檢測定位基礎，縮短搶修時間，降低損失。

孫廷璽等［3］提供了一種高壓復雜電纜故障快速分段判別及定位方法，在戶外終端往故障電纜線路中注入恒定的電流，檢測三相電纜中間接頭金屬套的直流電流信號，然后使用二分法得到最小故障區間，然后利用智能電壓比較法和電纜故障精確定點方法找到故障點。這個發明可以提高電纜故障查找效率，縮短停電時間，提高供電可靠性。

陳道華［4］提供了一種智能高壓電纜終端生產專用模具，動模與靜模之間形成型腔，型腔內設有熱芯棒，熱芯棒的尾部與斜滑塊相連，下表面連有凸起，凸起的側面與靜模的側壁相連，側抽芯機構包括主架，主架與動模的側壁相連。這個裝置開合模速度快，可以大大節約電纜終端的加工時間。

李萬超等［5］設計了一個新型的高壓電纜局部絕緣老化故障智能定位系統。由中心處理器、DTE 數據通信設備和系統前端信號/數據采集設備構建系統整體框架，系統硬件包括傳感器、通信設備和中心處理器，系統軟件包括故障信號采集處理、故障信號傳輸和故障定位3大模塊。這個系統的定位誤差比傳統定位系統降低了1.28 m，定位時間縮短了10.2 s。

葉漳桂等［6］提供了一種高壓電力電纜護層智能接地裝置，電流采集裝置能夠采集分析電力電纜護層多點接地的環流電流并自動投切環路的阻抗，電壓采集裝置能夠采集分析電力電纜護層浮地電壓。這個發明不僅具有高壓電力電纜護層接地環流在線監測功能和護層虛地功能，還具有現場顯示及遠程通信三遙功能，可為運維人員現場提供直觀數據，具有突發異常數據上報功能。

上述學者的研究都取得了一定的研究成果，但是隨著人們對電線電纜技術的愈發重視和打造世界一流能源互聯網企業的戰略部署，需要研制具有狀態全面感知的高壓智能電纜，推動泛在電力物聯網的發展。

1 泛在電力物聯網與全面感知型高壓智能電纜

泛在電力物聯網，就是圍繞電力系統各環節，充分應用移動互聯、人工智能等現代信息技術、先進通信技術，實現電力系統各環節萬物互聯、人機交互，具有狀態全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活特征的智慧服務系統，包含感知層、網絡層、平臺層、應用層四層結構［7-9］。

高壓電纜線路是電力系統電能輸送的關鍵基礎設施，其安全運行對電力系統、國民經濟、社會穩定和國家安全具有重大意義，必須保證其安全可靠。建設泛在電力物聯網的目的，就是確保電網的智能安全可靠，讓人們用起來更方便、更放心。那么在泛在電力物聯網對電纜的要求就將圍繞線路的智能、安全、可靠、便于運維等方面展開研究和設計。關鍵技術［10］在于全面感知型智能高壓電纜設計與實現、傳感技術、信息傳輸技術、電磁兼容技術。

電纜與其他單元式的電力電器產品不同，單元式產品便于測量和監控，利于智能控制設計、實施，成本低。電纜屬于分布式產品，線路長，電磁干擾強，沿線環境條件復雜，影響因素多，不利于與傳感器結合。然而，隨著光纖技術的發展，分布式光纖傳感系統在線監控得到了迅速的應用，同時光纖傳感技術屬于無源技術，并且具有本質防爆、抗強電磁干擾、電絕緣性好、防雷擊、高精度、重量輕、體積小等特點［11］，光纖本身也是通信的媒介，使得高壓電纜的智能化成為了可能。

2 分布式光纖傳感技術

依據所監測信號的不同，如圖1所示，主要分為基于拉曼（Roman）散射的分布式溫度傳感器、基于瑞利（Rayleigh）散射的分布式光纖損耗檢測傳感器、基于相位瑞利（Rayleigh）敏感光時域反射的分布式光纖振動傳感器（φ-OTDR）及基于布里淵散射（Brillouin）的分布式應變傳感器［12-17］。

電纜本身屬于分布式產品，采用分布式光纖傳感技術可以很好地和電纜結合在一起。

2.1 全面感知型高壓智能電纜與分布式光纖振動傳感技術

基于OTDR結構的分布式光纖傳感技術，包括：利用布里淵散射的B-OTDR技術、偏振光時域反射計POTDR 技術和相位敏感光時域反射計φ-OTDR 技術。如圖2 所示，φ-OTDR 技術通過解調光纖的中瑞利散射光相位的變化，探測周界振動信號，結合全面感知型智能電纜，可作為1）對電力電纜自身的質量進行自檢，包含電纜導體內部空隙、絕緣擊穿、漏電放電；2）電纜身份智能識別；3）同時電纜自身會對外界對其破壞進行主動防御并且報警的原理。

圖1 分布式光纖傳感原理圖Fig.1 Principle diagram of distributed optical fiber sensing

圖2 分布式光纖振動原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of distributed optical fiber vibration principle

假設在ΔL內有M個隨機分布的、獨立的瑞利散射元，而且這些散射的偏振都是相同的。M 個散射的場矢量和表示為：

rk和φk分別為脈沖內第k 段光纖的M 個后向散射的幅度和相位的矢量和，ai和Ωi分別是ΔL長度光纖內第i個后向散射的幅度和相位。rk、φk、ai和Ωi都假定為隨機變量。假設ai和Ωi都是獨立并對于所有的i 分布都是一樣的，而且Ωi是均勻分布在區間（-π，π）上的。當脈沖寬度為NΔL，從距離MΔL處的后向散射光的干涉場可以表示為：

這里，Pk、rk和φk分別表示第k個反射鏡的偏振、反射率和相位，θk表示入侵擾動引入到第k個反射鏡中的相位變化。

由光調制解調儀輸出的大功率窄脈沖光注入到傳感光纖中，產生后向瑞利散射光。如圖3所示，瑞利散射光經光調制解調儀分離后得到攜帶振動信號（主要是光相位信息）的光信號的疊加；從光調制解調儀后向反射回來的瑞利散射光進入光接收模塊進行光/電轉換，經前級放大，再分別進入同步信號采集器進行A/D（模/數）轉換，由信道協處理器對數字信號進行預處理和分析計算，數據預處理的結果輸出到對應的監測分析處理系統，得到整個線路的振動信息。

圖3 感知層監測系統圖Fig.3 Perception layer monitoring system diagram

現有的常規應用均采用將光纜敷設在電纜表面，存在以下問題：

1）干擾因素多，光纜較細，柔性度大，外界微小的振動甚至電纜通道內的風、水流均會引起光纜振動，導致系統誤報，長時間誤報，導致系統失效；

2）隱蔽性弱，遇到電纜盜竊，偷盜者可以避開外界的光纜，對電纜單獨實施切割，起不到預警報警的作用；

3）工程實施困難，往往電纜通道內，電纜、光纜等線纜種類繁多，電纜表面增加傳感光纜，勢必會影響到其他線纜的正常運行，甚至導致安全事故，特別在建設好的電纜通道內敷設電纜，可能會導致傳感光纜斷裂，使得系統損壞；

4）運維成本高，光纜敷設在電纜外面，得不到很好的保護，長時間運行，勢必存在光纜斷裂的情況，導致運維工作量增大。

采用全面感知型高壓智能電纜，通過分布式光纖振動傳感技術，可以實現以下功能：

1）對高壓電纜的質量進行自檢，包含高壓電纜導體內部空隙、絕緣擊穿、漏電放電的在線監測。高壓電纜導體內部存在空隙時，絕緣擊穿、漏電放電會形成放電，甚至導致爆炸。放電會形成渦流，發出聲音振動信號，分布式光纖振動傳感技術可以實時采集放電形成的聲音振動信號，發出預警報警，提高電纜使用安全性、可靠性；

2）對全面感知型高壓智能電纜身份智能識別，隨著社會經濟的發展，高壓電纜的數量越來越多，對電纜的運維造成很大的困難，采用全面感知型高壓智能電纜，類似建筑行業的BIM技術，只需要在現場敲擊全面感知型高壓智能電纜，在系統上可以立即跳出此電纜的身份信息，可包括：生產時間、生產廠家、電纜敷設時間、敷設廠家、電纜使用時間、等級、哪向哪回等，甚至可以通過手機APP 的方式進行體現，大大減少運維時間和成本；

3）全線路分布式監測，電纜本身作為分布式產品，點式的傳感器只能監測單點的信號，存在大量的盲區，采用全面感知型高壓智能電纜對整條線路無盲區在線監測，提高電纜的安全性；

4）主動防御，全面感知型高壓智能電纜將被動防御提升為主動防御，若有盜竊者接近電纜，試圖對全面感知型高壓智能電纜進行切割，系統立即預警，并可通過應用層及時報警，若附近存在工程施工，接近全面感知型高壓智能電纜系統立即預警，應用層發出報警，及時阻止或提醒安全施工，保障電纜的安全運行，避免損失。

2.2 全面感知型高壓智能電纜與單模分布式光纖傳感技術

光時域反射技術1977 年由Barnoski 博士發明［2］。時域里，入射光產生后向散射光返回到光纖入射端所需時間為t，激光脈沖在光纖中所走過的路程為2L，2L=vt，v為光在光纖中傳播速度，v=c/n，c為真空中的光速，n 為光纖折射率。在測得時間t 時，就可求得距光源L處的距離。

當泵浦光注入傳感光纖后，當泵浦光功率小于受激閾值時，光纖中的背向自發拉曼散射光功率公式［18］如下：

斯托克斯光功率：

反斯托克斯光功率

式（3）、式（4）中，Pε為入射光功率，Ks、Kas分別為與光纖斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射截面有關的系數；S為光纖的背向散射因子；Vs、Vas分別為斯托克斯和反斯托克斯拉曼光子頻率；a0、as、aas分別為光纖中入射光、斯托克斯和反斯托克斯光的傳輸損耗系數；L為光纖長度。

如圖4，反斯托克斯光強溫度靈敏度高，而斯托克斯光對溫度基本上不敏感。因此實際的溫度變化信息主要由反斯托克斯光攜帶。

圖4 拉曼散射光強隨溫度變化的歸一化曲線Fig.4 The normalized curve of Raman scattered light intensity with temperature

圖5 光纖測溫系統硬件結構圖示Fig.5 Diagram of the hardware structure of the optical fiber temperature measurement system

如圖5所示，計算機控制同步脈沖發生器產生大功率光脈沖；同時向高速數據采集卡提供同步脈沖，使其進入數據采集狀態。光脈沖經過波分復用器的一個端口進入到傳感光纖，并在光纖中各點處產生后向散射光，返回到波分復用器。后向散射光通過薄膜干涉濾光片分別濾出斯托克斯光和反斯托克斯光，并分別進入到光電檢測器和主放大器中進行光電轉換和放大，將信號放大到數據采集卡能夠有效采集的范圍上。此時數據采集卡將傳感光纖各點散射回來的光電信號進行采集和存儲，產生一條光纖溫度曲線，進行累加和平均等數據處理。最終由計算機通過編譯好的軟件進行溫度解調和顯示。

目前，采用多模光纖分布式光纖測溫技術較為成熟，但是多模光纖不能作為常規通信使用，需要單獨在電纜中植入一根多模光纖，降低使用效率。

全面感知型高壓智能電纜采用單模分布式光纖傳感技術，單模光纖既可以作為測溫使用，而且能夠讓通信使用，提高電纜使用效率，并且單模分布式光纖傳感技術監測長度可達到30 km，多模分布式光纖傳感技術監測長度只能夠達到10 km，減少成本，提高經濟效益。

3 全面感知型高壓智能電纜特點

1）對電纜全面感知，支撐泛在電力物聯網具有狀態全面感知的功能；

2）溫度監測長度達30 km，溫度精度±1 ℃，主動防御監測長度達40 km，距離長，精度高，保障電纜運行的安全性、可靠性；

3）自我識別、自我感知，實現真正意義上的智能。

由重慶泰山電纜有限公司和上海霍開光電技術有限公司共同研制的2 km 全面感知型高壓智能電纜在臺灣新竹展開溫度及載流量測試、電纜防盜防開挖測試、電纜爆炸定位報警應用，電纜身份信息識別測試及應用。應用結果如下：

1）全面感知型高壓智能電纜導體芯溫度精度達到±0.5 ℃，大大提高了載流量精度；

2）采用機械挖掘8次，報警8次，準確率為100%；人工挖掘19次，報警18次，準確率為95%；累計準確率為96.3%；

3）機械干擾測試（淺層、輕刮、敲擊）15次，產生預警；人工干擾測試（淺層挖掘）14次，產生預警，總測試誤報率為0；

4）模擬電纜爆炸定位誤差測試13 次，誤差最大7 m，最小0 m，平均定位誤差2.3 m，如表1所示。

在應用測試期間3個月2次正確報警外力施工：磚廠施工、市政污水管施工。

表1 全面感知型高壓智能電纜現場測試數據Table 1 Field test data of comprehensive sensing high voltage smart cable

4 結語

全面感知型高壓智能電纜將全面感知和通信結合在一起，實現對電力電纜自身的質量進行自檢，包含電纜導體內部空隙、絕緣擊穿、漏電放電的在線監測；電纜導體運行的溫度、載流量在線監測電纜身份智能識別；同時電纜自身會對外界對其破壞進行主動防御并且報警。加上現有其他的電纜監測技術：接地電流互感器、局放傳感器，從而從內而外全面感知電力電纜的運行狀態，為電力電纜的安全運行，并為管理部門和人員及時發現環境溫度異常變化、偷盜、破壞事件，進行制止和事故處理，提供有力的技術保障。

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