基于全光纖傳感技術的電纜漏電實時監測定位系統

陳子涵，宋耀華，彭毅，皮昊書，時亨通，邱方馳

（1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2.廣東復安科技發展有限公司，廣東 東莞 523000）

電能輸送通常指調度中心根據各地區用電量的多少對電能進行調配，根據傳輸方式的不同，大致可以劃分為架空線纜輸電和電纜溝敷設電纜輸電。對于一些緊靠建筑物的架空線而言，這些問題都會給居民的生命和財產安全帶來極大的安全隱患。通過電纜溝敷設電纜，其鋪設的工期短、后期維護費用低，外界環境因素對其造成的影響小，并且具有走向靈活且能容納較多電纜等優點，因此，電纜溝敷設已成為電力傳輸的主要方式。

在電力輸送方式上，電纜溝輸電要優于架空線，但是，隨著電纜溝內電纜數量的增多，面臨的安全問題逐漸凸顯。例如，溝內大多為密閉環境，通風不好，因此，其溫度容易積壓，長時間積壓易引起火災；電纜溝內部環境復雜，存在大量積水以及有毒氣體等，會給電力施工和檢修人員的人身安全產生不利影響。電纜溝內電纜不僅承擔電能傳輸的作用，同時，還承擔通信和繼電保護等功能。電纜溝的安全問題事關重大，如果出現問題，將會給配電部門及相關用戶造成巨大的損失。為了能讓相關人員隨時監測電纜溝內部環境狀態，及時發現問題，做到及時發現及時處理，因此，對電纜溝的實時監測具有非常重要的意義。

基于此，筆者設計了一套實時監測定位系統，以實現對電纜溝內電纜實時監測。該系統由兩個薩格納克光纖干涉儀組成，并使用3×3耦合器解調，通過時延估計算法對兩個干涉儀的相位差進行數學運算，構造兩個高度相似的復合信號。這兩個信號在時域上僅僅具有固定的時延差，通過對其做互相關便可以實現定位。

1 檢測定位系統設計

1.1 系統設計

設計的電纜溝安全監測實時定位系統結構框圖如圖1所示。其中，光源采用的是寬帶光源；隔離器的作用是防止反射光進入光源，影響其工作狀態并起到保護光源的作用；耦合器1是一個3×3的光纖耦合器，其分光比為1:1:1；延遲線圈1和延遲線圈2都是延遲光纖；耦合器2是一個2×1的光纖耦合器，用于將分開的光再耦合起來傳輸；波分復用器的作用是將光分成2個波段的光分開或者合并；法拉第旋轉鏡用于將光反射，并且可以保持其偏振態穩定。探測器將探測到的光信號轉換為電信號，采集卡將模擬信號轉化為數字信號輸出給工控機，最后，在工控機上進行數據分析處理。

圖1中存在2個薩格納克干涉儀，其中，對于波長λ1的干涉儀來說，存在下列路徑：

（1）1→2→3→4→5→6→7→8→9→10→11→10→9→8→7→6→5→14→15

（2）15→14→5→6→7→8→9→10→11→10→9→8→7→6→5→4→3→2→1

對于波長λ2的干涉儀來說存在下列路徑：

（3）1→2→3→4→5→6→7→12→13→12→7→6→5→1 4→15

（4）15→14→5→6→7→12→13→12→7→6→5→4→3→2→1

λ1的光沿著路徑（1）和（2）傳播時，將于耦合器1處發生干涉；同理，λ2的光沿著路徑（3）和（4）傳播時，也將于耦合器1處發生干涉。波分復用器再將光分解成λ1和λ2，并分別被4路探測器探測。我們提出的新型漏電監測定位系統分為前端和后端，中間只用一根光纖作為傳感光纖，其體積非常小，可以隨電纜一起封裝。

1.2 定位原理分析

假設圖1中的位置6處發生了漏電，那么，漏電產生的超聲波將對光纖產生“光彈效應”，由此對光纖中的信號光進行相位調制，因此，由4路探測器獲取的信號可以表示為：

圖1 系統結構框圖

在定位系統中，使用波分復用技術形成的兩個薩格納克干涉儀，由漏電引起的相位差可以分別被表示為：

式中，c是真空中的光速，Ld為延遲光纖的長度，Lx為漏電處距離法拉第旋轉鏡的距離，是由漏電引起的相位變化，為簡單起見，忽略了連接光纖的長度。

圖2 時延估計算法框圖

對比公式（7）和公式（8）可知，?φ1(t)和?φ2(t)在時域上的表現是一樣的，僅僅存在一個時間延遲Δτ=2n·Lx/c，對?φ1(t)和?φ2(t)做互相關，相關函數可表示為：

通過搜索R(t)的峰值，根據其最大值偏離中心點的位置，便可以獲得時間延遲Δτ的值，漏電距離Lx可以通過以下公式獲得：

2 實驗結果及分析

2.1 漏電位置定位

在前面理論研究和公式推導的基礎上，該定位系統的可行性已經得到證明，然后，我們按照框圖1搭建了該定位系統。光源的中心波長為1550nm，波長范圍為1510～1590nm；波分復用器的透射端通過波長為1520～1540nm的光，反射端反射1545～1565nm的光；延遲光纖的長度為10km；采集卡的采樣頻率為500K/s，使用LabVIEW程序實現信號處理和分析。

當線路中的電纜有破損時，破損處將伴隨高壓放電，產生的超聲波對傳感光纖有調制作用。通過探測器獲取干涉信號，再通過時延估計算法計算得到的結果如圖3所示。

圖3 時延估計算法的計算結果

圖4 現場實際受損光纜

對實際線路進行巡檢，發現該處電纜確實異常，現場實際漏電電纜如圖4所示。從圖中可以看出，電纜溝內電纜已經破損，且伴隨著漏電發出“嗒嗒嗒”的響聲。

2.2 軟件可視化表現

LabVIEW是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程軟件，主要應用于仿真、工業化測試和自動化控制等領域。本系統的可視化操作界面使用LabVIEW編寫，并記錄漏電時間和位置等信息，然后，將報警信號推送給客戶。軟件界面如圖5（a）所示。

根據軟件記錄的電纜漏電位置，取30組數據作圖，得到的結果如圖5（b）所示。從圖中可以看出，本系統計算得到的漏電位置是有浮動的，但其最大的定位誤差在40m內。因此，本文設計的電纜漏電實時監測定位系統具有很高的穩定性，并且定位準確，具有實際的應用價值。

圖5 軟件界面與系統穩定性

3 結語

本文基于分布式光纖傳感技術并結合時延估計算法設計了一套全光纖電纜實時監測定位系統。該系統使用兩個薩格納克光纖干涉儀檢測不同波長的干涉信號，并使用一個3×3耦合器解調時變相位變化，通過時延估計算法對光纜異常位置進行定位。使用LabVIEW編寫了一套可視化操作界面，實現了對電纜的實時監測，并對漏電位置進行定位，定位誤差在40m內。