基于陣列式FBG的電纜護層環(huán)流監(jiān)測系統(tǒng)

林 陽，王 耀，閻嫦玲，羅蘇南，潘仁秋

（南京南瑞繼保工程技術有限公司，南京 211102）

0 引言

高壓電纜具有安全、可靠，幾乎不占用地面空間等優(yōu)點，已被廣泛地使用在現(xiàn)代化大中城市的繁華市區(qū)，電纜隧道的建設規(guī)模及長度不斷增加。

然而，高壓電力電纜可能存在設計、制造、施工缺陷，且長期處于地下隧道內，環(huán)境電磁干擾強、濕度高、易浸水、監(jiān)控困難，運行過程中易受到環(huán)境電、熱、化學因素的干擾，導致電力電纜中絕緣缺陷的產(chǎn)生和惡化，進而導致絕緣擊穿、起火、斷裂等故障，從而引發(fā)更大范圍的事故。

電力電纜外護層具有保護和絕緣作用，其完整性和可靠性是電纜安全運行的保障[1]，而根據(jù)電網(wǎng)公司的運行規(guī)范和檢修經(jīng)驗，電力電纜的護層環(huán)流是表征電纜故障的重要指標[2-6]，因此實現(xiàn)電纜護層環(huán)流的可靠監(jiān)測，對于實時掌握電纜健康狀況，及時發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷，保障電纜安全穩(wěn)定運行意義重大。

1 電纜護層環(huán)流實時監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀

高壓電纜正常運行時，如果有電流流過，會在電纜金屬護層中感應出電壓。為了保證運行安全，同時抑制電纜護層接地環(huán)流，電纜金屬護層一般采用單端接地或交叉互聯(lián)的方法進行接地。當電纜的絕緣狀態(tài)良好時，護層環(huán)流接近于零。但是當絕緣護層老化或破損導致金屬護層發(fā)生多點接地時，接地環(huán)流會大幅增加，如不及時處理，將會對電纜的長期壽命和短時運行安全造成極大的影響。因此，監(jiān)測電纜護層的接地環(huán)流不僅可以監(jiān)測電力電纜金屬護層自身的狀態(tài)，也可以監(jiān)測主絕緣的品質狀態(tài)和高壓電力電纜的其他故障。

目前，管廊常用的護層電纜監(jiān)測系統(tǒng)主要由護層環(huán)流互感器、電流采集裝置和綜合監(jiān)控主機組成，如圖1所示。電纜接頭處配置三相接地電流互感器（部分管廊另配置N相互感器），互感器輸出信號由電流采集器采集并通過光纖環(huán)網(wǎng)發(fā)送至監(jiān)控主機，綜合監(jiān)控主機對接收到的護層接地環(huán)流信息進行故障分析和故障報警[7]。

以上的護層環(huán)流監(jiān)測系統(tǒng)已有較大范圍的應用，但是工程設計和運行過程中，發(fā)現(xiàn)管廊內裝置的供電問題較為多見。護層環(huán)流采集器為有源裝置，需考慮供電電源問題。很多管廊尤其是較早期管廊內動力電源配置不足，且采集器電源引線過長的話會造成終端電壓降低，影響護層采集器正常工作；一些電源線纜敷設不方便的特殊區(qū)域要求裝置支持低電壓供電，對裝置功耗要求嚴苛；部分管廊不具備供電條件，需采用線圈取能方式或配置電池，但線圈取能存在工作死區(qū)，當電纜上運行電流較小時會失效，電池則容量有限，需要定時更換，運維難度較大。

2 FBG陣列式電纜護層環(huán)流監(jiān)測系統(tǒng)方案

2.1 總體方案

為了適應電力管廊供電困難的現(xiàn)狀，本文提出了基于陣列式光纖光柵傳感器（FBG）的準分布式護層環(huán)流監(jiān)測系統(tǒng)方案，系統(tǒng)架構如圖2。系統(tǒng)主要包括電流互感器、光纖布拉格光柵（FBG）傳感器、傳輸光纜和護層環(huán)流主機，電流互感器安裝于高壓電纜護層接地線上測量接地電流；FBG接收互感器輸出信號并轉換為特定波長的光信號；傳輸光纜為單模鎧裝光纜，連接各FBG并將其光信號輸送至二次設備室的護層環(huán)流主機；護層環(huán)流主機解析接收到的FBG傳感信號，計算護層接地電流信息，并實現(xiàn)人機交互、數(shù)據(jù)存儲、故障分析和故障報警等功能，完成管廊電纜護層環(huán)流監(jiān)測及告警。

2.2 光纖布拉格光柵（FBG）傳感器

光纖布拉格光柵（Fibre Bragg Grating，F(xiàn)BG）是在單模光纖的纖芯內刻制光柵，通過光柵間的距離變化感知溫度、形變、應力等外界物理作用，從而對其反射波長進行周期性的調制而形成的一種全光纖器件。FBG好像一個窄帶的反光鏡，當一束光送進FBG時，根據(jù)光柵理論，在光波長滿足Bragg條件的情況下，就會發(fā)生全反射，F(xiàn)BG只反射一個波長而透射其余的波長，被反射的波長稱為Bragg波長，因此反射光譜在Bragg波長處出現(xiàn)峰值，如圖3。光柵受到外部物理場（如應力、應變溫度等）的作用時，其柵距隨之發(fā)生變化，從而改變了反射光的波長，檢測反射光的波長變化即可確定待測部位相應物理量的變化[8，9]。

圖3 FBG傳感原理Fig.3 FBG sensing principle

由于FBG只對波長敏感，傳感系統(tǒng)的光強損失不影響檢測結果，因而可實現(xiàn)長距離監(jiān)測及長期監(jiān)測，并可在一路光纖上實現(xiàn)FBG陣列排布的準分布式多點測量。光纖布拉格光纖傳感器陣列具有靈敏度高、頻帶寬、體積小、抗電磁干擾能力強、布置靈活等優(yōu)點，適合用于管廊內的監(jiān)測需求。

用于電纜護層環(huán)流監(jiān)測的FBG傳感系統(tǒng)如圖4，每相接地線配置一套護層環(huán)流互感器及FBG傳感器。環(huán)流互感器采集接地線上的接地電流，其輸出轉換為電壓后分別施加在磁致伸縮材料的陽極和陰極上。磁致伸縮材料粘貼在FBG上，受陽極及陰極的電壓差影響產(chǎn)生伸縮變化，使緊貼的FBG產(chǎn)生對應形變，從而對反射光的波長實現(xiàn)周期性調制。

圖4 FBG護層環(huán)流傳感系統(tǒng)Fig.4 The composition of the FBG shield circulation sensing system

經(jīng)電流互感器和磁致伸縮材料轉換后，在線性工作范圍內，磁致伸縮材料的應變與被測護層環(huán)流I的關系可表示為

其中：ε為磁致伸縮材料的應變，k1為曲線斜率，與磁致伸縮材料的磁致特性相關；α為電流到磁場的轉化率，與電流互感器、轉換電阻R的選取相關。

FBG中心波長的變化可表示為

其中：Pe為光柵的彈光系數(shù)，λ0為光柵的中心波長。當I為正弦波形時，F(xiàn)BG中心波長也隨之產(chǎn)生周期性的波長變化。

各相的FBG傳感器由傳輸光纜串接在一起，接入護層環(huán)流監(jiān)測主機。各FBG傳感器分別工作在不同的中心波長，其工作波段互不重疊，且都落在護層監(jiān)測主機寬帶光源的光譜帶內[10]。通過多段電纜接頭處的FBG陣列，可用一臺護層監(jiān)測主機實現(xiàn)高壓電纜全程各測點的護層環(huán)流實時監(jiān)測。

FBG傳感器安裝在管廊中，環(huán)境潮濕且有浸水風險，因此需配置高防護等級箱體。高防護箱體為全封閉一體化結構，采用鑄鋁金屬材料，具有很好的電磁屏蔽作用，與外部接口采用防水接頭，防護等級達到IP68，整體具有防塵、防水和抗電磁干擾功能，保證了FBG傳感器在電纜隧道復雜的運行環(huán)境中可靠運行。

2.3 護層環(huán)流監(jiān)測主機

護層環(huán)流監(jiān)測主機需滿足FBG陣列的光源提供及解調計算需求，同時需具備故障電流判定、數(shù)據(jù)通信、時鐘同步、人機接口等功能，本文對護層環(huán)流監(jiān)測主機的硬件部分進行詳細的設計，采用模塊化的設計理念實現(xiàn)電流采集裝置的各功能單元，具體如圖5。

圖5 護層環(huán)流監(jiān)測主機設計方案Fig.5 Design scheme of protective layer circulation monitoring host

護層環(huán)流監(jiān)測主機的功能模塊主要包括電源轉換模塊、CPU模塊、光路系統(tǒng)及人機接口，其中CPU模塊具備光源控制、解調計算、電流數(shù)據(jù)處理、時鐘同步及數(shù)據(jù)通信等功能，光路系統(tǒng)包含了光源、濾波器等光學器件，兩者配合實現(xiàn)光源控制、光信號探測及信號解調等功能。人機接口含鍵盤、液晶等器件，數(shù)據(jù)輸入DSP，可實現(xiàn)裝置系統(tǒng)操作、信息查看及定值修改等功能。

CPU模塊內含F(xiàn)PGA、DSP、A/D和D/A轉換電路、通信模組和時鐘同步模組等。FPGA完成光源控制、解調計算、電流數(shù)據(jù)處理等需高速處理的功能；DSP實現(xiàn)系統(tǒng)管理、時鐘管理、通信管理、人機交互等功能；A/D、D/A轉換電路與光路系統(tǒng)連接，將輸入的模擬信號轉換為數(shù)字信號并傳輸給DSP核進行數(shù)據(jù)處理，將DSP輸出的數(shù)字控制信號轉換為模擬信號施加到光路系統(tǒng)的光源、濾波器上。通信模組受DSP控制，實現(xiàn)與綜合監(jiān)控主機或其它必要設備的通信，支持IEC61850、IEC103、modbus-tcp等主流電力通信規(guī)約。時鐘對時模組支持網(wǎng)絡對時，可接收北斗或GPS對時信號，為裝置的故障分析提供準確的時間參照。

監(jiān)測主機的核心是光源及解調系統(tǒng)，其結構如圖6。光源控制電路控制寬帶光源發(fā)射寬譜光，經(jīng)光隔離器、耦合器、傳輸光纜后注入FBG陣列，在各FBG傳感器處產(chǎn)生波長選擇反射，反射后的光信號經(jīng)耦合器引導至可調F-P濾波器，濾波后的光信號由光探測器采集后傳輸至解調電路；解調電子電路控制濾波器的掃描電壓，并結合掃描電壓與探測光信號進行解調處理，計算出被測電流，經(jīng)電流數(shù)據(jù)處理后輸出電纜故障告警信號。

圖6 光路及解調系統(tǒng)設計Fig.6 Design of optical system and demodulation system

護層環(huán)流監(jiān)測主機中，所有FBG共用同一個光源，為支持更多的FBG傳感器組成陣列，光源采用寬帶光源，可考慮采用超輻射發(fā)光二極管（SLED），其3dB光譜寬度可超過45nm，單個FBG傳感器的波長變化范圍基本小于0.5nm，考慮一定的光譜重疊裕量，一個SLED光源可支持50個以上的FBG傳感器組成陣列；為進一度拓寬光源光譜，可采用數(shù)個SLED光源并行工作模式，波長高低搭配的3個SLED光源組合使用后，可輸出光滑譜寬＞90nm的寬譜光，支持100個以上的FBG傳感器陣列。

為檢測各FBG返回的不同波長反射光，光路系統(tǒng)中配置可調諧窄帶光纖F-P濾波器[11，12]。通過電控壓電陶瓷改變F-P腔的腔長來調節(jié)濾波器的導通頻帶（即反射光的透射波峰），在調諧控制信號作用下，F(xiàn)-P濾波器的導通頻帶掃描整個光柵反射光光譜。當可調F-P濾波器的透射波峰與傳感光柵的反射波峰重合時，濾波器的透射光強最大，結合光探測器采集到的透射光強度與掃描電壓可以解調出對應FBG處的反射光波長，進而計算出被測電流。在可調F-P濾波器的每個掃描周期內，所有FBG傳感器的Bragg波長能導到快速測定。可調諧F-P濾波法適用于陣列式測量，具有較寬的調諧范圍和光能利用率，實現(xiàn)較高的分辨率和測量精度，可大大提高測量范圍和FBG傳感器的復用個數(shù)。

對于部分長度不長，但是需監(jiān)測電纜較多的管廊，可以在耦合器后配置光開關，光路系統(tǒng)如圖7。常用的光開關的最快切換時間約1ms～10ms，部分高性能開關可實現(xiàn)ns級切換，通過光開關的周期性切換，光路系統(tǒng)可并接多路電纜上的FBG陣列，實現(xiàn)多通道測量。

圖7 多通道光路系統(tǒng)設計Fig.7 Design of multichannel optical system

監(jiān)測主機支持環(huán)流越限、環(huán)流變化值、接地環(huán)流與線路電流比值越限等多種電纜故障判據(jù)，多角度實現(xiàn)電纜故障判定及告警；因不同地區(qū)、電壓等級對于護層環(huán)流的故障判定需求存在差異，裝置設有可自定義的報警定值，實現(xiàn)故障的自定義數(shù)學、邏輯判定，便于判定復雜電纜故障。

3 結論

電力電纜護層環(huán)流監(jiān)測的重要性已日益提高，但是電力管廊中供電困難的現(xiàn)狀限制了有源監(jiān)測系統(tǒng)的應用。本文設計了一種新型基于光纖布拉格光柵（FBG）陣列的無源護層環(huán)流監(jiān)測系統(tǒng)，采用FBG傳感器采集電纜護層環(huán)流，無需供電，靈敏度高，可完全滿足電力管廊內的環(huán)境和功能需求，具有廣泛的推廣應用價值。

FBG傳感器具有體積小、動態(tài)范圍大、可靠性高等優(yōu)點，且適用范圍廣泛，除可測量護層環(huán)流以外，還可適用于管廊溫度、應力以及振動等物理量的監(jiān)測，本文所設計的監(jiān)測系統(tǒng)可根據(jù)工程需求進行擴展，滿足不同環(huán)境量監(jiān)測的需求。