基于光纜可視化系統(tǒng)的光纜運行狀態(tài)感知技術

倪蘇洋，蔣思珺，葛振宇

國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南通市通州區(qū)供電分公司，江蘇南通，226000

0 引言

基于現(xiàn)階段我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，對電力資源需求逐漸增大，為提升電力輸送效率，在高壓輸電線路日益?zhèn)戎夭捎霉饫|，用于實現(xiàn)電力傳輸和信息通信。但綜合考慮線路所處的環(huán)境，對其運行狀態(tài)會產(chǎn)生諸多影響。為此，相關電力公司應當注重對光纜的運行狀態(tài)實施良好感知和檢測。結合現(xiàn)代科學技術的發(fā)展以及智慧電力的創(chuàng)新趨勢，應當合理運用光纜可視化系統(tǒng)，合理選擇光纜運行狀態(tài)感知技術，以此實現(xiàn)全面監(jiān)測，保證光纜線路能夠安全、可靠運行，充分實現(xiàn)電力傳輸和信息通信等功能，推動電力行業(yè)持續(xù)進步。

1 光纜可視化系統(tǒng)

1.1 前端感應監(jiān)測裝置

在當前光纜可視化系統(tǒng)中，前端感應監(jiān)測裝置是一項重要組成部分，其主要是通過感知層進行傳感器采集數(shù)據(jù)，再利用傳輸層將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)后臺，能夠合理判斷光纜的運行狀況。比如利用距離傳感器借助超聲波信號發(fā)送和接收時刻的時間差與信號在介質中的傳播速度等，實現(xiàn)距離測量，在道路、河流、鐵路、下架空光纜線路上有效監(jiān)測其運行狀態(tài)，起到預防事故的良好作用[1]。

1.2 后臺展示控制系統(tǒng)

當前端感應監(jiān)測裝置采集到數(shù)據(jù)后，可傳輸?shù)胶笈_展示控制系統(tǒng)進行分析和處理，并實現(xiàn)可視化功能。系統(tǒng)管理員可對全部數(shù)據(jù)進行添加、刪除、修改、查詢等功能，并利用圖形顯示溫度、濕度等數(shù)據(jù)，保障其更具有直觀性。通常情況下，后臺展示控制系統(tǒng)的組成包括數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)處理服務器、客戶端以及綜合分析軟件等，統(tǒng)一接收前端感應監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)，并實施大數(shù)據(jù)分析，集中進行可視化展示，同時具有查詢歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)、生成報表、輔助決策等智慧化功能，便于開展光纜資源管理。

1.3 監(jiān)測結果與分析

光纜可視化系統(tǒng)能夠根據(jù)監(jiān)測結果進行分析，實現(xiàn)光纜運行狀態(tài)的綜合監(jiān)測。其主要是將前端監(jiān)測裝置固定安裝在桿塔之間光纜的弧垂處，使其與地面保持垂直，有利于對光纜的對地距離、溫濕度、傾斜等運行狀態(tài)進行實時的智能化監(jiān)測、預警與分析決策，并在后臺顯示器中直觀展示光纜運行狀態(tài)，有利于管理人員掌握光纜運行效果，避免發(fā)生故障問題，確保電力光纜運行具有穩(wěn)定性和安全性。

2 光纜運行狀態(tài)監(jiān)測方法

2.1 點式靜態(tài)參數(shù)監(jiān)測

隨著當前在電力輸電線路中對光纜線路的使用越來越頻繁，為保障其運行狀態(tài)良好，采用相應的光纜可視化系統(tǒng)實施監(jiān)測。在實踐過程中，利用狀態(tài)感知技術主要是對光纜線路采取點式靜態(tài)參數(shù)監(jiān)測方法，即是在前端監(jiān)測裝置中利用光纖光柵傳感器。通過對各類參數(shù)進行整合，借助特殊的精密轉化結構監(jiān)測反射波長，能夠有效獲取溫度和光纖廣深應變變化情況，并且通過不同傳感器來改變傾角狀態(tài)與反算拉力參數(shù)。比如當電力光纜線路出現(xiàn)覆冰狀態(tài)時，以往的監(jiān)測傳感器在采集數(shù)據(jù)的過程中，存在易飽和與動態(tài)范圍狹小的現(xiàn)象，無法準確監(jiān)測光纜運行狀態(tài)。而利用點式靜態(tài)參數(shù)監(jiān)測方法，則能夠在架空光纜覆冰量增加的情況下自動開展監(jiān)測，通過利用慣性傳感器精準收集相應的數(shù)據(jù)信息。通過真實場景模擬輸電線路覆冰檢測實驗，可對熟悉電線路從最初的無覆冰到覆冰狀態(tài)最后到熔化全程進行監(jiān)測，通過試驗結果分析，點式光纖維覆冰檢測的誤差均處于2mm以下，充分展現(xiàn)出點式光纖維傳感器在覆冰電力光纜線路監(jiān)測中的作用，準確度較高[2]。

另外一方面，點式靜態(tài)參數(shù)監(jiān)測能夠對光纜線路實施絕緣子污穢監(jiān)測，其一般是基于污穢對光傳輸路徑折射率改變完成傳感。在光纜可視化系統(tǒng)的支持下，利用光強污穢檢測傳感器可有效監(jiān)測線路運行狀態(tài)，比如對其傳感元件選擇為石英玻璃，當有污穢物質散落到石英玻璃中，就會導致石英玻璃的折射率發(fā)生改變，影響光在石英玻璃上的傳輸強度，借助反推污穢方法能夠獲取現(xiàn)場光纜線路情況。當絕緣子光纖光柵監(jiān)測方法應用在實踐中時，能夠對光纜線路運行狀態(tài)監(jiān)測發(fā)揮良好效果，比如在我國10kV輸電線路中，對光纜線路進行絕緣子表面檢測，通過黏附溫度補償光纖和應力光纖，再利用不同濃度的硝酸開展絕緣子腐蝕度測試，能夠獲得復合絕緣子脆斷、起裂以及嚴重裂縫等監(jiān)測閾值，有利于為光纜線路運行提供高效的運行狀態(tài)監(jiān)測和故障預警功能。

2.2 分布式溫度和結構靜態(tài)的參數(shù)監(jiān)測

利用光纜可視化系統(tǒng)時，對光纜運行狀態(tài)實施監(jiān)測，可利用分布式傳感器，其可達到長距離的無緣監(jiān)測，有效應對復雜環(huán)境下的電力光纜線路運行狀態(tài)檢測，并具備較強的抗干擾能力和容忍度，對線路健康監(jiān)測應用效果較好。尤其在當前新時代下，我國在電力光纜線路中，主要采用光纖復合架空線路、復合相線等，為保障線路運行具有可靠性，應當加強對各項運行參數(shù)的監(jiān)測，借助可視化優(yōu)勢實現(xiàn)光纖資源的科學管理。在實踐環(huán)節(jié)中，將分布式傳感器設置在系統(tǒng)前端監(jiān)測結構中，利用富余的光纖作為傳感光纖，有利于減少監(jiān)測設備的投入成本，在我國光纜線路鋪設規(guī)模日益擴大的形勢下，分布式傳感器監(jiān)測方法具有較好的適應性。同時分布式光纖傳感器具有全線監(jiān)測功能，保證前端數(shù)據(jù)采集的完整性，基于后臺可視化系統(tǒng)輔助管理決策。另外，現(xiàn)階段在光纜線路運行狀態(tài)感知監(jiān)測中，對傳感器的動態(tài)監(jiān)測精度要求持續(xù)提高，利用分布式傳感器進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過系統(tǒng)處理后，可視化分辨率不超過100m，有利于精準定位光纜線路[3]。在實際的電力光纜線路運行狀態(tài)檢測中，利用分布式結構進行參數(shù)檢測，主要原理是利用布里淵散射信號完成通信光纖應變和溫度的參數(shù)測量，了解輸電線路的溫度狀態(tài)、覆冰狀態(tài)以及弧垂狀態(tài)，從而及時做出動態(tài)增容或融冰處理手段。

2.3 輸電線路舞動狀態(tài)檢測

由于電力架空光纜在運行過程中可能出現(xiàn)舞動狀態(tài)，很容易引發(fā)線路短路和電力跳閘等風險，甚至會造成電力桿塔螺栓松動、強度下降或自損壞等現(xiàn)象，嚴重的還會出現(xiàn)倒塌事故。為此應當利用可視化系統(tǒng)加強對線路的運行狀態(tài)監(jiān)測，盡可能避免出現(xiàn)各種不良事故。不過與線路覆冰狀態(tài)監(jiān)測相比，舞動狀態(tài)的頻率參數(shù)相對較高，在檢測過程中也能夠得到良好的響應，因此在監(jiān)測過程中，光纖傳感器的頻率不小于3Hz即可。在實踐中為更好的實現(xiàn)光纜運行狀態(tài)感知，主要是利用FBG拉力傳感器，以此完成線路舞動狀態(tài)檢測，其相比于以往的傳感器檢測具有良好的動態(tài)頻率相應效果。在操作環(huán)節(jié)，相關人員可將FBG應變傳感器設置在監(jiān)測線路桿塔上，感知架空線路桿塔的應力改變來完成線路舞動情況監(jiān)測。這種監(jiān)測方式的主要特點在于可以直觀地掌握線路舞動情況，但盡可能進行準分布式測量，無法大范圍地獲取電力線路舞動情況。為了有效監(jiān)測遠距離電力架空光纜線路的分布式舞動狀態(tài)，可引入敏感時域反射技術，通過處理算法對架空線路舞動情況進行檢測，但是在實際應用中由于偏振狀態(tài)影響因素較多，在遠距離的架空線路傳輸時，也容易受到外部因素帶來的干擾，降低線路的可靠性，在未來發(fā)展階段中，仍需進一步開展研究，解決當前存在的不足和缺陷[4]。

3 基于光纜可視化系統(tǒng)的電力光纜運行狀態(tài)感知技術應用

3.1 環(huán)境溫度監(jiān)測

利用光纜可視化系統(tǒng)進行光纜運行狀態(tài)感知技術應用，主要是利用光纖分布式傳感器進行溫度監(jiān)測，其原理主要是通過拉曼光時域反射和布里淵時域反射原理，能夠完成電力光纜線路溫度監(jiān)測任務，通過在線狀態(tài)監(jiān)測可有效進行運行狀態(tài)管理，有利于取得良好應用效果。例如在陸地光纜線路的運行狀態(tài)監(jiān)測中，可通過在線路表面敷設光纖，并且將其置于金屬保護套內，通過光纖測溫結果來推算出線路溫度狀態(tài)。而高壓輸電線路中對光纜的溫度監(jiān)測，主要是利用BOTDR技術，通過1kV三項光纖復合配電來和光纖通信分布式溫度進行測量，傳感器的距離達到1km，被測電纜的長度也要求滿足100m距離要求，監(jiān)測電纜線路和光纖溫差0.018℃。如果線路電壓等級較高，則光纖和導體溫度也會相應增大，在溫度的推導過程中也存在一定難度，通過運用分布式傳感器能夠直接對導體溫度實時測量，即是將溫度傳感器植入高壓輸電線路的導體內部，直接測量導體溫度，并傳輸?shù)胶笈_進行可視化現(xiàn)實，進一步提高光纜運行狀態(tài)監(jiān)測的可靠性。再比如對于海底光纜線路的溫度監(jiān)測，應當綜合考慮其鋪設特點，如線路較長、環(huán)境較為特殊等，所以其內部集成的光纖一般采用單模光纖，在進行海底光纜溫度監(jiān)測時，運用光纜運行狀態(tài)感知技術，需要發(fā)揮出光纖較大的散射強度，例如利用BOTDE技術對海底線路的應變和溫度開展同步檢測，設置分布式監(jiān)測系統(tǒng)，分別對布里淵頻移和功率進行測量，完成應變和溫度分離，并直觀顯示在后臺控制系統(tǒng)，為相應管理人員提供監(jiān)測數(shù)據(jù)，有效開展維護及管理工作[5]。

3.2 入侵以及破壞監(jiān)測

近年來，光纜在高壓輸電線路中得到較為廣泛的應用，在其運行過程中很容易遭受外部入侵或破壞，對線路的運行安全造成嚴重的影響。為保障光纜發(fā)揮正常功能和作用，應當積極運用光纜運行狀態(tài)感知監(jiān)測技術，基于可視化系統(tǒng)進行有效的安全管控。通常情況下，可設置光纜線路破壞監(jiān)測系統(tǒng)，其主要是利用-OTDR技術來完成線路振動信號的監(jiān)測。由于線路外部入侵造成的光纜振動頻率一般都會達到100Hz～1000Hz左右，因此通過高壓入侵和輸電線路破壞監(jiān)測傳感技術，保證振動頻率監(jiān)測處于該頻率范圍內。在實踐應用過程中，將-OTDR技術運用到海底電纜的機械擾動監(jiān)測中，能夠通過對光纖復合輸電線路與58.6m光纖有效銜接，完成水下傳感性能和聲學特性模擬，可以滿足20m的1.7kHz信號精確定位，表示常規(guī)光纜監(jiān)測振動信號具有良好的可行性，即是利用-OTDR技術在海底輸電線路振動監(jiān)測過程中，運用光纜運行狀態(tài)感知監(jiān)測技術對線路拖曳以及船只落錨造成的損傷現(xiàn)象進行模擬，可以準確評估線路振動參數(shù)，并且在后臺控制系統(tǒng)中完成初步故障判斷[6]。同時，也可利用內嵌式光纖技術進行海底光纜線路振動監(jiān)測，有利于借助可視化系統(tǒng)呈現(xiàn)線路的動態(tài)應變情況。這是由于內嵌光纖監(jiān)測系統(tǒng)能夠進行所有光纜位置的應變程度進行量化，并滿足10km的高分辨率識別效果。利用該系統(tǒng)進行測量時能夠充分突出光纜的張力特點，監(jiān)測船只拋錨等狀態(tài)，確定海底光纜線路的損害情況。除此之外，在光纜運行狀態(tài)感知監(jiān)測中，通過分布式光纖傳感器的全面運用，借助傳感器中的瑞利散射信號改變能夠準確評估輸電線路振動情況，采集真實的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在直觀化顯示下有效處理各項故障問題?，F(xiàn)階段，分布式聲波傳感技術的出現(xiàn)，也逐步為振動傳感技術提供新的支持，其是基于-OTDR技術衍生出來的，在DVS基礎上完成散射相位調節(jié)，通過線路定位振動完成波形還原，為光纜線路的破壞定位與識別提供可靠支持。

3.3 局放監(jiān)測

在高壓輸電線路的長期運行下，容易存在局部絕緣故障問題，從而造成該部位放電事故，對光纜運行狀態(tài)產(chǎn)生嚴重影響。為此，在實施監(jiān)測過程中，可結合光纖穿管技術與可視化系統(tǒng)，有效開展局放監(jiān)測。在具體實施環(huán)節(jié)，主要是采用分布式傳感監(jiān)測和點式傳感監(jiān)測技術。一般情況下，將局放信號作為傳感參量，測量赫茲處于超聲頻段。應用點式光纖傳感技術時，通常利用光纖光柵傳感器以及干涉式傳感器完成線路局放監(jiān)測。比如在光纖光柵傳感工作中，可采用聚氨酯樹脂材料對傳感器進行密封，沿著局放信號和試驗品內部方向進行監(jiān)測，在聚氨酯樹脂材料的作用下，可以充分發(fā)揮延伸特性，使傳感器諧振頻率減小。另外，可采用聚苯硫脒材料對FBG傳感器進行密封，可以獲取XLPE內300PC的線路局放信息。而在干涉式傳感器的應用中，強調利用長尾光纖直線干涉儀器進行高壓輸電線路定位系統(tǒng)和放電監(jiān)測，采取光纖傳感臂和高壓電能轉換器來模擬超聲波放電信號，能夠獲取6kHz的聲信號，進而獲取光纜的運行狀態(tài)信息。此外，通過構建Michelson干涉儀的光纖超聲傳感系統(tǒng)，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)單模光纖的超聲傳感效果，對局部放電檢測起到良好的模擬效果。分布式傳感器在輸電線路局放監(jiān)測中，主要可以利用COTDE技術相干光時域反射對輸電線路接頭進行監(jiān)測。傳感器接頭采用光纖聲學傳感技術，雖然分布式傳感系統(tǒng)在測量過程中受到結構限制，但是利用隨機正交解調技術可以有效調節(jié)出局放信號，達到良好的監(jiān)測效果。

4 結語

綜上所述，隨著我國電力事業(yè)的不斷發(fā)展，對電力光纜運行安全提出了較高的要求，為了保障線路穩(wěn)定運行，必須積極發(fā)揮可視化系統(tǒng)的應用優(yōu)勢，合理運用光纜運行狀態(tài)感知監(jiān)測技術，針對不同環(huán)境下的光纜線路開展高效、直觀的監(jiān)測，獲取準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，輔助相關人員對線路實施管理，最大限度地避免發(fā)生故障問題。因此，在實踐中可針對高壓輸電線路、架空線路、海底線路中的光纜進行實時監(jiān)測，利用可視化系統(tǒng)與狀態(tài)感知技術，針對絕緣缺陷、外部入侵或破壞、局放問題等實施全面監(jiān)測，促使光纜線路穩(wěn)定運行，進一步提升電力發(fā)展質量，推動現(xiàn)代電力事業(yè)的健康發(fā)展。