基于分布式振動傳感的智能光纖監測方案設計

涂超, 王繼儀, 張麗文

(國網甘肅省電力公司酒泉供電公司, 甘肅, 酒泉 735000)

0 引言

大型供電系統[1]的安全運行對社會發展起到重要推動作用。然而,由于電纜故障[2]導致電力生產損失已成為該行業面臨的一個重要問題。其中,有些故障主要由于在安裝階段電纜可能出現過度彎曲或過度拉伸時遭到損壞造成。此外,還有一些故障主要在后期運行時由于人為或自然災害導致電纜受沖擊,從而造成一定量機械損傷。為此,無論從經濟角度,還是電力運行安全保障要求等方面,研究電纜安防與保護方案已迫在眉睫。

隨著網絡、大數據、物聯網、通信等技術[3-4]不斷發展,可建立智能電纜檢測系統,從而大幅度提高電纜系統的可靠性。其中,一種主要思路是通過模型方法實現電纜故障檢測。文獻[5]提出了基于不充分知識下的電纜故障檢測與診斷方法。該方法分別從電纜類型、電纜結構、電纜參數、傳播特性等方面構建電纜分布結構模型,從而實現電纜故障檢測與診斷。文獻[6]提出了基于數據驅動及無監督分析的電纜故障檢測與診斷方法。該方法通過重采樣采集電纜工作原始數據,利用數據驅動技術構建特征參數儲備池,計算原數據的特征貢獻率,從而診斷電纜故障類型。然而,模型方法存在計算復雜,復雜條件下如海底、深山等復雜地形適用性較低。隨著分布式振動傳感器(DVS)的不斷發展,有大量學者將其引入電纜監測領域。文獻[7]基于壓電傳感器研制了無線分布式的電纜外力擾動智能傳感器。同時,對該傳感器數據處理、低功耗電源管理、取能單元以及物聯網通信方法進行了分析。文獻[8]提出了一種基于相位敏感的光時域反射儀技術的光纖分布式振動傳感器系統?；贒VS的電纜監測方案可靠性高,然而設計復雜,且成本較高。

為了改善傳統DVS系統設計復雜以及成本較高的缺陷,本文設計了基于瑞利散射的DVS評估方案,并使用光纖干涉儀監測嵌入式光纖的三芯交流電纜的機械應力,為智能光纖安防與監測提供一定借鑒思路。

1 理論分析

為了評估沿光纖方向的應變分布,本文使用基于相位的光時域反射技術[9-10](φ-OTDR)分析來自光纖截面的后向散射光的相位,并用來測量光纖任何給定截面處的應變程度。如圖1所示,為了評估長度為L的光纖截面上的應變程度,可將光脈沖發射到光纖中,并測量該截面兩端后向散射瑞利光之間的相位差。對于任意給定電纜,相位差可計算如下:

(1)

圖1 基本電纜組成示意圖

式中,φA和φB為來自兩端的后向散射光的相位,n為光纖的有效折射率,λ為光的波長,φ為隨機相位。當電纜彎曲時,該段光纖兩端之間的距離根據彎曲力矩增加或減少,此時光纖同一截面上的相位差計算如下:

(2)

式中,ΔL為光纖長度的變化,加號和減號分別對應于拉伸和壓縮下的變量。通過比較電纜受到不同偏轉前后的相位差,可以確定光纖長度的變化,從而確定電纜的應變。通過連續監測光纖每個單獨部分的后向散射光相位變化,可以繪制電纜沿線的動態應變變化圖。

2 力學分析

圖1為某供電電纜示意圖。其由3根導線和1根光纖纏繞,并由金屬鎧裝和1根外部保護套組成。在電纜的應變分析中,需要在計算中考慮電纜內光纖束的無應變運行窗口(中性層),以及電纜內元件的螺旋排列對應變的影響。需注意,無應變運行窗口指電纜伸長或牽引對電纜內的光纖幾乎沒有影響,主要通過纏繞電纜中心元件外被層的光纖松套管來實現。然而,無應變窗口若因電纜顯著變形而耗盡,電纜內的光纖將承受電纜總應變的一小部分。此外,電纜上的實際應變與光纖所承受的應變程度之間的差異需要通過試驗確定。

電纜內部光纖束的螺旋幾何結構也會影響應變測量結果。如圖2所示,施加在光纖上的應變程度取決于電纜彎曲和光纖束相對于電纜中性層的位置。由于幾何形狀限制,光纖受到拉力和壓縮應變。光纖無限小長度dx上的應變程度計算如下:

圖2 基本電纜組成示意圖

εfibre=εT+εb

(3)

式中,εT和εb分別為拉伸應變和壓縮應變。由于DVS系統測量光纖的凈伸長ΔL在預先確定的標距長度L上,因此可通過對標距長度上的應變進行積分從而計算光纖伸長率:

(4)

式中,x0為傳感光纖上的任何位置。帶有螺旋纏繞管組件的電纜在其主加載方向具有較高的軸向強度,且在其他加載方向具有相當大的靈活性。當此類電纜發生偏轉時,由于正常荷載導致電纜變形,電纜內的子部件將遭受較高的壓縮應變,同時由于沒有施加縱向力,因此會承受較小的拉伸應變。綜上,為了研究由于電纜偏轉而在光纖上產生的應變和應力,可以忽略光纖上的拉伸應變。

為了測量偏轉電纜內光纖的壓縮應變εb,首先需要計算電纜的曲率。曲率可以通過將二階多項式擬合到測量的電纜撓度δ計算,且其端點保持在零撓度。因此,曲率κ可根據撓度計算如下:

(5)

式中,δ′和δ″為撓度δ的一階和二階導數。電纜的曲率可用于計算距離電纜主軸dm的光纖上的最大壓縮應變,計算公式如下:

εb,max=κdcosθ

(6)

式中,θ電纜內子部件的螺旋角。光纖上的凈應變水平取決于光纖相對于電纜中性面的位置,具體如圖2所示。應變水平變化范圍為εb,max(頂端承受拉伸的光纖)到-εb,max(底部承受壓縮的光纖)。因此,由于標距長度L上的壓縮應變而產生的總伸長率由式(7)給出:

(7)

式中,Llay為電纜的捻距,L為DVS系統的標距長度。式(7)表明,光纖伸長取決于傳感系統的標距長度和電纜的捻距,并且沿傳感光纖周期性的變化。如果DVS系統的標距長度等于電纜的捻距(Llay=L),則壓縮應變產生的伸長率將為0。分析原因:受拉光纖截面的正應變將被下一段受壓光纖的負應變抵消。對于標距長度小于電纜捻距的DVS系統,伸長率為傳感系統標距長度上的應變總和。

3 試驗與分析

3.1 試驗裝置

圖3為提出的用于評估DVS監測電力電纜動態應變和沖擊能力的試驗裝置。該試驗裝置由2個主要部分組成:光纖詢問器和液壓試驗臺。

圖3 試驗裝置

3.1.1 光纖詢問器

為了測試電纜內的光纖,本試驗使用基于φ-OTDR的DVS傳感單元。圖3為詢問器示意圖。該裝置對1550 nm分布反饋式(DFB)激光器進行調制,產生峰值功率為20 mW的8 ns光脈沖。光脈沖由摻鉺光纖放大器(EDFA)放大,從而將峰值功率提高到1W。放大的脈沖通過密集波分復用(DWDM)濾波器過濾并由自發輻射(ASE)放大。放大的脈沖通過環行器C發射到傳感光纖。

來自傳感光纖的后向散射光由同一環行器收集,并由第二個增益為25 dB的EDFA放大。放大后的后向散射光通過另一個DWDM濾波器以消除ASE噪聲,并發射到非平衡馬赫-曾德爾干涉儀(IMZI),并從后向散射光中提取相位信息。IMZI的參數設置為2 m,從而實現1 m空間分辨率;輸出端使用對稱的3×3耦合器,從而避免相位信號衰落。

進一步,IMZI的3個輸出臂分別連接到3個光接收器并用500 MHz/s的等效數據采集卡進行采樣。接著對采集的數據進行處理,從而提取沿傳感光纖的相位信息。為了消除系統中噪聲,每個采樣點的相位信息由通帶為0.1 Hz至500 Hz的帶通濾波器(BPF)進行數字濾波。

3.1.2 液壓試驗臺

根據典型四點彎曲試驗過程,液壓試驗臺由1個2.5 m鋼框架和2個液壓執行器組成,用于對電纜施加力(見圖4)。試驗臺設計用于在2個相距2.5 m的點處支撐電纜,允許電纜自由轉動和平移滑動。2個液壓執行器安裝在距離試驗臺兩端625 mm處。在本文使用1根3.5 m長的三相33 kV鎧裝電纜作為測試對象。其中,電纜線芯捻距為1.6 m,其子組件的螺旋角為16°。

圖4 液壓試驗臺

3.2 試驗過程

本試驗的目的是確定DVS系統測量循環荷載和電纜突然沖擊能力。

對于循環荷載試驗,液壓執行器周期性地偏轉電纜,在中點附近有2個移動距離,分別為±100 mm和±150 mm。同時,通過測量電纜五點處的位移來評估電纜撓度,并最終求解電纜曲率。對于沖擊試驗,使用4 kg楔形鋼塊從114 cm的高度落在測試電纜的中間。

試驗過程中,循環荷載和沖擊試驗的脈沖重復周期均設置為900 μs,循環加載的數據采集時間為60 s,沖擊試驗的數據采集時間為20 s。

3.3 結果與分析

3.3.1 循環荷載結果與分析

圖5為傳感光纖上固定點的應變隨時間的變化曲線。其中,圖5(a)和圖5(b)分別為±100 mm和±150 mm撓度范圍內的應變變化曲線。圓圈代表DVS系統在傳感纖維上的一個點上測量的應變率,而虛線代表圍繞傳感纖維的松套管為液壓執行器的理想周期運動所測得的應變。

(a) ±100 mm撓度范圍內應變變化曲線

從圖5可以看出,傳感光纖上單個點的感應應變頻率和相位與液壓執行器偏轉范圍內的頻率和相位相匹配。對于±100 mm和±150 mm的撓度,子部件的最大應變分別為6.88 mε和10.65 mε,而DVS系統測量的應變偏移分別為232 με和415 με。分析造成差異的原因:由光纖和電纜其余部分之間的弱機械耦合造成,如松套管、鎧裝層、導管之間震動等。

3.3.2 沖擊試驗結果與分析

圖6為沖擊試驗時撞擊點處的2D橫截面隨時間的變化曲線。其中,豎直虛線表示該時間處產生沖擊;曲線中實線表示嵌入電纜中的光纖在沖擊點處經歷的應變,主要由高頻振動組成;曲線中虛線表示同一位置的過濾數據,主要由電纜的低頻振動組成。從圖6可以看出,光纖的應變變化為-139.8 με至169.1 με。初始沖擊后,應變振幅呈指數衰減。此外,后續曲線還有部分振幅,分析原因:主要來自初始沖擊后的后續反彈。

圖6 沖擊試驗時撞擊點處的2D橫截面隨時間的變化曲線

試驗結果符合實際,表明本文所提DVS監測電力電纜方案可實現電力應變曲線實時繪制,這為電力智能安防與檢測提供了重要的數據基礎。

4 總結

本文對電力電纜光纖監測進行了研究與分析,建立了一種基于分布式振動傳感器的電纜光纖感知方案,可用于在安裝過程和運行期間沿電纜的動態應變的定量分析,從而檢測和量化電纜的機械損傷。該模型為智能光纖安防發展提供了一定借鑒作用。