涂超, 王繼儀, 張麗文

(國網(wǎng)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(tǒng)[1]的安全運行對社會發(fā)展起到重要推動作用。然而,由于電纜故障[2]導(dǎo)致電力生產(chǎn)損失已成為該行業(yè)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(xiàn)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(zāi)害導(dǎo)致電纜受沖擊,從而造成一定量機械損傷。為此,無論從經(jīng)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(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、通信等技術(shù)[3-4]不斷發(fā)展,可建立智能電纜檢測系統(tǒng),從而大幅度提高電纜系統(tǒng)的可靠性。其中,一種主要思路是通過模型方法實現(xiàn)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(jié)構(gòu)、電纜參數(shù)、傳播特性等方面構(gòu)建電纜分布結(jié)構(gòu)模型,從而實現(xiàn)電纜故障檢測與診斷。文獻[6]提出了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動及無監(jiān)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(shù)據(jù),利用數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)構(gòu)建特征參數(shù)儲備池,計算原數(shù)據(jù)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(fù)雜,復(fù)雜條件下如海底、深山等復(fù)雜地形適用性較低。隨著分布式振動傳感器(DVS)的不斷發(fā)展,有大量學(xué)者將其引入電纜監(jiān)測領(lǐng)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(shù)據(jù)處理、低功耗電源管理、取能單元以及物聯(lián)網(wǎng)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(shù)的光纖分布式振動傳感器系統(tǒng)?；贒VS的電纜監(jiān)測方案可靠性高,然而設(shè)計復(fù)雜,且成本較高。

為了改善傳統(tǒng)DVS系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜以及成本較高的缺陷,本文設(shè)計了基于瑞利散射的DVS評估方案,并使用光纖干涉儀監(jiān)測嵌入式光纖的三芯交流電纜的機械應(yīng)力,為智能光纖安防與監(jiān)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(yīng)變分布,本文使用基于相位的光時域反射技術(shù)[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(yīng)變程度。如圖1所示,為了評估長度為L的光纖截面上的應(yīng)變程度,可將光脈沖發(fā)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(jù)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(yīng)于拉伸和壓縮下的變量。通過比較電纜受到不同偏轉(zhuǎn)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(yīng)變。通過連續(xù)監(jiān)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(tài)應(yīng)變變化圖。

2 力學(xué)分析

圖1為某供電電纜示意圖。其由3根導(dǎo)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(yīng)變分析中,需要在計算中考慮電纜內(nèi)光纖束的無應(yīng)變運行窗口(中性層),以及電纜內(nèi)元件的螺旋排列對應(yīng)變的影響。需注意,無應(yīng)變運行窗口指電纜伸長或牽引對電纜內(nèi)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(xiàn)。然而,無應(yīng)變窗口若因電纜顯著變形而耗盡,電纜內(nèi)的光纖將承受電纜總應(yīng)變的一小部分。此外,電纜上的實際應(yīng)變與光纖所承受的應(yīng)變程度之間的差異需要通過試驗確定。

電纜內(nèi)部光纖束的螺旋幾何結(jié)構(gòu)也會影響應(yīng)變測量結(jié)果。如圖2所示,施加在光纖上的應(yīng)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(yīng)變。光纖無限小長度dx上的應(yīng)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(yīng)變和壓縮應(yīng)變。由于DVS系統(tǒng)測量光纖的凈伸長ΔL在預(yù)先確定的標距長度L上,因此可通過對標距長度上的應(yīng)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(fā)生偏轉(zhuǎn)時,由于正常荷載導(dǎo)致電纜變形,電纜內(nèi)的子部件將遭受較高的壓縮應(yīng)變,同時由于沒有施加縱向力,因此會承受較小的拉伸應(yīng)變。綜上,為了研究由于電纜偏轉(zhuǎn)而在光纖上產(chǎn)生的應(yīng)變和應(yīng)力,可以忽略光纖上的拉伸應(yīng)變。

為了測量偏轉(zhuǎn)電纜內(nèi)光纖的壓縮應(yīng)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(jù)撓度計算如下:

(5)

式中,δ′和δ″為撓度δ的一階和二階導(dǎo)數(shù)。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(yīng)變,計算公式如下:

εb,max=κdcosθ

(6)

式中,θ電纜內(nèi)子部件的螺旋角。光纖上的凈應(yīng)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(yīng)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(yīng)變而產(chǎn)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(tǒng)的標距長度。式(7)表明,光纖伸長取決于傳感系統(tǒng)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(tǒng)的標距長度等于電纜的捻距(Llay=L),則壓縮應(yīng)變產(chǎn)生的伸長率將為0。分析原因:受拉光纖截面的正應(yīng)變將被下一段受壓光纖的負應(yīng)變抵消。對于標距長度小于電纜捻距的DVS系統(tǒng),伸長率為傳感系統(tǒng)標距長度上的應(yīng)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(jiān)測電力電纜動態(tài)應(yīng)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(nèi)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(diào)制,產(chǎn)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(fù)用(DWDM)濾波器過濾并由自發(fā)輻射(ASE)放大。放大的脈沖通過環(huán)行器C發(fā)射到傳感光纖。

來自傳感光纖的后向散射光由同一環(huán)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(fā)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(shù)設(shè)置為2 m,從而實現(xiàn)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(shù)據(jù)采集卡進行采樣。接著對采集的數(shù)據(jù)進行處理,從而提取沿傳感光纖的相位信息。為了消除系統(tǒng)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(shù)字濾波。

3.1.2 液壓試驗臺

根據(jù)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(zhí)行器組成,用于對電纜施加力(見圖4)。試驗臺設(shè)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(zhuǎn)動和平移滑動。2個液壓執(zhí)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(tǒng)測量循環(huán)荷載和電纜突然沖擊能力。

對于循環(huán)荷載試驗,液壓執(zhí)行器周期性地偏轉(zhuǎn)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(huán)荷載和沖擊試驗的脈沖重復(fù)周期均設(shè)置為900 μs,循環(huán)加載的數(shù)據(jù)采集時間為60 s,沖擊試驗的數(shù)據(jù)采集時間為20 s。

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 循環(huán)荷載結(jié)果與分析

圖5為傳感光纖上固定點的應(yīng)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(nèi)的應(yīng)變變化曲線。圓圈代表DVS系統(tǒng)在傳感纖維上的一個點上測量的應(yīng)變率,而虛線代表圍繞傳感纖維的松套管為液壓執(zhí)行器的理想周期運動所測得的應(yīng)變。

(a) ±100 mm撓度范圍內(nèi)應(yīng)變變化曲線

從圖5可以看出,傳感光纖上單個點的感應(yīng)應(yīng)變頻率和相位與液壓執(zhí)行器偏轉(zhuǎn)范圍內(nèi)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(yīng)變分別為6.88 mε和10.65 mε,而DVS系統(tǒng)測量的應(yīng)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(dǎo)管之間震動等。

3.3.2 沖擊試驗結(jié)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(chǎn)生沖擊;曲線中實線表示嵌入電纜中的光纖在沖擊點處經(jīng)歷的應(yīng)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(shù)據(jù),主要由電纜的低頻振動組成。從圖6可以看出,光纖的應(yīng)變變化為-139.8 με至169.1 με。初始沖擊后,應(yīng)變振幅呈指數(shù)衰減。此外,后續(xù)曲線還有部分振幅,分析原因:主要來自初始沖擊后的后續(xù)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(jié)果符合實際,表明本文所提DVS監(jiān)測電力電纜方案可實現(xiàn)電力應(yīng)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(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4 總結(jié)

本文對電力電纜光纖監(jiān)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(tài)應(yīng)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(fā)展提供了一定借鑒作用。