董源

【摘要】針對全介質(zhì)自承式（ADSS）光纜架設在輸電線路上會產(chǎn)生電腐蝕，阻礙通信系統(tǒng)的安全運行的問題。本文基于Sagnac光纖干涉儀，提出一種光纜電腐蝕故障的在線監(jiān)測方法，通過對對干涉信號進行解調(diào)來獲取干擾位置信息，實現(xiàn)對電腐蝕故障的在線監(jiān)測。

【關鍵詞】電力通信；ADSS光纜；電腐蝕；光纖光柵傳感器

ADSS光纜是在電力通信中廣泛應用于35kV及以上電壓等級的架空線路桿塔上的全介質(zhì)自承式的架空光纜，憑借其外徑尺寸小、質(zhì)量輕的優(yōu)點，經(jīng)常在通信線路改造時被安裝在原有的輸電桿塔上。但當桿塔強度、空間電位強度、與地面或交越物的間距關系失配，ADSS光纜就很容易出現(xiàn)各類故障，其中最主要的是電腐蝕故障，不僅阻礙著電力通信網(wǎng)的正常運行，同時也威脅著電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。

1、電腐蝕故障的常見形式

電腐蝕故障主要三種常見形式為擊穿、電痕和腐蝕。擊穿指ADSS光纜表面發(fā)生巨能電弧并伴隨大量熱量，熔化護套邊緣并造成穿孔，燒斷紡綸使光纜強度急劇下降。電痕是指電弧在護套表面形成放射狀碳化通道，然后不斷加深，在張力的作用下開裂并露出紡綸。腐蝕故障指護套表面泄漏電流所產(chǎn)生的熱量，減弱聚合物的結(jié)合力，從而使護套表面粗糙、減薄。當電腐蝕故障發(fā)生時，護套的聚合力會隨之減弱，一旦當減弱至不足以維張力時便會發(fā)生嚴重的斷纜事故，阻礙通信網(wǎng)絡的安全穩(wěn)定運行。

2、光纖Sagnac環(huán)的應變效應

Sagnac干涉效應的原理為將光源發(fā)出的光經(jīng)分光器變成兩束，使其分別沿順、逆時針在干涉儀中傳播，并匯聚至耦合器處發(fā)生干涉。光纜受到應力后會影響護套內(nèi)的光纖，使其發(fā)生細微的變化，從而改變受干擾位置處纖芯的折射率、長度、散射效應等物理特性。造成傳播在其中的光波相位差發(fā)生變化，并改變干涉后的接收光波功率，通過監(jiān)測相位、功率的變化可以實現(xiàn)對外部應力的監(jiān)測。Sagnac干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖為：

耦合器的兩個端口分別連接一段ADSS光纜的其中兩芯，并在遠端將這兩芯環(huán)接起來就構(gòu)成了一個Sagnac環(huán)。L1和L2為干涉儀的兩個傳感臂，耦合器負責聚合及分解光束。激光器發(fā)出的光源經(jīng)耦合器被分解后，分別沿順時針及逆時針方向傳播至耦合器處，再次匯合發(fā)生干涉。當ADSS光纜未受到應力干擾時，沿著順、逆時針傳播的光波干涉后相差恒定。

當ADSS光纜處發(fā)生電腐蝕故障時，伴隨而來的應力以及高溫灼燒作為一種干擾源，會透過護套改變光纖的長度、折射率、散射效應，從而改變光波的相位，從而使得光波帶有干擾源的位置信息。當受影響的光波與未受影響的光波在耦合器處再次發(fā)生干涉，并經(jīng)光電探測儀接收后，便可解調(diào)受干擾源的光波從而獲得電腐蝕故障所發(fā)生的位置。

3、電腐蝕故障定位原理

已知光纜長度為L假設在光纖中傳播的信號遭受電腐蝕故障后發(fā)生的相位調(diào)制為，采用的耦合器。A和為擾動引起的相位信號的幅度及角頻率，則Sagnac環(huán)中沿順、逆時針傳播的信號可以表達為：

4、電腐蝕故障的在線監(jiān)測

傳統(tǒng)的光時域反射儀（OTDR）是通過一個脈沖光源向連接被測光纖，在光脈沖的傳播過程中，有部分光會因為光纖長度、折射率等細微的變化而發(fā)生向四周的散射，散射光向著光源方向反向傳播，便形成了后向散射光，后向散射光在耦合器處被光電檢測器捕捉并分析。利用光纖上的每一處位置都能由對應的一個后向散射光表示，于是便可以通過信號處理器分析后向散射光的時延信息來確定光纖上干擾源的位置。值得注意的是，光脈沖所產(chǎn)生后向散射光光強極低，依靠OTDR能探測出光纜上發(fā)生例如斷纜或彎曲超過光纖極限的破壞性性故障，而檢測出光纜護套破壞但纖芯未受損的故障。

而Sagnac干涉儀通過分析干涉光波的時延便可獲得護套故障的位置信息，因此選擇Sagnac光纖干涉儀作為主要監(jiān)測工具，再利用能夠分析時延獲得護套故障點的光纖探測器來搭建電腐蝕故障的在線監(jiān)測裝置。圖2為在線式光腐蝕故障監(jiān)測系統(tǒng)的基本框架，環(huán)形器的主要作用是隔離反射光的干擾，為消除由于風擺的干擾造成的噪聲以及溫漂干擾，增加一個具有較強性能的運算放大器組成一個負反饋電路，來將輸出對放大電路進行偏置。

5、結(jié)論

本文首先介紹了ADSS光纜常見的集中電腐蝕故障形式及其危害，接著介紹了光纖Sagnac干涉環(huán)的應變效應原理，在此基礎上分析并給出了電腐蝕故障定位原理的理論表達式。在貝塞爾函數(shù)展開的基礎上利用互相關算法求得兩路干涉信號的時延，從而得到故障距離的具體表達式。通過以上提供了一種ADSS光纜電腐蝕故障的在線監(jiān)測方法，一旦監(jiān)測到干涉信號的強度及時延變化，便可利用所得表達式定位故障位置，提對對光纜進行維護，避免斷纜所造成的損失。

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