董源

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摘要：针对全介质自承式(ADSS)光缆架设在输电线路上会产生电腐蚀，阻碍通信系统的安全运行的问题。本文基于Sagnac光纤干涉仪，提出一种光缆电腐蚀故障的在线监测方法，通过对对干涉信号进行解调来获取干扰位置信息，实现对电腐蚀故障的在线监测。

关键词：电力通信；ADSS光缆；电腐蚀；光纤光栅传感器

ADSS光缆是在电力通信中广泛应用于35kV及以上电压等级的架空线路杆塔上的全介质自承式的架空光缆，凭借其外径尺寸小、质量轻的优点，经常在通信线路改造时被安装在原有的输电杆塔上。但当杆塔强度、空间电位强度、与地面或交越物的间距关系失配，ADSS光缆就很容易出现各类故障，其中最主要的是电腐蚀故障，不仅阻碍着电力通信网的正常运行，同时也威胁着电力系统的安全与稳定。

1 电腐蚀故障的常见形式

电腐蚀故障主要三种常见形式为击穿、电痕和腐蚀。击穿指ADSS光缆表面发生巨能电弧并伴随大量热量，熔化护套边缘并造成穿孔，烧断纺纶使光缆强度急剧下降。电痕是指电弧在护套表面形成放射状碳化通道，然后不断加深，在张力的作用下开裂并露出纺纶。腐蚀故障指护套表面泄漏电流所产生的热量，减弱聚合物的结合力，从而使护套表面粗糙、减薄。当电腐蚀故障发生时，护套的聚合力会随之减弱，一旦当减弱至不足以维张力时便会发生严重的断缆事故，阻碍通信网络的安全稳定运行。

2光纤Sagnac环的应变效应

Sagnac干涉效应的原理为将光源发出的光经分光器变成两束，使其分别沿顺、逆时针在干涉仪中传播，并汇聚至耦合器处发生干涉。光缆受到应力后会影响护套内的光纤，使其发生细微的变化，从而改变受干扰位置处纤芯的折射率、长度、散射效应等物理特性。造成传播在其中的光波相位差发生变化，并改变干涉后的接收光波功率，通过监测相位、功率的变化可以实现对外部应力的监测。Sagnac干涉仪的结构示意图为：

 

图1 Sagnac干涉仪的结构示意图

耦合器的两个端口分别连接一段ADSS光缆的其中两芯，并在远端将这两芯环接起来就构成了一个Sagnac环。L1和L2为干涉仪的两个传感臂，耦合器负责聚合及分解光束。激光器发出的光源经耦合器被分解后，分别沿顺时针及逆时针方向传播至耦合器处，再次汇合发生干涉。当ADSS光缆未受到应力干扰时，沿着顺、逆时针传播的光波干涉后相差恒定。

当ADSS光缆处发生电腐蚀故障时，伴随而来的应力以及高温灼烧作为一种干扰源，会透过护套改变光纤的长度、折射率、散射效应，从而改变光波的相位，从而使得光波带有干扰源的位置信息。当受影响的光波与未受影响的光波在耦合器处再次发生干涉，并经光电探测仪接收后，便可解调受干扰源的光波从而获得电腐蚀故障所发生的位置。

3电腐蚀故障定位原理

已知光缆长度为 假设在光纤中传播的信号遭受电腐蚀故障后发生的相位调制为 ，采用 的耦合器。 和 为扰动引起的相位信号的幅度及角频率，则Sagnac环中沿顺、逆时针传播的信号可以表达为：

（1）

（2）

 和 为两束光的幅度， 和 为光载波相位角度， 和 为故障引起的光波相位变化，有：

（3）

（4）

 为光波通过光缆的耗时， 与 与分别为从故障点沿顺、逆时针方向到达耦合器的耗时， 为故障点与耦合器的距离，则有：

（5）

（6）

（7）

探测器接受到的干涉信号光功率为：

（8）

将式（1）至式（7）代入式（8）中可以得到：

（9）

则Sagnac环干涉输出为

（10）

通常利用贝塞尔函数展开方法将其变换为：

（11）

沿顺、逆时针方向传播的两路信号的时延 可以精确的通过互相关算法得到：

（12）

最终故障点距离耦合器的位置可以计算得：

（13）

4电腐蚀故障的在线监测

传统的光时域反射仪（OTDR）是通过一个脉冲光源向连接被测光纤，在光脉冲的传播过程中，有部分光会因为光纤长度、折射率等细微的变化而发生向四周的散射，散射光向着光源方向反向传播，便形成了后向散射光，后向散射光在耦合器处被光电检测器捕捉并分析。利用光纤上的每一处位置都能由对应的一个后向散射光表示，于是便可以通过信号处理器分析后向散射光的时延信息来确定光纤上干扰源的位置。值得注意的是，光脉冲所产生后向散射光光强极低，依靠OTDR能探测出光缆上发生例如断缆或弯曲超过光纤极限的破坏性性故障，而检测出光缆护套破坏但纤芯未受损的故障。

而Sagnac干涉仪通过分析干涉光波的时延便可获得护套故障的位置信息，因此选择Sagnac光纤干涉仪作为主要监测工具，再利用能够分析时延获得护套故障点的光纤探测器来搭建电腐蚀故障的在线监测装置。图2为在线式光腐蚀故障监测系统的基本框架，环形器的主要作用是隔离反射光的干扰，为消除由于风摆的干扰造成的噪声以及温漂干扰，增加一个具有较强性能的运算放大器组成一个负反馈电路，来将输出对放大电路进行偏置。

 

图2 在线式光腐蚀故障监测系统

5结论

本文首先介绍了ADSS光缆常见的集中电腐蚀故障形式及其危害，接着介绍了光纤Sagnac干涉环的应变效应原理，在此基础上分析并给出了电腐蚀故障定位原理的理论表达式。在贝塞尔函数展开的基础上利用互相关算法求得两路干涉信号的时延，从而得到故障距离的具体表达式。通过以上提供了一种ADSS光缆电腐蚀故障的在线监测方法，一旦监测到干涉信号的强度及时延变化，便可利用所得表达式定位故障位置，提对对光缆进行维护，避免断缆所造成的损失。

参考文献

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