电，早已融入城市的发展，成为推动其前行的重要引擎。电网成为支撑城市快速发展的核心基础，而高压电力电缆是整个电网高效运行的命脉。如何实现城市高压电缆运行故障预警，对其安全性进行在线监测，一直是电力行业亟待解决的难题。
由上海大学庞拂飞教授团队与国网上海市电力公司等产学研联合共同完成的《城市高压电力电缆光纤在线监测关键技术及应用》项目，前期得到了国家自然科学基金、上海市科委重点项目、国网上海市电力公司科技项目等资助，研发团队由“国家优青”、“上海市五一劳动奖章获得者”、“上海领军人才”、“上海青年东方学者”等组成，形成了具有自主知识产权的高压电力电缆安全监测光纤传感技术体系，解决了在线监测中的实际难题，在城市电网安全监测中发挥了重要作用，并荣获2019年度上海市科技进步二等奖。
技术路线
随着电网规模迅速扩大和用电需求的迅猛增长，社会对电网供电可靠性要求越来越高。作为状态检修的重要内容，电力设备带电检测（在线监测）技术的全面深入应用，能及时发现电力设备潜伏性运行隐患，避免突发性故障的发生，是电力设备安全、稳定运行的重要保障。凭借带电检测（在线监测）设备和诊断技术，能够超前防范电缆线路隐患、降低事故损失和供电风险等成为研究热点。高压电缆带电检测（在线监测）主要手段：① 局放检测（监测）；② 红外测温；③ 光纤测温；④ 接地电流检测（监测）；⑤ 油压在线监测（充油电缆）等。
分析上面5种检测手段，发现对高压电缆的监测较多地采用电测量技术，存在易受到电磁干扰、成本高等问题。庞拂飞教授团队从特种传感光纤源头出发，设计及制备出光纤传感器，有效抵抗电磁干扰，实现了对高压电缆更加精准的监控。
该成果是针对高压电力电缆局部放电安全参量在线监测的需求，基于局部放电引发声发射监测技术手段，从特种传感光纤、传感器设计制备、光电探测系统及软件开发及工程应用开展研发、制造，有效完成对城市高压电力电缆光纤在线监测。
研发历程
电网是支撑智慧城市的核心，对其安全性运行的实时在线检测一直是电力行业亟待解决的难题。2013年6月5日晚20时37分，上海电网500千伏三林变电站至500千伏静安变电站的一条输电线缆发生故障，导致500千伏静安变电站500千伏1号主变和220千伏4号主变失电，其所供的下级110千伏大田站、延平站和普陀站三座变电站停电。进而，由这三座变电站输出的电能顷刻中断。静安、普陀、黄浦、徐汇等部分区域陷入一片黑暗之中，一些市民暂时受困于地铁车厢、电梯之中，各种警笛声响起，让上海陷入一片忙碌之中。
这引起了庞拂飞教授团队对城市高压电缆安全监控研究的关注，确定以特种光纤器件和传感技术为研究方向，用科学研究成果守护城市高压电缆的安全。
目标确认后，2013年项目启动，经过七百多个日日夜夜，凝聚庞拂飞教授团队多少心血，最终研发出了实验室样机。然而他们还来不及欢庆这成功的喜悦，又将面临更关键的任务。样机将走出实验室，投入到严酷的工程现场应用中。
从光纤传感器的制作与封装、固定安装光纤传感器方案的设计，再到传感系统的现场调试，每一个环节都是鲜有参照的全新探索。师生们冒着“失联”的风险，呼吸着浑浊潮湿的地下空气，游走在世博隧道的电缆井下。在竖井中熟练地将光纤传感器固定到电缆上，在检测电缆，在铺设光纤，在调试设备......
还有天气条件恶劣的工程地——甘肃张掖的洗礼。在安装完传感器的第三天就有沙尘暴来袭，电站光缆意外折断。为了实现系统正常运行，庞拂飞教授团队加班加点抢修光纤，在最短的时间内将光纤网络恢复了正常。现场不比在实验室，复杂环境带来的挑战无处不在，这对团队成员的身体和心理都是巨大的考验。
在经历了这样一次又一次的考验后，团队一步一步成长起来，向最后的成功发出挑战。
研发成果
本项目面向高压输电电力电缆状态监测应用背景，针对电力电缆局放声发射参量的分布式监测难题，开展相位敏感光时域反射光纤与光纤干涉仪融合的局放声发射探测技术方面研究，解决相位敏感光时域反射光纤对局放声发射准确定位以及光纤干涉仪对局放声发射信号波形准确采集等关键技术难题，实现对声发射参量的实时、在线、远程检测与定位。
本项目主要研制了基于光纤缠绕硅橡胶弹性体的高压电缆接头局放在线监测传感网系统，通过将相位敏感光时域反射技术与光纤干涉仪技术相融合，将传感光纤沿每一相高压电缆螺旋缠绕。基于相位敏感OTDR技术，通过多次采集瑞利散射光干涉信号，获得局放声发射产生的准确空间位置，并基于光纤干涉仪技术获得传感光纤上局放声发射波形和频率信息。主要成果包括:基于周期性声发射信号实现高压电缆局放故障早期预防的技术，开发了基于空分复用的光纤迈克尔干涉仪局放声发射远程、在线监测传感网络；开发了基于单模光纤的高压电缆在线长距离监测系统。该成果的特点是可以完全利用现有电力系统已经铺设的光缆或铺设常规单模光缆进行监测，另外也可为电力部门缩短故障点确认的时间及提高检修效率。以上技术可以对高压电缆局放和温度信号进行可靠监测，并进行应用示范。
特别值得一提是光纤迈克尔逊干涉仪的研发。光纤迈克尔逊干涉仪在光纤通信、光纤传感、光信号处理等领域具有广泛的应用。传统的光纤迈克尔逊干涉仪很难对干涉臂长差进行精确控制、温度稳定性较差,容易受外界干扰等。基于同轴光纤的迈克尔逊干涉仪克服了上述技术的不足。
（1）基于同轴光纤的迈克尔逊干涉仪包括同轴光纤、单模光纤和反射镜。
（2）基于同轴光纤的迈克尔逊干涉仪的理论依据。基于耦合模理论,光在靠近的光波导中传输,当所传输的模式满足相位匹配时,光波可以通过渐逝波模式耦合实在两个光波导能量交换。而同轴光纤的纤芯和环波导薄层之间存在一个尺寸较薄的内包层,可实现纤芯模和环波导包层模之间的耦合。利用同轴光纤作为光波的分束器和光合波器,结合单模光纤作为干涉臂构成迈克尔逊干涉仪。
（3）将光纤干涉仪传感器与硅橡胶弹性体集成,可构成基于光纤干涉仪的电力电缆局放声发射信号传感器,其具有灵敏度高、无源、本质安全的特点,突破了光纤直接探测电缆局放声发射信号灵敏度低的瓶颈。
（4）相比较于传统的干涉仪,基于同轴光纤的迈克尔逊干涉仪具有的优点包括制造工艺简单、单根光纤集成、操作使用方便、温度稳定性高等。
（5）应用前景：有望实现高压电力电缆接头、终端、变压器、GIS等关键电力设施的早期局放事故的预报,预防安全事故的发生。
光纤传感守护城市电网安全
从基于光纤干涉仪的电力电缆局放声发射信号传感器、相位敏感光时域反射光纤到基于单模光纤的高压电缆在线长距离监测系统，以光纤传感器为基础，以光纤作为传输媒质，形成完整的采集-传输-网络-预测分析的光纤体系。经过多年试验与应用，本项目深入现场，实时监视高压电力电缆安全运行，及时预测、预报事故，保护城市的平稳与安全。
