連紀(jì)文，卓秀者（.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司，福州350003；.福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司，福州35008）

基于BOTDA的OPPC溫度和應(yīng)力監(jiān)測(cè)研究與應(yīng)用

連紀(jì)文1，卓秀者2
（1.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司，福州350003；2.福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司，福州350108）

摘要：介紹了光纖布里淵光時(shí)域分析儀（BOTDA）的測(cè)量原理，設(shè)計(jì)了一種適合同時(shí)獲取光纖分布式溫度和應(yīng)力應(yīng)變的OPPC結(jié)構(gòu)，提出了采用BOTDA在線監(jiān)測(cè)該結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)的技術(shù)方案。通過將該方案應(yīng)用于110kV輸電線路中，驗(yàn)證了方案性能，并分析了測(cè)量結(jié)果。

關(guān)鍵詞：輸電線路；OPPC；溫度；應(yīng)力；布里淵散射；BOTDA

0　引言

由于電力架空輸電線路存在距離長(zhǎng)、跨度大、周邊環(huán)境復(fù)雜、難以巡視及維護(hù)的問題，架空輸電線路的在線監(jiān)測(cè)一直是電力部門關(guān)注的課題。傳統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)方法通常采用視頻監(jiān)測(cè)和無線傳輸?shù)姆绞剑菀资芄╇?、通信和電磁干擾等因素制約，監(jiān)測(cè)區(qū)域有限，無法實(shí)現(xiàn)線路全程運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)[1,2]。光纖復(fù)合架空相線（OPPC）是新型電力架空輸電導(dǎo)線，它充分利用電力系統(tǒng)自身的線路資源，兼具電力傳輸和電力通信雙重功能。近年來，國(guó)內(nèi)外提出將光傳感系統(tǒng)用于電力在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變等參數(shù)的測(cè)量[3～5]。對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的OPPC，因?yàn)楣鈫卧獌?nèi)的光纖設(shè)計(jì)有一定的冗余長(zhǎng)度，OPPC在一定張力范圍內(nèi)被拉伸時(shí)，光纖并不受力，所以光纖僅可用于溫度監(jiān)測(cè)，無法用于應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)。此外，光纖光柵技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)有限點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，且喇曼測(cè)溫技術(shù)的測(cè)量距離不超過10km，兩者均無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離OPPC全程實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)。布里淵光時(shí)域分析儀（BOTDA）是基于激光背向布里淵散射的分布式光纖傳感器，屬國(guó)際上最前沿的光纖傳感器之一，技術(shù)性能優(yōu)異，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量距離達(dá)數(shù)十千米的溫度和應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此，本文將BOTDA引入OPPC監(jiān)測(cè)中，以解決OPPC應(yīng)力監(jiān)測(cè)和測(cè)量距離受限的問題。

1　BOTDA測(cè)量原理

BOTDA最初由日本Horiguchi等人提出，它需要兩個(gè)窄線寬的激光光源，分別為泵浦光（pump，脈沖光信號(hào)）和探測(cè)光（probe，連續(xù)光信號(hào)）。這兩個(gè)光源發(fā)出的激光在光纖中反向傳輸，在光纖的脈沖光源端測(cè)量探測(cè)光信號(hào)。當(dāng)激光在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖材料的密度和折射率存在微觀不均勻性，入射光會(huì)產(chǎn)生散射現(xiàn)象。其中布里淵散射是光波和聲波在光纖中傳播時(shí)相互作用產(chǎn)生的光散射現(xiàn)象。BOTDA利用了激光背向布里淵散射效應(yīng)，pump和probe分別從光纖的兩端注入，當(dāng)這兩種光的頻率差與光纖中某個(gè)區(qū)間的布里淵頻移相等時(shí)，該區(qū)域就會(huì)發(fā)生受激布里淵放大效應(yīng)，兩束光之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。當(dāng)環(huán)境溫度變化或光纖產(chǎn)生形變時(shí)，光纖中聲速和光的折射率會(huì)隨之變化，從而使光纖的布里淵頻移發(fā)生變化。BOTDA的測(cè)量原理如圖1所示。

圖1　BOTDA測(cè)量原理

根據(jù)研究，布里淵頻移變化量與環(huán)境溫度變化和光纖軸向應(yīng)變成線性關(guān)系：

其中，ΔνB為布里淵頻移變化量，Δε為光纖軸向應(yīng)變，ΔT為光纖溫度，Cε和CT分別為布里淵散射頻移的應(yīng)變和溫度系數(shù)。對(duì)于普通的單模光纖，應(yīng)變系數(shù)Cε約為0.0483MHz/με，溫度系數(shù)CT約為1.1MHz/℃。對(duì)pump和probe的頻率差進(jìn)行連續(xù)掃描，可確定光纖不同位置的布里淵頻移變化量，從而獲得整根光纖的溫度和應(yīng)變分布信息。另外，位置的定位可通過光纖背向散射信號(hào)返回脈沖光入射端的時(shí)間來確定（光時(shí)域反射OTDR技術(shù)）。

2　OPPC結(jié)構(gòu)與監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的OPPC由鋼管光單元（鋁包）與鋼線、鋁（合金）線共同絞合而成。本文設(shè)計(jì)的OPPC采用雙鋼管結(jié)構(gòu)，具體如下：最外層（第3層）與次外層（第2層）均為電工鋁LY9線；第1層為鋁包鋼AS線+不銹鋼SUS管光單元，光單元內(nèi)為24芯單模裸纖，設(shè)計(jì)余長(zhǎng)約6‰，預(yù)留2芯裸纖用于BOTDA溫度測(cè)量；中心層為不銹鋼SUS管光單元，光單元內(nèi)為2芯單模緊包光纖，設(shè)計(jì)余長(zhǎng)很?。ㄐ∮?‰），用于應(yīng)變監(jiān)測(cè)。

BOTDA設(shè)備分別與OPPC中心層光單元的1芯緊包光纖和第1層光單元的1芯裸纖相連，這兩個(gè)1芯光纖在OPPC另一端相互熔接以構(gòu)成測(cè)量環(huán)路，從而實(shí)時(shí)獲得緊包光纖和裸纖的布里淵頻移信息。因?yàn)榫o包光纖和裸纖均處于OPPC內(nèi)部，且外部有兩層電工鋁線絞合，所以兩者溫度相等。另外，由于裸纖的余長(zhǎng)較大，OPPC受力不大時(shí)裸纖并不受力。因此，我們通過緊包光纖的布里淵頻移變化量ΔνB1(L)（L為OPPC某點(diǎn)到BOTDA設(shè)備的距離，下同）和裸纖的布里淵頻移變化量ΔνB2(L)計(jì)算得到OPPC某一點(diǎn)的溫度ΔT(L)和應(yīng)變值Δε(L)：

其中，CT1、CT2分別為緊包光纖和裸纖的布里淵頻移溫度系數(shù)，Cε1為緊包光纖的布里淵頻移應(yīng)變系數(shù)。

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與測(cè)量結(jié)果

國(guó)網(wǎng)某供電公司將本技術(shù)方案應(yīng)用于110kV輸電線路OPPC上，實(shí)現(xiàn)了OPPC全程溫度和應(yīng)變的連續(xù)分布式測(cè)量。該線路的A相導(dǎo)線被更換為本文設(shè)計(jì)的OPPC，線路長(zhǎng)度為14.8km，最大檔距為568m。OPPC光纜在兩側(cè)變電站終端桿塔處改用ADSS光纜引入變電站內(nèi)。BOTDA設(shè)備安裝于線路起始端變電站通信機(jī)房?jī)?nèi)，機(jī)房?jī)?nèi)有本地顯示和存儲(chǔ)功能，提供給現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)人員使用。BOTDA的測(cè)量數(shù)據(jù)還可通過內(nèi)網(wǎng)傳輸至市局、省局監(jiān)測(cè)中心，為線路監(jiān)控、運(yùn)維、動(dòng)態(tài)增容和故障處理提供依據(jù)。

3.1OPPC的溫度監(jiān)測(cè)分析

本文設(shè)計(jì)的OPPC于2013年進(jìn)行了通電試運(yùn)行。OPPC通電前（晚上8點(diǎn)）、通電后（晚上11點(diǎn)半）的溫度分布曲線如圖2所示。OPPC無負(fù)載電流時(shí)，溫度較低，但溫度分布并不均勻，這與線路周邊的環(huán)境溫度、地理環(huán)境、風(fēng)速和風(fēng)向有關(guān)。給OPPC施加負(fù)載電流后，線路全程溫度整體上升15℃～20℃，溫度分布更加不均勻，即使不考慮突變尖峰，通電后的線路溫度分布也存在10℃的起伏，這是因?yàn)镺PPC通電后的溫度分布受風(fēng)速和風(fēng)向的影響更為顯著。

本文進(jìn)一步分析OPPC溫度分布曲線上各溫度突變點(diǎn)的位置信息和本線路的設(shè)計(jì)資料可以得到：①光纖溫度突變點(diǎn)的數(shù)量與桿塔數(shù)量一致；②溫度突變點(diǎn)的“峰”在耐張線夾部位出現(xiàn)，這與耐張線夾的渦流和接觸電阻有關(guān)，耐張線夾處的溫度比周圍高出10℃～20℃，應(yīng)引起足夠重視；③溫度突變點(diǎn)的“谷”在光纖接續(xù)盒或懸垂線夾部位出現(xiàn)，其中光纖接續(xù)盒內(nèi)的盤纖不與導(dǎo)線接觸，因此溫度較低，而懸垂線夾處因?yàn)樵黾恿薕PPC的線徑，散熱較好，所以溫度降低。從圖2的數(shù)據(jù)可以看出，BOTDA不僅能真實(shí)反映OPPC全程的溫度分布狀況，為后續(xù)輸電線路動(dòng)態(tài)增容提供依據(jù)，而且還能對(duì)溫度過熱部位（如耐張線夾處）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖2　OPPC通電前后BOTDA實(shí)測(cè)的溫度分布曲線

3.2OPPC的應(yīng)變監(jiān)測(cè)分析

由于中心層緊包光纖的設(shè)計(jì)余長(zhǎng)比第1層裸纖的小，因此，利用BOTDA測(cè)量得到的緊包光纖和裸纖的布里淵頻移變化量可以計(jì)算出OPPC的分布式應(yīng)變值。OPPC通電前（晚上8點(diǎn)）和通電后（晚上11點(diǎn)半）的應(yīng)變分布曲線如圖3所示。OPPC無負(fù)載電流時(shí)，光纖線路出現(xiàn)5處應(yīng)變異常部位，而其余部位并無明顯應(yīng)變（應(yīng)變值在設(shè)備噪聲范圍內(nèi)波動(dòng)），這是因?yàn)槭苌a(chǎn)工藝和安裝要求的限制，中心層緊包光纖的設(shè)計(jì)余長(zhǎng)還無法實(shí)現(xiàn)零余長(zhǎng)。在對(duì)OPPC施加負(fù)載電流后，光纖應(yīng)變分布情況更復(fù)雜，出現(xiàn)了新的應(yīng)變異常部位，但通電前存在的2處應(yīng)變異常部位恢復(fù)正常。應(yīng)變異常部位的新增與消失，與OPPC通電后溫度上升引起線纜受熱膨脹有關(guān)。圖3的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，BOTDA可以實(shí)現(xiàn)OPPC全程的應(yīng)力應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)。

（a）通電前OPPC的應(yīng)變分布

圖3　OPPC通電前后BOTDA實(shí)測(cè)的應(yīng)變分布曲線

4　結(jié)束語

本文采用BOTDA測(cè)量技術(shù)對(duì)OPPC的分布式溫度和應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并將此方法應(yīng)用于110kV輸電線路OPPC工程中?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果表明，BOTDA測(cè)量具有距離長(zhǎng)、測(cè)量精度高和抗電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)時(shí)反映OPPC全程任意一點(diǎn)的溫度和應(yīng)力應(yīng)變分布狀況，對(duì)耐張線夾和應(yīng)變異常部位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)更是輸電線路安全運(yùn)行的有力保障，有效提升了線路監(jiān)測(cè)的技術(shù)水平。本文的研究成果為后續(xù)開展輸電線路動(dòng)態(tài)增容方面的研究提供了依據(jù)，是輸電線路狀態(tài)運(yùn)行、檢修管理、提升輸送效率的重要技術(shù)手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]張穎,于紅麗,舒彬，等.利用OPPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)架空線路實(shí)時(shí)全程測(cè)溫與通信的研究[J].電子世界, 2012（9）: 26-30.

[2]徐擁軍,謝書鴻,栗鳴,等.基于OPPC的溫度和應(yīng)力光纖光柵傳感技術(shù)[J].供用電, 2013, 30(2): 40-45.

[3]余鵬,段紹輝,周正仙,等.光纖傳感技術(shù)在電力電纜中的研究進(jìn)展[J].光通信技術(shù), 2013,37（11）: 42-44.

[4]張競(jìng)文,呂安強(qiáng),李寶罡,等.基于BOTDA的分布式光纖傳感技術(shù)研究進(jìn)展[J].光通信研究, 2010（4）: 25-28.

[5]吳飛龍,鄭小莉,李永倩. BOTDA光纖傳感技術(shù)在電力電纜測(cè)溫中的應(yīng)用探[J].光通信技術(shù), 2013,37（2）: 21-24.

Study and application of temperature and stress monitoring of OPPC based on BOTDA

LIANJi-wen1，ZHUOXiu-zhe2
(1. State Grid Fujian Electric Power Co., Ltd., Fuzhou 350003, China;
2. Fujian Yongfu Power Engineering Co., Ltd., Fuzhou 350108, China)

Abstract:The paper introduces the measurement principle of the Brillouin optical time domain analyzer (BOTDA), designs a new OPPC structure which is suitable for the simultaneous measurement of the temperature and stress/strain of the optical fiber, and proposes a technical scheme based on BOTDA for on line monitoring. The paper applies the scheme to the 110kV power transmission line, verifies the performance of the scheme and analyzes the measurement results.

Key words:power transmission lines, OPPC, temperature, stress, Brillouin scattering, BOTDA

中圖分類號(hào)：TP212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-5561（2016）01-0026-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.008

收稿日期：2015-08-19。

基金項(xiàng)目：國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司2013年度科技項(xiàng)目（521320135090）資助。

作者簡(jiǎn)介：連紀(jì)文（1971-），男，高級(jí)工程師，主要從事電力通信建設(shè)、運(yùn)行和管理方面的工作。