郝偉博， 趙衍雙， 李卓樞， 謝 凱， 邢 鍵，張建中， 苑立波

1.東北林業(yè)大學機電工程學院，哈爾濱150040

2.國網(wǎng)河南省電力科學研究院輸電線路舞動防治技術(shù)實驗室，鄭州450000

3.哈爾濱工程大學纖維集成光學教育部重點實驗室，哈爾濱150001

輸電線路作為電網(wǎng)系統(tǒng)中的重要設(shè)施，其穩(wěn)定性是確保電網(wǎng)安全運行的重中之重.然而，大風、覆冰等極端天氣狀況極易引發(fā)輸電線路的舞動，嚴重時引起輸電線路斷裂以及輸電桿塔倒塌等線路故障，導(dǎo)致供電系統(tǒng)停運而出現(xiàn)大面積停電現(xiàn)象，對社會造成極大的經(jīng)濟損失[1-2].鑒于此，本文建立一種新型的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)，能立刻檢測出輸電線路故障點并進行排查檢修以提高電力系統(tǒng)的安全性、實時性、可靠性，這對于提高中國電網(wǎng)的安全性具有重要的理論和工程意義.

在1955年至今的半個多世紀里，中國發(fā)生了上千起電路系統(tǒng)故障，造成供電系統(tǒng)故障的主要原因是雨雪冰凍天氣下輸電導(dǎo)線發(fā)生覆冰和舞動災(zāi)害[3].其中，覆冰災(zāi)害引起的中國高壓輸電設(shè)備損壞達1 000 多起，35 kV 及以上的輸電網(wǎng)發(fā)生的覆冰災(zāi)害高達87 起[4].隨著中國電力設(shè)備的不斷發(fā)展，覆冰、舞動災(zāi)害的發(fā)生頻率也隨之提高[5]，從2000年到2010年舞動引發(fā)的事故增至740 余例[6].僅以河南地區(qū)2003年為例，因?qū)Ь€舞動而造成的線路故障波及范圍高達13 個地級市，在河南南部、東部地區(qū)造成10 kV 中壓線路198 條、110 kV 及以上高壓線路32條跳閘[7].因此，如何有效監(jiān)測輸電線路，提前預(yù)警供電系統(tǒng)故障已經(jīng)成為世界各國維護電網(wǎng)安全穩(wěn)定的首要工作[8]，為此各國進行了大量實驗研究，也取得了一些行之有效且可供借鑒的經(jīng)驗[9].

自從Taylor 等人提出相位敏感光時域反射（phase-sensitive optical time-domain reflectometer, Φ-OTDR）以來[10]，該技術(shù)得到了不斷發(fā)展[11]，傳感距離和空間分辨率不斷提高[12].Φ-OTDR 與傳統(tǒng)OTDR 最大的不同在于Φ-OTDR 采用了具有窄線寬和低頻率漂移特性的相干光源[13]，極大地提高了空間分辨率和振動強度分辨率[14].因為采用了先進的解調(diào)算法，所以Φ-OTDR 具有測量信噪比和準確率更高[15]、傳感距離更長、實時性更好等優(yōu)勢，非常適合輸電線路振動的監(jiān)測[16].此外，Φ-OTDR 應(yīng)用于輸電線路的監(jiān)測，可使單根光纖同時監(jiān)測輸電線路的振動、溫度、應(yīng)變等多種參量，從而減少輸電系統(tǒng)不必要的設(shè)備，減輕輸電線路不必要的重量，實現(xiàn)輸電線路減負及運維管理簡便的目的，大大增強電網(wǎng)感知的深度和廣度，提升電網(wǎng)交互性、自動化和信息化[17].因此，本文利用舞動試驗機系統(tǒng)測試不同激振頻率下OPPC 的振動狀態(tài)，通過對比激振頻率和Φ-OTDR 測量信號，為Φ-OTDR 系統(tǒng)應(yīng)用于輸電線路的舞動監(jiān)測提供實驗基礎(chǔ).

1 試驗系統(tǒng)組成

1.1 Φ-OTDR 系統(tǒng)

Φ-OTDR 系統(tǒng)是利用散射光的相干性設(shè)計出的相位敏感型光時域反射系統(tǒng).光纖本身既是傳輸媒質(zhì)又是感知元件，即光纖上任意一點都是傳感單元，是一種真正意義上的全分布式光纖傳感器.當光纜某位置發(fā)生振動時，該位置的光纖發(fā)生形變，從而改變該處折射率，最終導(dǎo)致該處光的相位發(fā)生改變.因此，返回的發(fā)生干涉的瑞利后向散射光光強會因相位的改變而發(fā)生改變.通過與未發(fā)生振動檢測到的信號進行比較，最終找出光強變化的時間對應(yīng)振動的確切位置.基于瑞利后向散射的Φ-OTDR 原理如圖1 所示.

窄線寬激光器發(fā)出的激光，經(jīng)過聲光調(diào)制器（acousto-optic modulator, AOM）的脈沖，調(diào)制成重復(fù)頻率為f、脈寬為W 的脈沖序列，由光功率放大器放大后經(jīng)過環(huán)形器注入傳感光纖.當前向脈沖光遍歷傳感光纖時，后向瑞利散射光逆著光傳播方向經(jīng)環(huán)形器進入光纖邁克爾遜干涉儀.經(jīng)過干涉儀的干涉調(diào)制，干涉信號進入3×3 耦合器，由光電探測器探測光強以及數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)后，根據(jù)相應(yīng)的解調(diào)算法解調(diào)出傳感光纖處的振動信息.

圖1 Φ-OTDR 系統(tǒng)原理Figure 1 Principle of Φ-OTDR system

本次試驗搭建的Φ-OTDR 系統(tǒng)性能指標如表1 所示.

表1 Φ-OTDR 系統(tǒng)性能指標Table 1 Performance of Φ-OTDR system

1.2 舞動試驗機系統(tǒng)

舞動試驗機實物如圖2 中的(a)所示，各組成部分位置分布如圖2 中的(b)所示.懸掛點A 與B 的間距為61 m，激振器位于兩懸掛點之間，與懸掛點A 和B 的距離分別為55.5 m 和5.5 m；光纖復(fù)合相線(optical phase conductor, OPPC)兩端由預(yù)絞絲固定到懸掛點上，其中一端懸掛點A 的位置固定，另外一端懸掛點B 與耐張拉力機連接，兩懸掛點之間的OPPC 長度約為61 m；利用耐張拉力機可以調(diào)整兩懸掛點之間OPPC 的拉力，最大拉力可達105N；OPPC 與激振器連接，并由激振器施加不同頻率的激振信號.

圖2 舞動試驗機Figure 2 Galloping test machine

懸掛點A、懸掛點B、耐張拉力機、激振器如圖3 所示.

圖3 舞動試驗機各部分結(jié)構(gòu)Figure 3 Structures of galloping test machine

試驗中采用的OPPC 型號為OPPC-24B1-400/50，其外觀和尺寸與常規(guī)LGJ-400/50 導(dǎo)線一致，內(nèi)含24 根單模光纖.在舞動試驗機尾端將OPPC 末端任意兩根光纖熔接，并在舞動試驗機首端處接入Φ-OTDR 系統(tǒng).

2 舞動試驗機OPPC應(yīng)變仿真分析

如圖4 所示，當激振器對OPPC 施加不同頻率的激振時，OPPC 不同位置發(fā)生的應(yīng)變變化可采用Comsol Multiphysics 有限元仿真軟件進行模擬分析.OPPC 簡化為鋁線、填充物的兩層結(jié)構(gòu).OPPC 直徑設(shè)為36 mm，密度設(shè)為3 346 kg/m3，楊氏模量設(shè)為6.8×1010Pa，泊松比設(shè)為0.29；填充部分直徑設(shè)為6 mm，密度設(shè)為2 540 kg/m3，楊氏模量設(shè)為7×109Pa，泊松比設(shè)為0.17.兩懸掛點固定，其間距為6.6 m，激振器就位于兩懸掛點之間.

圖4 OPPC 有限元方法的仿真模型Figure 4 Simulation model of OPPC by finite element method

在激振點位置施加幅值為0.5 m、頻率為0.8 Hz 的激振，幅值隨時間的變化為0.5cos(1.6πt)，經(jīng)仿真得到OPPC 在10 s 時刻的應(yīng)變和變形如圖5 所示.

圖5 OPPC 應(yīng)變和變形的仿真結(jié)果Figure 5 Simulation results of strain and deformation of OPPC

提取OPPC 所有位置的應(yīng)變在10 s 內(nèi)隨時間的變化如圖6 中的(a)所示，激振器和懸掛點位置的應(yīng)變幅值變化明顯大于它們各自附近位置的應(yīng)變幅值變化，這是由兩個位置點的應(yīng)力集中造成的.經(jīng)傅里葉變換得到頻域信號如圖6 中的(b)所示，頻域信號中出現(xiàn)對應(yīng)激振頻率0.8 Hz 的頻率峰值信號.光纖位于填充物中心且相對于填充物較細，因此認為填充物中心的應(yīng)變?yōu)楣饫w的應(yīng)變.提取填充物中心位置的應(yīng)變變化如圖6 中的(c)和(d)所示，各個位置的OPPC 外表面應(yīng)變均傳遞到填充物中心，可見應(yīng)變衰減一致，因此光纖的應(yīng)變可以充分反映OPPC 外表面的應(yīng)變變化.

3 舞動模擬試驗及測試結(jié)果分析

利用激振器對OPPC 施加不同的激振頻率，模擬OPPC 覆冰后在風力作用下的舞動狀態(tài).當舞動試驗機處于穩(wěn)定狀態(tài)即激振器未對OPPC 施加激振信號時，測試60 s 內(nèi)的OPPC信號，測得時域信號后進行傅里葉變換，得到頻域信號如圖7 所示.OPPC 位于180～270 m以及290～380 m 位置.圖7 中的(a)僅畫出0～1 s 內(nèi)的時域信號.

由三維時域信號圖7 中的(a)可以看出：當OPPC 處于穩(wěn)定狀態(tài)時，時域信號幅值較小且變化不大，說明OPPC 各個位置的應(yīng)變較穩(wěn)定.由三維頻域信號圖7 中的(b)可以看出：頻域信號峰值較高的位置集中于0.1 Hz 以下，說明OPPC 中光纖應(yīng)變變化緩慢，可能由外界環(huán)境緩變因素如溫度波動所引起.

圖6 激振頻率為0.8 Hz 時OPPC 外表面和填充物中心的應(yīng)變變化Figure 6 Strain changes of OPPC surface and filler center with 0.8 Hz excitation frequency

圖7 是否施加激振時由Φ-OTDR 測得的信號Figure 7 Signal measured by Φ-OTDR with and without excitation frequency

控制激振器對OPPC 施加頻率為0.5 Hz 的激振信號，測得時域信號并進行傅里葉變換,得到頻域信號如圖7 中的(c)和(d)所示.因為OPPC 中的光纖在尾端處連接，所以測量信號關(guān)于光纖長度280 m 處為基本對稱的兩部分，其差異性是由光纖在OPPC 中的位置不同以及光纖內(nèi)光的偏振態(tài)變化所引起的.

與未施加激振時相比，施加激振后的時域信號幅值顯著增大，OPPC 應(yīng)變變化劇烈，出現(xiàn)了OPPC 懸掛點頻率信號強而其他位置頻率信號弱的現(xiàn)象.在OPPC 懸掛點位置出現(xiàn)與激振頻率值相同的較高的頻率峰值，同時在懸掛點A 和B 之間的OPPC 位置出現(xiàn)與激振頻率一致即0.5 Hz 的頻率峰值.

隨著所施加的激振頻率的升高，OPPC 舞動幅值總體上逐漸增大，最大出現(xiàn)在共振頻率1 Hz 附近.控制激振器對OPPC 施加頻率為1 Hz 的激振信號，測得時域信號并對其進行傅里葉變換，得到頻域信號如圖8 所示.在OPPC 各個位置的振動中，出現(xiàn)與施加激振頻率相等的1 Hz頻率峰值.與圖7 中的(c)和(d)施加0.5 Hz 激振的信號相比，激振對應(yīng)的頻率在OPPC各個位置明顯高于其他頻率，而OPPC 中的其他振動頻率被顯著抑制.

圖8 施加頻率為1 Hz 的激振時由Φ-OTDR 測得的信號Figure 8 Signal measured by Φ-OTDR with 1 Hz excitation frequency

將仿真結(jié)果圖6 與施加激振的實驗結(jié)果圖7 和8 進行對比，懸掛點位置的應(yīng)變變化高于各懸掛點附近的應(yīng)變變化.在仿真圖中僅出現(xiàn)與施加激振頻率相對應(yīng)的頻率峰，而在實驗結(jié)果中出現(xiàn)多個雜散頻率峰，造成這種差異的原因如下：激振器施加的頻率不是絕對單一頻率，而是混雜有其他頻率；施加激振后，整個舞動試驗機結(jié)構(gòu)產(chǎn)生其他頻率，一旦傳遞到OPPC上，就會混雜到測量信號中.

取OPPC 所有位置點與激振頻率一致的頻率信號強度，如圖9 所示.在OPPC 懸掛點A、B 和激振器C 的位置附近，激振頻率值對應(yīng)的頻率信號強度高于其他位置的信號強度，這是因為懸掛點和激振器位置附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致應(yīng)變變化劇烈.在OPPC 除懸掛點A、B和激振器C 外的其他位置，當激振頻率較低時，頻率信號強度在光纖長度方向上抖動劇烈.

取圖9 中OPPC 除懸掛點A、B 和激振器C 外其他位置與激振頻率一致的頻率信號強度總體值，如圖中紅色線所示，得到強度總體值隨激振頻率的變化如圖10 所示.隨著激振頻率的不斷升高，激振頻率值對應(yīng)的頻率信號的強度總體上呈上升趨勢.當激振頻率為1.0 Hz 時,信號強度達到最大，其值為1.06×104；當激振頻率繼續(xù)增大至1.1 Hz 時，激振頻率值對應(yīng)的頻率信號的強度迅速減小至0.3×104.當激振頻率較低時，OPPC 中被激起的頻率較多；當激振頻率越來越高并接近固有頻率1.0 Hz 時，其他頻率的信號被抑制；當激振頻率為1.1 Hz 時，激振遠離固有頻率，信號強度變低.

4 結(jié) 語

本文利用Φ-OTDR 系統(tǒng)，通過激振器對舞動試驗機上的OPPC 施加不同的激振頻率，提取不同振動狀態(tài)下Φ-OTDR 系統(tǒng)測量信號的特征.對于同一激振頻率，導(dǎo)線懸掛點和施力點等應(yīng)力集中位置采集到的信號明顯高于整根導(dǎo)線其他位置的信號；對于不同的激振頻率，當接近1.0 Hz 固有頻率時，整根導(dǎo)線信號明顯大于其他激振頻率下的信號.實驗結(jié)果證明了以Φ-OTDR 系統(tǒng)監(jiān)測輸電線路導(dǎo)線舞動信息的可行性，這對于利用Φ-OTDR 技術(shù)實現(xiàn)真實輸電線路舞動狀態(tài)監(jiān)測奠定了實驗基礎(chǔ).

圖9 施加不同頻率的激振時由Φ-OTDR 測得的相應(yīng)頻率的信號Figure 9 Signal of corresponding frequency measured by Φ-DTDR when excitation of different frequencies is applied

圖10 激振頻率與相應(yīng)頻率的信號強度關(guān)系Figure 10 Relationship between excitation frequency and signal amplitude of corresponding frequency