常恩山

（榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，榆林 719000）

引言

OPPC 是一種新型電力光纜，具有電能輸送和電力通信的雙重功能，廣泛應(yīng)用于新型電力系統(tǒng)。然而由于惡劣的自然環(huán)境和復(fù)雜的地理環(huán)境，OPPC 在長(zhǎng)期服役過(guò)程中，容易受到冰災(zāi)等自然災(zāi)害的影響，導(dǎo)致其應(yīng)力發(fā)生變化，可能存在巨大的隱患。同時(shí)，由于OPPC 承載著持續(xù)的電流，可能導(dǎo)致熱阻較大的地方出現(xiàn)過(guò)熱點(diǎn)，威脅到線(xiàn)路運(yùn)行安全。因此，有必要對(duì)OPPC 的應(yīng)力應(yīng)變和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。目前，關(guān)于OPPC 溫度監(jiān)測(cè)的方法較多，如郝偉博等通過(guò)預(yù)絞絲將光纖復(fù)合相線(xiàn)（optical phase conductor， OPPC）安裝在室內(nèi)舞動(dòng)試驗(yàn)機(jī)上，并利用相位敏感光時(shí)域反射（phase-sensitive optical timedomain reflectometer,Φ-OTDR）技術(shù)進(jìn)行舞動(dòng)狀態(tài)識(shí)別和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了OPPC 的舞動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，為保障OPPC的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了新思路[1]。栗鳴等針對(duì)光纖復(fù)合架空相線(xiàn)（OPPC）預(yù)絞式耐張線(xiàn)夾處光纖溫度監(jiān)測(cè)，提出在耐張線(xiàn)夾處加裝一根截面相等的分流線(xiàn)的系統(tǒng)，避免了OPPC 長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了OPPC 溫度監(jiān)測(cè)[2]。徐志鈕等通過(guò)研究不同氣象條件下的變化特征和風(fēng)速對(duì)OPPC 溫度的影響，并建立光纖復(fù)合相線(xiàn)覆冰的溫度場(chǎng)三維模型，采用有限元方法進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)了OPPC 溫度監(jiān)測(cè)[3]。通過(guò)上述研究可以發(fā)現(xiàn)，關(guān)于OPPC溫度監(jiān)測(cè)的方法較多，但缺乏對(duì)其應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測(cè)。然而實(shí)際OPPC 應(yīng)用中，其安全穩(wěn)定運(yùn)行與應(yīng)力應(yīng)變和溫度均具有密切關(guān)系。因此，在OPPC 在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，需同時(shí)滿(mǎn)足其溫度監(jiān)測(cè)與應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)。為此，本研究基于光纖傳感器和布里淵測(cè)溫系統(tǒng)，對(duì)比分析了BOTDA和BOTDR 兩種系統(tǒng)在OPPC 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用效果。

1 布里淵測(cè)溫系統(tǒng)基本原理

布里淵測(cè)溫系統(tǒng)是一種超長(zhǎng)距離的分布式光纖傳感器，可通過(guò)利用OPPC 中的光纖，建立光檢測(cè)通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)OPPC 中應(yīng)變與溫度的在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。布里淵測(cè)溫測(cè)通主要包括BOTDA 和BOTDR 兩種光纖傳感技術(shù)[4]。

BOTDA 是基于受激布里淵散射現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)應(yīng)變與溫度測(cè)量，通過(guò)采用2 個(gè)相向傳輸?shù)墓馐鴮?duì)布里淵散射進(jìn)行增強(qiáng)處理，加大信號(hào)強(qiáng)度，可獲取更精確的測(cè)量結(jié)果[5]。BOTDR 是一種利用單一脈沖進(jìn)行單端測(cè)量的傳感方法。相較于BOTDA 系統(tǒng)，具有應(yīng)用方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。但由于BOTDR 是單端測(cè)量，因此其測(cè)量精度較BOTDA系統(tǒng)更低，測(cè)量范圍更小[6]。

采用BOTDA 和BOTDR 系統(tǒng)測(cè)量OPPC 光纖的應(yīng)變和溫度時(shí)，由于OPPC 光纖應(yīng)變和溫度變化量與光纖的布里淵頻移變化量成正比，如式（1），因此可通過(guò)測(cè)量布里淵頻移變量測(cè)定其應(yīng)變和溫度變化量[7]。

式中：

?vB—布里淵頻移變化量；

基于BOTDA 和BOTDR 的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有分布式、實(shí)時(shí)性、長(zhǎng)距離、高精度等優(yōu)勢(shì)，不僅能克服輸電線(xiàn)路強(qiáng)電磁干擾，還能適用于惡劣環(huán)境的輸電線(xiàn)路監(jiān)測(cè)。因此，本研究采用上述兩種系統(tǒng)對(duì)OPPC 進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并從測(cè)量距離、空間分辨率等方面分析了BOTDA 和BOTDR 兩種系統(tǒng)對(duì)OPPC 應(yīng)變測(cè)量的效果，以及兩種系統(tǒng)對(duì)OPPC 溫度的測(cè)量效果。

2 基于BOTDA/R 的OPPC 在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案

2.1 OPPC 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于BOTDA/R 的OPPC 結(jié)構(gòu)截面如圖1 所示。主要包括第一光單元、緊套光纖、鋁線(xiàn)、第二光單元、松套光纖、鋁包鋼線(xiàn)。其中，第一光單元置于光纖相線(xiàn)結(jié)構(gòu)的中心層，負(fù)責(zé)測(cè)量OPPC 光纜應(yīng)力應(yīng)變，第二光單元置于光纖相線(xiàn)結(jié)構(gòu)的絞合層，負(fù)責(zé)測(cè)量OPPC 光纜溫度[8]。該結(jié)構(gòu)中，中心層設(shè)置了零余長(zhǎng)，絞合層設(shè)置了較大的余長(zhǎng)[9]。如此，即可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)OPPC 相線(xiàn)結(jié)構(gòu)的全過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變和溫度。

圖1 OPPC 結(jié)構(gòu)截面圖

2.2 監(jiān)測(cè)流程

基于BOTDA/R 的OPPC 在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流程如圖2 所示，通過(guò)采用光纖連接跳線(xiàn)和光纖連接盒將BOTDA/R 主機(jī)和OPPC 進(jìn)行相互銜接，可實(shí)現(xiàn)OPPC 的在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。BOTDA/R 主機(jī)的監(jiān)測(cè)原理如圖3 所示。

圖3 監(jiān)測(cè)主機(jī)原理

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本次實(shí)驗(yàn)OPPC 應(yīng)力在線(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量分為實(shí)驗(yàn)室和實(shí)例驗(yàn)證兩個(gè)部分，溫度測(cè)量包括實(shí)例驗(yàn)證，與應(yīng)力實(shí)例驗(yàn)證條件相同。

應(yīng)力實(shí)驗(yàn)室測(cè)試使用的光纖為1 卷20 km 和2 卷50 km 的光纖熔接形成的120 km 光纖。BOTDA 系統(tǒng)測(cè)試中，耦合器將激光器產(chǎn)生的光解耦為泵浦脈沖光和探測(cè)光，泵浦脈沖光通過(guò)擾偏器、摻鉺光纖放大器進(jìn)入待測(cè)光纖，探測(cè)光經(jīng)過(guò)光衰減器進(jìn)入待測(cè)光纖。泵浦脈沖光和探測(cè)光在光纖中相互作用后產(chǎn)生回波信號(hào)，并通過(guò)濾波器和探測(cè)器，即可轉(zhuǎn)換為電信號(hào)[10]。BOTDR 系統(tǒng)測(cè)試中，泵浦光由環(huán)形器進(jìn)入待測(cè)光纖，回波信號(hào)與參考光通過(guò)耦合器混頻進(jìn)入平衡探測(cè)器，可得到電信號(hào)。最后通過(guò)濾波和檢波，即可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力測(cè)試[11,12]。兩種系統(tǒng)的測(cè)試裝置圖如圖4 所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試裝置圖

應(yīng)力與溫度實(shí)例驗(yàn)證選用2022 年10 月至12 月湖南某地區(qū)運(yùn)行10 年的500 kV 高壓輸電線(xiàn)在運(yùn)行OPPC光纜進(jìn)行研究。該光纜總長(zhǎng)為95 km，含13 芯，曾遭受過(guò)嚴(yán)重的冰災(zāi)，存在一定的運(yùn)行安全隱患。具體監(jiān)測(cè)示意圖如圖5 所示。圖中，BOTDA 和BOTDR 均放置于stationA，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)OPPC 光纜中的13 芯。其中，BOTDA 系統(tǒng)（如圖5（a））為雙端測(cè)量，其脈沖光信號(hào)（Pump）端和連續(xù)光信號(hào)（Probe）端可通過(guò)跳線(xiàn)連接stationA 與配線(xiàn)架13 芯端口，遠(yuǎn)端放大器輸入與輸出端可通過(guò)跳線(xiàn)連接stationB 與配線(xiàn)架的13 芯端口[13,14]。如此，實(shí)現(xiàn)了OPPC 的環(huán)路監(jiān)測(cè)，環(huán)路總長(zhǎng)約190 km。BOTDR 系統(tǒng)（如圖5（b））為單端測(cè)量，其Pump 端可通過(guò)跳線(xiàn)連接stationA 與配線(xiàn)架13 芯端口。

圖5 實(shí)例驗(yàn)證監(jiān)測(cè)示意圖

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 應(yīng)變測(cè)量結(jié)果

1）實(shí)驗(yàn)室結(jié)果

采用BOTDA 和BOTDR 系統(tǒng)對(duì)損耗為0.2 dB/km 的光纖進(jìn)行測(cè)試。BOTDA 系統(tǒng)測(cè)試中，光纖環(huán)路長(zhǎng)度為240 km，傳感光纖和傳輸光纖均為120 km。設(shè)置拉曼方法器功率為300 mW，探測(cè)光功率為5 mW，泵浦光峰值功率為200 mW，空間分辨率為10 m。使用拉曼放大器對(duì)120 km 處探測(cè)光進(jìn)行放大，結(jié)果如圖6（a）。由圖6（a）可知，BOTDA 系統(tǒng)的尾端精度為±18 με。BOTDR 系統(tǒng)測(cè)試中，設(shè)置泵浦光峰值功率為300 mW，空間分辨率為50 m，測(cè)得結(jié)果如圖6（b）。由圖可知，BOTDR系統(tǒng)在80 km 處尾端精度為±76 με，60 km 處精度為±30 με。

圖6 實(shí)驗(yàn)室應(yīng)變測(cè)量結(jié)果

2）實(shí)例結(jié)果

為分析BOTDA 和BOTDR 系統(tǒng)對(duì)OPPC 的監(jiān)測(cè)效果，實(shí)驗(yàn)對(duì)比了兩種系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)OPPC線(xiàn)路的有效測(cè)量距離，結(jié)果如圖7 所示。由圖可知，BOTDA 和BOTDR 系統(tǒng)的有效測(cè)量距離分別為95.22 km 和68.09 km，但BOTDA系統(tǒng)可有效測(cè)量整段線(xiàn)路的應(yīng)變分布，而B(niǎo)OTDR 系統(tǒng)僅能測(cè)量前25 km 線(xiàn)路的應(yīng)變分布，且在70 km 處存在異常區(qū)域。由此說(shuō)明，相較于BOTDR 系統(tǒng)，BOTDA 系統(tǒng)對(duì)OPPC 的監(jiān)測(cè)距離更長(zhǎng)，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖7 不同系統(tǒng)測(cè)量的有效距離對(duì)比

具體來(lái)看，圖中存在平坦的臺(tái)階狀信號(hào)，其形成原因可能是不同批次光線(xiàn)的布里淵頻移值不同，因此可利用該特點(diǎn)定位光纜熔接處；圖中存在4 個(gè)應(yīng)變異常區(qū)域area1~area4，其形成原因可能是該段線(xiàn)路曾受到冰災(zāi)影響，導(dǎo)致線(xiàn)路產(chǎn)生非彈性應(yīng)變，存在一定安全隱患；兩種系統(tǒng)在area1 存在多個(gè)連續(xù)應(yīng)變區(qū)域。

圖8為BOTDA 和BOTDR 兩種系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果對(duì)比。BOTDA 和BOTDR 系統(tǒng)測(cè)得的布里淵頻移變化趨勢(shì)相似，但在細(xì)節(jié)上有所不同，如圖中13 km 處的放大圖像可知，兩種系統(tǒng)存在細(xì)微差異。分析其原因是，BOTDA 和BOTDR 兩種系統(tǒng)分別使用的是10 m 和50 m空間分辨率，而空間分辨率不同，能夠探測(cè)應(yīng)變變化也不同。空間分辨率越高，更能測(cè)量細(xì)節(jié)應(yīng)變變化[15]。因此，在細(xì)節(jié)應(yīng)變變化測(cè)量方面，BOTDA 系統(tǒng)優(yōu)于BOTDR 系統(tǒng)。

圖8 不同系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果對(duì)比

考慮到BOTDA 和BOTDR 系統(tǒng)均對(duì)溫度信息和應(yīng)變信息交叉敏感，因此為獲取準(zhǔn)確的應(yīng)變信息，需對(duì)溫度信息和應(yīng)變信息進(jìn)行解耦。由于在用OPPC 無(wú)法獲取布里淵頻移初始值，因此需在線(xiàn)路中的零應(yīng)變處對(duì)溫度信息和應(yīng)變信息進(jìn)行提取。實(shí)際應(yīng)用中，OPPC 通常在桿塔處進(jìn)行熔接，其引下線(xiàn)長(zhǎng)度約為55 m，且不受應(yīng)力。因此，可將引下線(xiàn)的應(yīng)變視為0 并作為參考點(diǎn)，解耦溫度信息和應(yīng)變信息，同時(shí)將布里淵頻移值轉(zhuǎn)化為應(yīng)變量。由圖8 可知，實(shí)驗(yàn)中OPPC 的引下線(xiàn)位于線(xiàn)路的16 km 處，因此，研究對(duì)該處進(jìn)行放大，得到圖9 所示兩種系統(tǒng)對(duì)引下線(xiàn)的測(cè)量結(jié)果。圖中，L1 和L2 為應(yīng)變區(qū)域，其形成原因是OPPC受到應(yīng)力引起了光線(xiàn)的布里淵頻移變化。采用BOTDA 系統(tǒng)對(duì)圖中中間區(qū)域進(jìn)行分析可知，兩段不受力的光纜及其熔接處的布里淵頻移發(fā)生了跳變，而采用BOTDR 系統(tǒng)不能觀(guān)察到該細(xì)節(jié)，無(wú)法判斷該區(qū)域?yàn)橐戮€(xiàn)，分析其原因是，BOTDR 系統(tǒng)的空間分辨率較低。由此說(shuō)明，BOTDA 系統(tǒng)相較于BOTDR 系統(tǒng)，對(duì)引下線(xiàn)的測(cè)量更為準(zhǔn)確。

圖9 兩種系統(tǒng)對(duì)引下線(xiàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比

為評(píng)估OPPC 運(yùn)行的安全狀況，研究分析了整段線(xiàn)路中最大應(yīng)變區(qū)域的應(yīng)力情況。根據(jù)圖9 可知，整段線(xiàn)路的最大應(yīng)變區(qū)域位于線(xiàn)路的（10~20）km 處。同時(shí)，根據(jù)圖7 中引下線(xiàn)位置，采用兩段引下線(xiàn)作為參考點(diǎn)，并將布里淵頻移轉(zhuǎn)化為應(yīng)變?？紤]到溫度對(duì)OPPC 的布里淵頻移影響較慢，因此計(jì)算應(yīng)變時(shí)，可將最大應(yīng)變區(qū)域的溫度視為不變。分別采用BOTDA 和BOTDR 系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖10 所示。由圖可知，BOTDA 和BOTDR 系統(tǒng)測(cè)得的C1 區(qū)域應(yīng)變分別為0 和0.05 %。分析造成這種差異的原因是，BOTDA 準(zhǔn)確找到了引下線(xiàn)，而B(niǎo)OTDR 系統(tǒng)未找到引下線(xiàn)。BOTDA 和BOTDR系統(tǒng)測(cè)得的C2 區(qū)域應(yīng)變分別為0.34 %和0.35 %。分析造成這種差異的原因同樣是BOTDR 系統(tǒng)選擇的參考點(diǎn)錯(cuò)誤。針對(duì)C3 引下線(xiàn)區(qū)域，BOTDA 系統(tǒng)測(cè)得其應(yīng)變?yōu)?，而B(niǎo)OTDR 系統(tǒng)測(cè)得其應(yīng)變異常。整體來(lái)看，相較于BOTDR 系統(tǒng)，BOTDA 系統(tǒng)由于空間分辨率更高，更有利于分析OPPC 的應(yīng)變情況。

圖10 兩種系統(tǒng)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果對(duì)比

為定量分析BOTDA 和BOTDR 系統(tǒng)對(duì)OPPC 應(yīng)變測(cè)量結(jié)果，研究統(tǒng)計(jì)了兩種系統(tǒng)的性能指標(biāo)，結(jié)果如表1所示。由表1 可知，相較于BOTDR 系統(tǒng)，BOTDA 系統(tǒng)的測(cè)量有效距離更長(zhǎng)、空間分辨率更高、測(cè)量精度更高，且更容易準(zhǔn)確定位引下線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路應(yīng)力分析，具有一定的優(yōu)越性。

表1 不同系統(tǒng)性能對(duì)比

3.2.2 溫度測(cè)量結(jié)果對(duì)比

為分析BOTDA 和BOTDR 系統(tǒng)對(duì)OPPC 溫度的測(cè)量效果，研究從OPPC 中任意選取某點(diǎn)，對(duì)比了兩種系統(tǒng)在該點(diǎn)的歷史溫度變化情況，結(jié)果如圖11 所示。由圖可知，相較于BOTDR 系統(tǒng)，BOTDA 系統(tǒng)測(cè)量得到的溫度噪聲更小，運(yùn)行更穩(wěn)定，可良好地反映OPPC 運(yùn)行溫度變化情況。

圖11 不同系統(tǒng)測(cè)量的OPPC 某點(diǎn)歷史溫度變化

為進(jìn)一步分析兩種系統(tǒng)對(duì)OPPC 的溫度測(cè)量情況，研究分析了該點(diǎn)實(shí)測(cè)最高溫度和最低溫度，并將其與天氣預(yù)報(bào)溫度進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖12 所示。由圖可知，BOTDA 系統(tǒng)測(cè)得的該點(diǎn)最高溫度與天氣預(yù)報(bào)溫度變化趨勢(shì)幾乎一致，測(cè)得的最低溫度與天氣預(yù)報(bào)溫度變化趨勢(shì)略有差異，存在部分突變，其原因可能與環(huán)境環(huán)境溫度和風(fēng)速相關(guān)。而B(niǎo)OTDR 系統(tǒng)測(cè)得的最高溫度和最低溫度均與天氣預(yù)報(bào)溫度變化趨勢(shì)存在差異。由此說(shuō)明，BOTDA 系統(tǒng)相較于BOTDR 系統(tǒng)，對(duì)OPPC 的溫度測(cè)量效果更好，更能實(shí)時(shí)反映OPPC 的溫度運(yùn)行狀況，確保OPPC 運(yùn)行安全。

圖12 不同測(cè)量的OPPC 某點(diǎn)高溫度和最低溫度與天氣預(yù)報(bào)溫度對(duì)比

4 結(jié)論

綜上所述，所提基于光纖傳感器的OPPC 在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)采用BOTDA 系統(tǒng)與BOTDR 系統(tǒng)，均可實(shí)現(xiàn)對(duì)OPPC 的應(yīng)力應(yīng)變和溫度的在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。相較于采用單一脈沖進(jìn)行單端測(cè)量的BOTDR 系統(tǒng)，采用2個(gè)相向傳輸光束進(jìn)行雙端測(cè)量的BOTDA 系統(tǒng)，測(cè)量有效距離更長(zhǎng)、空間分辨率更高、測(cè)量精度更高，并且能更能實(shí)時(shí)地反映OPPC 的溫度運(yùn)行狀況，確保OPPC 運(yùn)行安全。本研究雖分析了BOTDA 與BOTDR 兩種系統(tǒng)在OPPC 中對(duì)應(yīng)力應(yīng)變和溫度的測(cè)量效果，認(rèn)為BOTDA 系統(tǒng)優(yōu)于BOTDR 系統(tǒng)，但實(shí)際應(yīng)用中，由于OPPC 的實(shí)際長(zhǎng)度可能超過(guò)BOTDA 系統(tǒng)的有效測(cè)量距離，因此采用單一的BOTDA 系統(tǒng)進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可能存在監(jiān)測(cè)效果不理想的問(wèn)題。因此，應(yīng)考慮OPPC 在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)際情況，嘗試結(jié)合BOTDA 系統(tǒng)與BOTDR 系統(tǒng)，以便更有效地實(shí)現(xiàn)OPPC 的在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。