BOTDA技術(shù)在電網(wǎng)重冰區(qū)在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

熊文賢，趙澤彪，龍波，李銳

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昭通供電局，云南 昭通 657000)

BOTDA技術(shù)在電網(wǎng)重冰區(qū)在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

熊文賢，趙澤彪，龍波，李銳

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昭通供電局，云南 昭通 657000)

分析了新型分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)——布里淵光時(shí)域分析技術(shù) (BOTDA)的原理，提出了將BOTDA技術(shù)用于重冰區(qū)的OPGW運(yùn)行及融冰過程在線監(jiān)測(cè)方案，并將BOTDA技術(shù)用于OPGW線路監(jiān)測(cè)中，獲得各條線路的溫度、應(yīng)變信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了線路的異常區(qū)域，為線路維護(hù)檢修提供科學(xué)的數(shù)據(jù)。

OPGW；BOTDA；溫度；應(yīng)變；在線監(jiān)測(cè)

0 前言

光纖復(fù)合架空地線 (OPGW)是一種集架空地線和光纖為一體的特種光纜，兼具地線與通信雙重功能，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。冰災(zāi)對(duì)OPGW危害大，覆冰嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生斷線、倒塔等事故。某地區(qū)是輸電線路覆冰的重災(zāi)區(qū)，在多個(gè)變電站安裝了直流融冰裝置。與導(dǎo)線相比，OPGW在設(shè)計(jì)上沒有考慮傳輸電流的影響，在多次通電融冰后有可能會(huì)對(duì)OPGW產(chǎn)生一定的損傷，監(jiān)測(cè)重冰區(qū) OPGW運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)獲得OPGW全程的溫度、應(yīng)變信息，對(duì)避免線路受損具有重要意義。

1 BOTDA技術(shù)原理

光在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖材料的密度、折射率等光學(xué)性質(zhì)存在微觀不均勻性，入射光會(huì)產(chǎn)生散射現(xiàn)象，包括瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射，如圖1所示。

圖1 光纖背向散射光譜圖

布里淵散射是光波與聲波在光纖中的傳播時(shí)互相作用而產(chǎn)生的光散射過程。光纖材料分子的布朗運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生聲學(xué)噪聲，當(dāng)這種聲學(xué)噪聲在光纖中傳播時(shí)，其壓力差將引起材料折射率的變化，從而對(duì)傳輸光產(chǎn)生散射作用，同時(shí)聲波在材料中的傳播將使壓力差及折射率變化呈周期性，導(dǎo)致散射光頻率相對(duì)于傳輸光有一個(gè)多普勒頻移 (布里淵頻移)，這種散射稱為布里淵散射。

布里淵散射是光波與聲波在光纖中的傳播時(shí)互相作用而產(chǎn)生的光散射過程。光纖材料分子的布朗運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生聲學(xué)噪聲，當(dāng)這種聲學(xué)噪聲在光纖中傳播時(shí)，其壓力差將引起材料折射率的變化，從而對(duì)傳輸光產(chǎn)生散射作用，同時(shí)聲波在材料中的傳播將使壓力差及折射率變化呈周期性，導(dǎo)致散射光頻率相對(duì)于傳輸光有一個(gè)多普勒頻移 (布里淵頻移)，這種散射稱為布里淵散射。

布里淵頻移νB與入射光波長λ、聲速νA和折射率n的關(guān)系式如下：

對(duì)于普通的單模光纖，折射率n=1.46，聲速νA=5 945 m/s，入射光波長λ=1.55 μm時(shí)，布里淵頻移νB=11.2 GHz。

當(dāng)環(huán)境溫度變化或光纖產(chǎn)生形變時(shí)，光纖中聲速νA和光的折射率n都會(huì)隨之變化，從而使布里淵頻移νB發(fā)生變化，布里淵頻移與環(huán)境溫度、光纖應(yīng)變成線性關(guān)系：

式中ΔvB為布里淵頻移變化量；Δε為光纖軸向應(yīng)變；ΔTR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，溫度系數(shù)CT約為1.1 MHz/℃，應(yīng)變系數(shù)Cε約為0.048 3 MHz/με，因此可以通過測(cè)量光纖布里淵頻移的變化量獲得光纖的溫度、應(yīng)變信息。

BOTDA傳感技術(shù)最初由Horiguchi等人提出，該技術(shù)最初是為測(cè)量長距離光纖損耗而提出的，在觀察到布里淵頻移受溫度和應(yīng)變影響的現(xiàn)象后，BOTDA技術(shù)便發(fā)展成為一種新型測(cè)量技術(shù)。BOTDA設(shè)備包括兩個(gè)窄線寬的激光光源，分別為泵浦光源 (脈沖光)和探測(cè)光源 (連續(xù)光)，這兩個(gè)光源發(fā)出的激光在光纖中反向傳輸，在光纖的脈沖端測(cè)量光纖散射信號(hào)，如圖2所示。

圖2 BOTDA工作原理

泵浦光和探測(cè)光分別從光纖的兩端分別注入，當(dāng)泵浦光與探測(cè)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。通過掃描探測(cè)光頻率，可獲得光纖任一點(diǎn)的布里淵頻譜，從而得到分布式應(yīng)變和溫度測(cè)量。

BOTDA是目前技術(shù)最先進(jìn)的分布式光纖傳感設(shè)備，經(jīng)調(diào)研及比對(duì)，選用了NTB-50型BOTDA設(shè)備，該設(shè)備基于多項(xiàng)專利技術(shù)設(shè)計(jì)，集光電、硬件、計(jì)算機(jī)和信息處理等高新技術(shù)于一體，它直接采用常規(guī)通信單模光纖作為傳感器，光纖既是傳輸介質(zhì)，又是傳感元件，可實(shí)現(xiàn)沿60 km長度光纖分布的溫度、應(yīng)變實(shí)時(shí)測(cè)量。

2 OPGW在線監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)方案

OPGW在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括BOTDA主機(jī)、多通道模塊、OPGW光單元、監(jiān)控室、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心等幾部分組成。

圖3 OPGW線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

從溫度整體曲線上看，甘大線OPGW線路無溫度異常點(diǎn)，溫度分布正常。

圖4 OPGW溫度分布圖

圖5 OPGW應(yīng)變分布圖

從圖4上看，甘大線OPGW的平均應(yīng)變約為100με，但在距離甘頂變26.6～27.6 km之間的1 km范圍內(nèi)出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，從圖中5中的小圖中看出，應(yīng)變值在0με到1 500με之間波動(dòng)，應(yīng)變的最大值遠(yuǎn)大于平均應(yīng)變值，說明該段OPGW線路上存在較大拉力。經(jīng)對(duì)該段線路進(jìn)行實(shí)地勘察分析，結(jié)論與系統(tǒng)監(jiān)測(cè)一致，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。

3 結(jié)束語

BOTDA是一種先進(jìn)的分布式光纖在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，該技術(shù)成功應(yīng)用在 實(shí)際中，為輸電線路地線直流融冰工作起到了重要作用，確保了融冰工作的順利開展。

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[2] 何玉均，伊成群.布里淵散射分布式光纖傳感技術(shù) [J].傳感器世界，2001，(12)，16-21.

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熊文賢，男，工程師，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昭通供電局，系統(tǒng)運(yùn)行部通信班班長。

趙澤彪，男，工程師，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昭通供電局，系統(tǒng)運(yùn)行部主任。

龍波，男，工程師，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昭通供電局，系統(tǒng)運(yùn)行部通信班副班長。

Application of BOTDA Grid Technology in Zhaotong Heavy Ice OPGW Online Monitoring

XIONG Wenxian，ZHAO Zebiao，LONG Bo，LI Rui
(Zhaotong Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Zhaotong，Yunnan 657000，China)

this paper analyzes the new type of distributed fiber optic monitoring technology，brillouin optical time-domain analysis (BOTDA)principle，put forward BOTDA technology for OPGW operation of heavy ice and melt process on-line monitoring scheme，and the BOTDA technology used in three monitoring process of OPGW，acquire the information of each line temperature，strain，timely found the abnormal line area，provide scientific data for the line maintenance.

OPGW；BOTDA；temperature；strain；On-line monitoring

TM75

B

1006-7345(2015)06-0076-04

2015-09-03