OPGW受拉力時光纖的應變分析

范 鵬，劉春翔，姜德華，楊堂華

(1.國網(wǎng)電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北 武漢430074;2.云南電網(wǎng)公司普洱供電局，云南 普洱665000)

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，光纖復合架空地線(OPGW)在電力系統(tǒng)通信中的應用越來越廣泛［1］。但OPGW長期暴露在野外，受到持續(xù)的機械張力、電氣閃絡、材料老化和外界環(huán)境變化等影響而產(chǎn)生斷股、磨損、腐蝕等損傷，從而導致OPGW發(fā)生形變，造成內(nèi)部光纜產(chǎn)生應力應變。通常狀態(tài)下，OPGW的應力應變對內(nèi)部光纖的傳輸性能的影響非常小，常規(guī)檢測無法檢測到光纖應力應變的變化，然而一旦光纖應力應變積累到一定程度最終發(fā)生斷裂，將對電力系統(tǒng)通信和電網(wǎng)的安全可靠性產(chǎn)生直接影響，甚至會造成重大的事故和經(jīng)濟損失。因此，必須使用準確度高、可靠性好的儀器對OPGW進行長期的應變測量監(jiān)控，實時監(jiān)測OPGW的健康狀況，以便及時發(fā)現(xiàn)并處理故障隱患，使其更好地為電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行服務，這是電力部門亟待解決的一大實際問題。

本文基于布里淵散射的分布式光纖傳感器原理［2］，搭建了用于監(jiān)測OPGW內(nèi)部光纖的應力應變變化的的實驗平臺，采用布里淵光時域反射儀［3］(BOTDR)研究了在不同拉力作用下OPGW內(nèi)部光纖的布里淵頻移變化特征，為實現(xiàn)OPGW的長期應變監(jiān)測提供依據(jù)。

1 OPGW簡介

OPGW是在保持架空地線的功能和各項性能不變的基礎上，光纖置于架空高壓輸電線的地線中，用以構成輸電線路上的光纖通信網(wǎng)，這種結構形式兼具地線與通信雙重功能，從而實現(xiàn)了既保證電網(wǎng)傳輸線路的完整性又兼具遠距離智能監(jiān)測的作用。

通常OPGW光纜結構分為層絞式和中心管式，目前新建高壓輸變線路中，采用層絞式OPGW光纜，其中的一種結構如圖1所示。

這種OPGW光纜的優(yōu)點可概括為:適用于新建的具有架空地線的輸電線路上，且光纜的架設方便;具有單層或多層鎧裝結構，并且光纖留有一定的余長，能有效地保護內(nèi)部光纖;其結構緊湊，能有效散熱;有較高的抗拉強度、擠壓恢復能力以及適應惡劣氣候條件等［4］。

圖1 層絞式OPGW光纜截面結構示意圖

2 BOTDR測量原理

光在光纖中傳播時，沿著光傳播的反方向會產(chǎn)生散射光，其背向散射光的光譜如圖2所示，包括了瑞利(Rayleigh)散射、布里淵(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射［5］。其中布里淵散射是由介質(zhì)中的聲學聲子引起的一種非彈性散射光，布里淵散射光的頻率相對于入射光頻率發(fā)生的漂移稱為布里淵頻移，其大小由介質(zhì)的聲學和彈性力學特性決定。布里淵頻移大小的計算公式為［6］:

式中:fB為布里淵頻移;n為光纖纖芯折射率;vA為光纖中的聲波速度;λC為入射光在真空中的波長。

在入射光為1 550 nm波段的二氧化硅光纖材料內(nèi)(n=1.46，vA=5 945 m/s)，典型的布里淵頻移約為11 GHz。在入射光波長確定的情況下，布里淵頻移的大小由光纖材料的介質(zhì)折射率和光纖材料的聲速大小所決定。然而，材料的折射率和聲速還會受到光纖材料的熱光特性和聲光特性影響，所以，其布里淵頻移的大小會隨光纖溫度和應變的變化而變化。

1989年Culvethouse等人［7］在用高分辨率的共焦F－P干涉儀對光纖的布里淵頻譜進行分析時，首次發(fā)現(xiàn)了布里淵頻移與溫度變化之間的關系，并提出以布里淵頻移進行分布式溫度傳感的可能性;同年Horiguchi等人利用布里淵光時域分析儀(BOTDA)進行了光纖衰減特性的實驗研究和理論分析，同時還提出了布里淵頻移的拉伸應變效應。他們的研究結果分別證明了布里淵頻移與光纖的溫度和應變近似成線性變化的關系，其關系表達式可寫為:

式中:T、ε、T0、ε0、和f0分別為光纖溫度(℃)、光纖應變(με)、光纖初始溫度(℃)、光纖初始應變(με)和初始頻移(GHz);CT為布里淵頻移的溫度參數(shù)(GHz/℃);Cε為布里淵頻移的應變參數(shù)(GHz/με)。

關于布里淵頻移與光纖溫度和應變的研究工作，許多國內(nèi)外學者做過大量的研究［8-9］，都獲得了比較理想的結果。本文的研究工作只考慮材料的應變對布里淵頻移的影響，實驗過程中將材料放置于同一環(huán)境條件下，并確保溫度處于恒定值，以消除溫度變化所帶來的誤差。所以在式(2)中可忽略布里淵頻移與溫度的變化關系，從而可簡化為:

圖2 背向散射光頻譜圖

對于光纖的應變分布測量方法主要有兩種，布里淵光時域反射儀(BOTDR)和布里淵光時域分析儀(BOTDA)。這兩種傳感器均采用光時域反射儀的測量原理，且測量的均是背向布里淵散射信號。所不同的是BOTDR在光纖的同一端進行光脈沖發(fā)射和信號接收，而BOTDA在不同的兩端進行信號的發(fā)射和接收。基于BOTDR的分布式光纖傳感系統(tǒng)的優(yōu)勢體現(xiàn)在:只需在光纖一端測量，應用方便;單個激光器實現(xiàn)自外差工作，容易精確控制脈沖光與連續(xù)光之間的頻差;若參考光足夠強，可提高最小可探測光功率，提高探測精度;傳感距離遠，可實現(xiàn)幾十公里的遠程監(jiān)測，且便于組網(wǎng)進行實時監(jiān)測，適用于電網(wǎng)中OPGW光纜的應變狀態(tài)檢測。

本文的實驗研究中采用BOTDR進行測量，脈沖光從光纖的一端輸入，并在同一端測量后向返回的自發(fā)布里淵散射光，通過將背向自發(fā)布里淵散射光與一個頻率較為接近的參考光進行差頻相干，測量頻率較低的拍頻信號來得到布里淵頻移。這種傳感技術現(xiàn)在被廣泛應用在了電力、通信以及結構監(jiān)測等領域［10］。

由于是分布式光纖應變傳感，所以對于接收回來的信號需要對其定位，光纖上任意一點至入射端的距離z可由下式計算得到［11］:

式中:c為真空中的光速，為3×108m/s;n為光纖纖芯的折射率;Δt為發(fā)出的脈沖光與接收到的散射光的時間間隔。

按一定頻率間隔不斷變化入射脈沖光的頻率，就可以獲得光纖上每個采樣點的布里淵頻移。在溫度恒定的條件下，如果光纖中的一段受到軸向應力，則產(chǎn)生應變的那段光纖的布里淵頻移相應地會發(fā)生改變，由布里淵頻移的變化量與光纖應變之間的線性關系可以得到光纖的應變分布。

3 OPGW應變實驗

光纖的允許抗拉伸形變量比OPGW中的金屬線材小得多，因而要求光纖的長度相對于OPGW長度有適當?shù)挠嚅L，以克服OPGW在初伸長、最大氣象負荷、蠕變等各種原因造成的線纜伸長時對光纖造成的過度應變。因此在光纖的余長被消耗完前，光纖所受到的應力應變很小。我們在武漢高壓研究所的20 t臥式拉力機上進行了拉力實驗，以分析OPGW在不同應力應變條件下布里淵頻移的變化關系，并且找出OPGW光纖可測應變的起點以及布里淵頻移與光纜拉力的對應關系。

試驗在室內(nèi)模擬實驗檔進行，試驗有效檔距為11 m。如圖3所示為室內(nèi)模擬實驗檔的示意圖，所測試的OPGW型號為OPGW-24B1-110［76.6∶88.7］，額定拉斷力(RTS)為76.6 kN，長度為200 m。實驗開始前，將其中11 m長度的OPGW以無拉力狀態(tài)架設在拉力機中間的試驗檔上，采用適宜的夾具對試樣的兩端進行端部處理，并引出足夠長的光纖以便于儀表測試。

圖3 室內(nèi)模擬實驗檔的示意圖

為了達到理想的數(shù)據(jù)監(jiān)測效果，避免布里淵頻移測量設備的死區(qū)，需要延長監(jiān)測距離，故將OPGW光單元里24根光纖中的4根依序熔接在一起，形成一個長度約為800 m的光纖環(huán)接待測線路。

實驗過程中參照OPGW的設計參數(shù)對光纜施加的拉力值分別為:15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%RTS。并且在每次施加下一個拉力值進行測試前，需將拉力機歸零以使OPGW處于不受拉力狀態(tài)，以方便區(qū)別不同拉力值下的布里淵頻移數(shù)據(jù)。BOTDR設備記錄被測光纖的布里淵頻移空間分布，溫度記錄儀記錄實驗現(xiàn)場環(huán)境溫度。圖4為BOTDR設備記錄的實驗過程中布里淵頻移的空間分布，從圖4中可以看出頻移分布有效數(shù)據(jù)長度約為800 m，與被測光纖環(huán)接線路長度吻合。

圖4 BOTDR測量頻移的空間分布

4 數(shù)據(jù)處理和分析

圖5為OPGW在70% RTS拉力下光纖的頻移均值分布曲線(圖中的實線所示)。由圖5中可以看出，由于各段光纖的材質(zhì)差異以及熔接所導致的光損耗等原因，各段光纖所測頻移空間分布的初值不一樣，根據(jù)其初值差異可以分別判斷出4段光纖熔接處的位置，如圖5中的虛線所示。在受到70%RTS拉力時，所處拉力機中光纖的頻移變化明顯，根據(jù)圖5可以確定4段在拉力機中的光纖在測量頻移分布上的位置，即為圖5中峰值位置。在進行數(shù)據(jù)分析時，選取每個峰值處的3個數(shù)據(jù)點(在拉力機中段的2 m長度)作頻移數(shù)據(jù)均值，并以此均值作為各段光纖在拉力機中隨拉力變化的頻移數(shù)據(jù)。

圖6所示為各段光纖的頻移均值隨拉力變化的曲線。通過數(shù)據(jù)分析可知:受OPGW光纜中光纖余長的影響，在光纜受到小于60%RTS的拉力時，光纖的頻移變化很小，幾乎恒定不變，說明在小于60%RTS的拉力狀態(tài)下，OPGW拉伸，但是OPGW內(nèi)的光纖余長并沒有消耗完，光纖仍處于未受拉力狀態(tài)。然而，當OPGW所受拉力大于等于60% RTS時(圖6中虛線所示)，則頻移變化非常明顯，且隨拉力呈線性變化趨勢，說明OPGW內(nèi)部光纖余長已經(jīng)被消耗完，光纖已經(jīng)受力產(chǎn)生應變，從而導致頻移發(fā)生明顯的變化。故OPGW光纜內(nèi)部光纖的頻移-拉力擬合線性方程可表示為:

圖5 70% RTS拉力下光纖的頻移均值分布

圖6 各段光纖頻移隨拉力變化

式中:F為拉力(kN);CF為拉力參數(shù)(GHz/kN);fB為布里淵頻移(GHz);f0為布里淵頻移初值(GHz)。

圖7所示為第1段光纖在大于60%RTS拉力的原始頻移數(shù)據(jù)與擬合曲線比較。從中可看出光纖在受到鋼纜絞絲施加的應力時，頻移的變化非常明顯，且擬合曲線與原始數(shù)據(jù)的吻合程度較高。經(jīng)擬合后，可得到CF=0.008 06 GHz/kN。

各段光纖的拉力參數(shù)和頻移初值如表1所示。

表1 各段光纖的拉力參數(shù)

由表1可知，4段光纖之間的頻移-拉力擬合曲線的斜率變化不大，在均值上下±0.000 15 GHz/kN浮動。每段光纖由于材質(zhì)差異以及熔接所導致的光損耗等原因，其布里淵頻移的初值有較大不同，初值間的差值與圖7中各段光纖在小于60%RTS拉力時的頻移間差值相對應。

圖7 原始拉力-頻移曲線與擬合曲線比較

5 結束語

BOTDR是一種新興的可用于電力系統(tǒng)網(wǎng)絡中對OPGW光纜光纖進行應變監(jiān)測的技術，具有分布式、長距離、實時性、精度高、抗干擾和耐久性長等諸多優(yōu)點。本文研究了基于BOTDR對OPGW內(nèi)部光纖的應力應變進行檢測的方法，并利用BOTDR研究了OPGW內(nèi)部不同光纖在不同拉力條件下的布里淵散射的頻移變化。實驗結果表明，在OPGW所受拉力大于60%RTS時，內(nèi)部光纖的布里淵散射的頻移會有明顯變化;同時也發(fā)現(xiàn)不同光纖在受到拉力后的應變系數(shù)基本相同。因此利用BOTDR可以實時監(jiān)測和定位電力線路上受到大拉力的OPGW。

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