基于光纖傳感器的OPPC 在線實時監測系統研究

常恩山

（榆林職業技術學院，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，廣泛應用于新型電力系統。然而由于惡劣的自然環境和復雜的地理環境，OPPC 在長期服役過程中，容易受到冰災等自然災害的影響，導致其應力發生變化，可能存在巨大的隱患。同時，由于OPPC 承載著持續的電流，可能導致熱阻較大的地方出現過熱點，威脅到線路運行安全。因此，有必要對OPPC 的應力應變和溫度進行實時監測。目前，關于OPPC 溫度監測的方法較多，如郝偉博等通過預絞絲將光纖復合相線（optical phase conductor， OPPC）安裝在室內舞動試驗機上，并利用相位敏感光時域反射（phase-sensitive optical timedomain reflectometer,Φ-OTDR）技術進行舞動狀態識別和實時監測，實現了OPPC 的舞動狀態監測，為保障OPPC的安全穩定運行提供了新思路[1]。栗鳴等針對光纖復合架空相線（OPPC）預絞式耐張線夾處光纖溫度監測，提出在耐張線夾處加裝一根截面相等的分流線的系統，避免了OPPC 長期處于高溫環境，同時實現了OPPC 溫度監測[2]。徐志鈕等通過研究不同氣象條件下的變化特征和風速對OPPC 溫度的影響，并建立光纖復合相線覆冰的溫度場三維模型，采用有限元方法進行求解，實現了OPPC 溫度監測[3]。通過上述研究可以發現，關于OPPC溫度監測的方法較多，但缺乏對其應力應變的監測。然而實際OPPC 應用中，其安全穩定運行與應力應變和溫度均具有密切關系。因此，在OPPC 在線實時監測應用中，需同時滿足其溫度監測與應力應變監測。為此，本研究基于光纖傳感器和布里淵測溫系統，對比分析了BOTDA和BOTDR 兩種系統在OPPC 應力應變監測和溫度監測中的應用效果。

1 布里淵測溫系統基本原理

布里淵測溫系統是一種超長距離的分布式光纖傳感器，可通過利用OPPC 中的光纖，建立光檢測通道，實現對OPPC 中應變與溫度的在線實時監測。布里淵測溫測通主要包括BOTDA 和BOTDR 兩種光纖傳感技術[4]。

BOTDA 是基于受激布里淵散射現象實現應變與溫度測量，通過采用2 個相向傳輸的光束對布里淵散射進行增強處理，加大信號強度，可獲取更精確的測量結果[5]。BOTDR 是一種利用單一脈沖進行單端測量的傳感方法。相較于BOTDA 系統，具有應用方便、結構簡單的特點。但由于BOTDR 是單端測量，因此其測量精度較BOTDA系統更低，測量范圍更小[6]。

采用BOTDA 和BOTDR 系統測量OPPC 光纖的應變和溫度時，由于OPPC 光纖應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），因此可通過測量布里淵頻移變量測定其應變和溫度變化量[7]。

式中：

?vB—布里淵頻移變化量；

基于BOTDA 和BOTDR 的實時在線監測系統具有分布式、實時性、長距離、高精度等優勢，不僅能克服輸電線路強電磁干擾，還能適用于惡劣環境的輸電線路監測。因此，本研究采用上述兩種系統對OPPC 進行在線實時監測，并從測量距離、空間分辨率等方面分析了BOTDA 和BOTDR 兩種系統對OPPC 應變測量的效果，以及兩種系統對OPPC 溫度的測量效果。

2 基于BOTDA/R 的OPPC 在線實時監測方案

2.1 OPPC 結構設計

基于BOTDA/R 的OPPC 結構截面如圖1 所示。主要包括第一光單元、緊套光纖、鋁線、第二光單元、松套光纖、鋁包鋼線。其中，第一光單元置于光纖相線結構的中心層，負責測量OPPC 光纜應力應變，第二光單元置于光纖相線結構的絞合層，負責測量OPPC 光纜溫度[8]。該結構中，中心層設置了零余長，絞合層設置了較大的余長[9]。如此，即可實現在線實時監測OPPC 相線結構的全過程應力應變和溫度。

圖1 OPPC 結構截面圖

2.2 監測流程

基于BOTDA/R 的OPPC 在線實時監測流程如圖2 所示，通過采用光纖連接跳線和光纖連接盒將BOTDA/R 主機和OPPC 進行相互銜接，可實現OPPC 的在線實時監測。BOTDA/R 主機的監測原理如圖3 所示。

圖3 監測主機原理

3 仿真實驗

3.1 實驗環境

本次實驗OPPC 應力在線實時測量分為實驗室和實例驗證兩個部分，溫度測量包括實例驗證，與應力實例驗證條件相同。

應力實驗室測試使用的光纖為1 卷20 km 和2 卷50 km 的光纖熔接形成的120 km 光纖。BOTDA 系統測試中，耦合器將激光器產生的光解耦為泵浦脈沖光和探測光，泵浦脈沖光通過擾偏器、摻鉺光纖放大器進入待測光纖，探測光經過光衰減器進入待測光纖。泵浦脈沖光和探測光在光纖中相互作用后產生回波信號，并通過濾波器和探測器，即可轉換為電信號[10]。BOTDR 系統測試中，泵浦光由環形器進入待測光纖，回波信號與參考光通過耦合器混頻進入平衡探測器，可得到電信號。最后通過濾波和檢波，即可實現應力測試[11,12]。兩種系統的測試裝置圖如圖4 所示。

圖4 實驗室測試裝置圖

應力與溫度實例驗證選用2022 年10 月至12 月湖南某地區運行10 年的500 kV 高壓輸電線在運行OPPC光纜進行研究。該光纜總長為95 km，含13 芯，曾遭受過嚴重的冰災，存在一定的運行安全隱患。具體監測示意圖如圖5 所示。圖中，BOTDA 和BOTDR 均放置于stationA，負責監測OPPC 光纜中的13 芯。其中，BOTDA 系統（如圖5（a））為雙端測量，其脈沖光信號（Pump）端和連續光信號（Probe）端可通過跳線連接stationA 與配線架13 芯端口，遠端放大器輸入與輸出端可通過跳線連接stationB 與配線架的13 芯端口[13,14]。如此，實現了OPPC 的環路監測，環路總長約190 km。BOTDR 系統（如圖5（b））為單端測量，其Pump 端可通過跳線連接stationA 與配線架13 芯端口。

圖5 實例驗證監測示意圖

3.2 結果與分析

3.2.1 應變測量結果

1）實驗室結果

采用BOTDA 和BOTDR 系統對損耗為0.2 dB/km 的光纖進行測試。BOTDA 系統測試中，光纖環路長度為240 km，傳感光纖和傳輸光纖均為120 km。設置拉曼方法器功率為300 mW，探測光功率為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120 km 處探測光進行放大，結果如圖6（a）。由圖6（a）可知，BOTDA 系統的尾端精度為±18 με。BOTDR 系統測試中，設置泵浦光峰值功率為300 mW，空間分辨率為50 m，測得結果如圖6（b）。由圖可知，BOTDR系統在80 km 處尾端精度為±76 με，60 km 處精度為±30 με。

圖6 實驗室應變測量結果

2）實例結果

為分析BOTDA 和BOTDR 系統對OPPC 的監測效果，實驗對比了兩種系統對實驗OPPC線路的有效測量距離，結果如圖7 所示。由圖可知，BOTDA 和BOTDR 系統的有效測量距離分別為95.22 km 和68.09 km，但BOTDA系統可有效測量整段線路的應變分布，而BOTDR 系統僅能測量前25 km 線路的應變分布，且在70 km 處存在異常區域。由此說明，相較于BOTDR 系統，BOTDA 系統對OPPC 的監測距離更長，具有明顯優勢。

圖7 不同系統測量的有效距離對比

具體來看，圖中存在平坦的臺階狀信號，其形成原因可能是不同批次光線的布里淵頻移值不同，因此可利用該特點定位光纜熔接處；圖中存在4 個應變異常區域area1~area4，其形成原因可能是該段線路曾受到冰災影響，導致線路產生非彈性應變，存在一定安全隱患；兩種系統在area1 存在多個連續應變區域。

圖8為BOTDA 和BOTDR 兩種系統的測量結果對比。BOTDA 和BOTDR 系統測得的布里淵頻移變化趨勢相似，但在細節上有所不同，如圖中13 km 處的放大圖像可知，兩種系統存在細微差異。分析其原因是，BOTDA 和BOTDR 兩種系統分別使用的是10 m 和50 m空間分辨率，而空間分辨率不同，能夠探測應變變化也不同。空間分辨率越高，更能測量細節應變變化[15]。因此，在細節應變變化測量方面，BOTDA 系統優于BOTDR 系統。

圖8 不同系統測量結果對比

考慮到BOTDA 和BOTDR 系統均對溫度信息和應變信息交叉敏感，因此為獲取準確的應變信息，需對溫度信息和應變信息進行解耦。由于在用OPPC 無法獲取布里淵頻移初始值，因此需在線路中的零應變處對溫度信息和應變信息進行提取。實際應用中，OPPC 通常在桿塔處進行熔接，其引下線長度約為55 m，且不受應力。因此，可將引下線的應變視為0 并作為參考點，解耦溫度信息和應變信息，同時將布里淵頻移值轉化為應變量。由圖8 可知，實驗中OPPC 的引下線位于線路的16 km 處，因此，研究對該處進行放大，得到圖9 所示兩種系統對引下線的測量結果。圖中，L1 和L2 為應變區域，其形成原因是OPPC受到應力引起了光線的布里淵頻移變化。采用BOTDA 系統對圖中中間區域進行分析可知，兩段不受力的光纜及其熔接處的布里淵頻移發生了跳變，而采用BOTDR 系統不能觀察到該細節，無法判斷該區域為引下線，分析其原因是，BOTDR 系統的空間分辨率較低。由此說明，BOTDA 系統相較于BOTDR 系統，對引下線的測量更為準確。

圖9 兩種系統對引下線測量結果對比

為評估OPPC 運行的安全狀況，研究分析了整段線路中最大應變區域的應力情況。根據圖9 可知，整段線路的最大應變區域位于線路的（10~20）km 處。同時，根據圖7 中引下線位置，采用兩段引下線作為參考點，并將布里淵頻移轉化為應變。考慮到溫度對OPPC 的布里淵頻移影響較慢，因此計算應變時，可將最大應變區域的溫度視為不變。分別采用BOTDA 和BOTDR 系統進行測量，結果如圖10 所示。由圖可知，BOTDA 和BOTDR 系統測得的C1 區域應變分別為0 和0.05 %。分析造成這種差異的原因是，BOTDA 準確找到了引下線，而BOTDR 系統未找到引下線。BOTDA 和BOTDR系統測得的C2 區域應變分別為0.34 %和0.35 %。分析造成這種差異的原因同樣是BOTDR 系統選擇的參考點錯誤。針對C3 引下線區域，BOTDA 系統測得其應變為0，而BOTDR 系統測得其應變異常。整體來看，相較于BOTDR 系統，BOTDA 系統由于空間分辨率更高，更有利于分析OPPC 的應變情況。

圖10 兩種系統應變測量結果對比

為定量分析BOTDA 和BOTDR 系統對OPPC 應變測量結果，研究統計了兩種系統的性能指標，結果如表1所示。由表1 可知，相較于BOTDR 系統，BOTDA 系統的測量有效距離更長、空間分辨率更高、測量精度更高，且更容易準確定位引下線，實現線路應力分析，具有一定的優越性。

表1 不同系統性能對比

3.2.2 溫度測量結果對比

為分析BOTDA 和BOTDR 系統對OPPC 溫度的測量效果，研究從OPPC 中任意選取某點，對比了兩種系統在該點的歷史溫度變化情況，結果如圖11 所示。由圖可知，相較于BOTDR 系統，BOTDA 系統測量得到的溫度噪聲更小，運行更穩定，可良好地反映OPPC 運行溫度變化情況。

圖11 不同系統測量的OPPC 某點歷史溫度變化

為進一步分析兩種系統對OPPC 的溫度測量情況，研究分析了該點實測最高溫度和最低溫度，并將其與天氣預報溫度進行了對比，結果如圖12 所示。由圖可知，BOTDA 系統測得的該點最高溫度與天氣預報溫度變化趨勢幾乎一致，測得的最低溫度與天氣預報溫度變化趨勢略有差異，存在部分突變，其原因可能與環境環境溫度和風速相關。而BOTDR 系統測得的最高溫度和最低溫度均與天氣預報溫度變化趨勢存在差異。由此說明，BOTDA 系統相較于BOTDR 系統，對OPPC 的溫度測量效果更好，更能實時反映OPPC 的溫度運行狀況，確保OPPC 運行安全。

圖12 不同測量的OPPC 某點高溫度和最低溫度與天氣預報溫度對比

4 結論

綜上所述，所提基于光纖傳感器的OPPC 在線實時監測系統，通過采用BOTDA 系統與BOTDR 系統，均可實現對OPPC 的應力應變和溫度的在線實時監測。相較于采用單一脈沖進行單端測量的BOTDR 系統，采用2個相向傳輸光束進行雙端測量的BOTDA 系統，測量有效距離更長、空間分辨率更高、測量精度更高，并且能更能實時地反映OPPC 的溫度運行狀況，確保OPPC 運行安全。本研究雖分析了BOTDA 與BOTDR 兩種系統在OPPC 中對應力應變和溫度的測量效果，認為BOTDA 系統優于BOTDR 系統，但實際應用中，由于OPPC 的實際長度可能超過BOTDA 系統的有效測量距離，因此采用單一的BOTDA 系統進行在線實時監測，可能存在監測效果不理想的問題。因此，應考慮OPPC 在線實時監測實際情況，嘗試結合BOTDA 系統與BOTDR 系統，以便更有效地實現OPPC 的在線實時監測。