基于光纤传感器的OPPC 在线实时监测系统研究

常恩山

（榆林职业技术学院，榆林 719000）

引言

OPPC 是一种新型电力光缆，具有电能输送和电力通信的双重功能，广泛应用于新型电力系统。然而由于恶劣的自然环境和复杂的地理环境，OPPC 在长期服役过程中，容易受到冰灾等自然灾害的影响，导致其应力发生变化，可能存在巨大的隐患。同时，由于OPPC 承载着持续的电流，可能导致热阻较大的地方出现过热点，威胁到线路运行安全。因此，有必要对OPPC 的应力应变和温度进行实时监测。目前，关于OPPC 温度监测的方法较多，如郝伟博等通过预绞丝将光纤复合相线（optical phase conductor， OPPC）安装在室内舞动试验机上，并利用相位敏感光时域反射（phase-sensitive optical timedomain reflectometer,Φ-OTDR）技术进行舞动状态识别和实时监测，实现了OPPC 的舞动状态监测，为保障OPPC的安全稳定运行提供了新思路[1]。栗鸣等针对光纤复合架空相线（OPPC）预绞式耐张线夹处光纤温度监测，提出在耐张线夹处加装一根截面相等的分流线的系统，避免了OPPC 长期处于高温环境，同时实现了OPPC 温度监测[2]。徐志钮等通过研究不同气象条件下的变化特征和风速对OPPC 温度的影响，并建立光纤复合相线覆冰的温度场三维模型，采用有限元方法进行求解，实现了OPPC 温度监测[3]。通过上述研究可以发现，关于OPPC温度监测的方法较多，但缺乏对其应力应变的监测。然而实际OPPC 应用中，其安全稳定运行与应力应变和温度均具有密切关系。因此，在OPPC 在线实时监测应用中，需同时满足其温度监测与应力应变监测。为此，本研究基于光纤传感器和布里渊测温系统，对比分析了BOTDA和BOTDR 两种系统在OPPC 应力应变监测和温度监测中的应用效果。

1 布里渊测温系统基本原理

布里渊测温系统是一种超长距离的分布式光纤传感器，可通过利用OPPC 中的光纤，建立光检测通道，实现对OPPC 中应变与温度的在线实时监测。布里渊测温测通主要包括BOTDA 和BOTDR 两种光纤传感技术[4]。

BOTDA 是基于受激布里渊散射现象实现应变与温度测量，通过采用2 个相向传输的光束对布里渊散射进行增强处理，加大信号强度，可获取更精确的测量结果[5]。BOTDR 是一种利用单一脉冲进行单端测量的传感方法。相较于BOTDA 系统，具有应用方便、结构简单的特点。但由于BOTDR 是单端测量，因此其测量精度较BOTDA系统更低，测量范围更小[6]。

采用BOTDA 和BOTDR 系统测量OPPC 光纤的应变和温度时，由于OPPC 光纤应变和温度变化量与光纤的布里渊频移变化量成正比，如式（1），因此可通过测量布里渊频移变量测定其应变和温度变化量[7]。

式中：

∆vB—布里渊频移变化量；

基于BOTDA 和BOTDR 的实时在线监测系统具有分布式、实时性、长距离、高精度等优势，不仅能克服输电线路强电磁干扰，还能适用于恶劣环境的输电线路监测。因此，本研究采用上述两种系统对OPPC 进行在线实时监测，并从测量距离、空间分辨率等方面分析了BOTDA 和BOTDR 两种系统对OPPC 应变测量的效果，以及两种系统对OPPC 温度的测量效果。

2 基于BOTDA/R 的OPPC 在线实时监测方案

2.1 OPPC 结构设计

基于BOTDA/R 的OPPC 结构截面如图1 所示。主要包括第一光单元、紧套光纤、铝线、第二光单元、松套光纤、铝包钢线。其中，第一光单元置于光纤相线结构的中心层，负责测量OPPC 光缆应力应变，第二光单元置于光纤相线结构的绞合层，负责测量OPPC 光缆温度[8]。该结构中，中心层设置了零余长，绞合层设置了较大的余长[9]。如此，即可实现在线实时监测OPPC 相线结构的全过程应力应变和温度。

图1 OPPC 结构截面图

2.2 监测流程

基于BOTDA/R 的OPPC 在线实时监测流程如图2 所示，通过采用光纤连接跳线和光纤连接盒将BOTDA/R 主机和OPPC 进行相互衔接，可实现OPPC 的在线实时监测。BOTDA/R 主机的监测原理如图3 所示。

图3 监测主机原理

3 仿真实验

3.1 实验环境

本次实验OPPC 应力在线实时测量分为实验室和实例验证两个部分，温度测量包括实例验证，与应力实例验证条件相同。

应力实验室测试使用的光纤为1 卷20 km 和2 卷50 km 的光纤熔接形成的120 km 光纤。BOTDA 系统测试中，耦合器将激光器产生的光解耦为泵浦脉冲光和探测光，泵浦脉冲光通过扰偏器、掺铒光纤放大器进入待测光纤，探测光经过光衰减器进入待测光纤。泵浦脉冲光和探测光在光纤中相互作用后产生回波信号，并通过滤波器和探测器，即可转换为电信号[10]。BOTDR 系统测试中，泵浦光由环形器进入待测光纤，回波信号与参考光通过耦合器混频进入平衡探测器，可得到电信号。最后通过滤波和检波，即可实现应力测试[11,12]。两种系统的测试装置图如图4 所示。

图4 实验室测试装置图

应力与温度实例验证选用2022 年10 月至12 月湖南某地区运行10 年的500 kV 高压输电线在运行OPPC光缆进行研究。该光缆总长为95 km，含13 芯，曾遭受过严重的冰灾，存在一定的运行安全隐患。具体监测示意图如图5 所示。图中，BOTDA 和BOTDR 均放置于stationA，负责监测OPPC 光缆中的13 芯。其中，BOTDA 系统（如图5（a））为双端测量，其脉冲光信号（Pump）端和连续光信号（Probe）端可通过跳线连接stationA 与配线架13 芯端口，远端放大器输入与输出端可通过跳线连接stationB 与配线架的13 芯端口[13,14]。如此，实现了OPPC 的环路监测，环路总长约190 km。BOTDR 系统（如图5（b））为单端测量，其Pump 端可通过跳线连接stationA 与配线架13 芯端口。

图5 实例验证监测示意图

3.2 结果与分析

3.2.1 应变测量结果

1）实验室结果

采用BOTDA 和BOTDR 系统对损耗为0.2 dB/km 的光纤进行测试。BOTDA 系统测试中，光纤环路长度为240 km，传感光纤和传输光纤均为120 km。设置拉曼方法器功率为300 mW，探测光功率为5 mW，泵浦光峰值功率为200 mW，空间分辨率为10 m。使用拉曼放大器对120 km 处探测光进行放大，结果如图6（a）。由图6（a）可知，BOTDA 系统的尾端精度为±18 με。BOTDR 系统测试中，设置泵浦光峰值功率为300 mW，空间分辨率为50 m，测得结果如图6（b）。由图可知，BOTDR系统在80 km 处尾端精度为±76 με，60 km 处精度为±30 με。

图6 实验室应变测量结果

2）实例结果

为分析BOTDA 和BOTDR 系统对OPPC 的监测效果，实验对比了两种系统对实验OPPC线路的有效测量距离，结果如图7 所示。由图可知，BOTDA 和BOTDR 系统的有效测量距离分别为95.22 km 和68.09 km，但BOTDA系统可有效测量整段线路的应变分布，而BOTDR 系统仅能测量前25 km 线路的应变分布，且在70 km 处存在异常区域。由此说明，相较于BOTDR 系统，BOTDA 系统对OPPC 的监测距离更长，具有明显优势。

图7 不同系统测量的有效距离对比

具体来看，图中存在平坦的台阶状信号，其形成原因可能是不同批次光线的布里渊频移值不同，因此可利用该特点定位光缆熔接处；图中存在4 个应变异常区域area1~area4，其形成原因可能是该段线路曾受到冰灾影响，导致线路产生非弹性应变，存在一定安全隐患；两种系统在area1 存在多个连续应变区域。

图8为BOTDA 和BOTDR 两种系统的测量结果对比。BOTDA 和BOTDR 系统测得的布里渊频移变化趋势相似，但在细节上有所不同，如图中13 km 处的放大图像可知，两种系统存在细微差异。分析其原因是，BOTDA 和BOTDR 两种系统分别使用的是10 m 和50 m空间分辨率，而空间分辨率不同，能够探测应变变化也不同。空间分辨率越高，更能测量细节应变变化[15]。因此，在细节应变变化测量方面，BOTDA 系统优于BOTDR 系统。

图8 不同系统测量结果对比

考虑到BOTDA 和BOTDR 系统均对温度信息和应变信息交叉敏感，因此为获取准确的应变信息，需对温度信息和应变信息进行解耦。由于在用OPPC 无法获取布里渊频移初始值，因此需在线路中的零应变处对温度信息和应变信息进行提取。实际应用中，OPPC 通常在杆塔处进行熔接，其引下线长度约为55 m，且不受应力。因此，可将引下线的应变视为0 并作为参考点，解耦温度信息和应变信息，同时将布里渊频移值转化为应变量。由图8 可知，实验中OPPC 的引下线位于线路的16 km 处，因此，研究对该处进行放大，得到图9 所示两种系统对引下线的测量结果。图中，L1 和L2 为应变区域，其形成原因是OPPC受到应力引起了光线的布里渊频移变化。采用BOTDA 系统对图中中间区域进行分析可知，两段不受力的光缆及其熔接处的布里渊频移发生了跳变，而采用BOTDR 系统不能观察到该细节，无法判断该区域为引下线，分析其原因是，BOTDR 系统的空间分辨率较低。由此说明，BOTDA 系统相较于BOTDR 系统，对引下线的测量更为准确。

图9 两种系统对引下线测量结果对比

为评估OPPC 运行的安全状况，研究分析了整段线路中最大应变区域的应力情况。根据图9 可知，整段线路的最大应变区域位于线路的（10~20）km 处。同时，根据图7 中引下线位置，采用两段引下线作为参考点，并将布里渊频移转化为应变。考虑到温度对OPPC 的布里渊频移影响较慢，因此计算应变时，可将最大应变区域的温度视为不变。分别采用BOTDA 和BOTDR 系统进行测量，结果如图10 所示。由图可知，BOTDA 和BOTDR 系统测得的C1 区域应变分别为0 和0.05 %。分析造成这种差异的原因是，BOTDA 准确找到了引下线，而BOTDR 系统未找到引下线。BOTDA 和BOTDR系统测得的C2 区域应变分别为0.34 %和0.35 %。分析造成这种差异的原因同样是BOTDR 系统选择的参考点错误。针对C3 引下线区域，BOTDA 系统测得其应变为0，而BOTDR 系统测得其应变异常。整体来看，相较于BOTDR 系统，BOTDA 系统由于空间分辨率更高，更有利于分析OPPC 的应变情况。

图10 两种系统应变测量结果对比

为定量分析BOTDA 和BOTDR 系统对OPPC 应变测量结果，研究统计了两种系统的性能指标，结果如表1所示。由表1 可知，相较于BOTDR 系统，BOTDA 系统的测量有效距离更长、空间分辨率更高、测量精度更高，且更容易准确定位引下线，实现线路应力分析，具有一定的优越性。

表1 不同系统性能对比

3.2.2 温度测量结果对比

为分析BOTDA 和BOTDR 系统对OPPC 温度的测量效果，研究从OPPC 中任意选取某点，对比了两种系统在该点的历史温度变化情况，结果如图11 所示。由图可知，相较于BOTDR 系统，BOTDA 系统测量得到的温度噪声更小，运行更稳定，可良好地反映OPPC 运行温度变化情况。

图11 不同系统测量的OPPC 某点历史温度变化

为进一步分析两种系统对OPPC 的温度测量情况，研究分析了该点实测最高温度和最低温度，并将其与天气预报温度进行了对比，结果如图12 所示。由图可知，BOTDA 系统测得的该点最高温度与天气预报温度变化趋势几乎一致，测得的最低温度与天气预报温度变化趋势略有差异，存在部分突变，其原因可能与环境环境温度和风速相关。而BOTDR 系统测得的最高温度和最低温度均与天气预报温度变化趋势存在差异。由此说明，BOTDA 系统相较于BOTDR 系统，对OPPC 的温度测量效果更好，更能实时反映OPPC 的温度运行状况，确保OPPC 运行安全。

图12 不同测量的OPPC 某点高温度和最低温度与天气预报温度对比

4 结论

综上所述，所提基于光纤传感器的OPPC 在线实时监测系统，通过采用BOTDA 系统与BOTDR 系统，均可实现对OPPC 的应力应变和温度的在线实时监测。相较于采用单一脉冲进行单端测量的BOTDR 系统，采用2个相向传输光束进行双端测量的BOTDA 系统，测量有效距离更长、空间分辨率更高、测量精度更高，并且能更能实时地反映OPPC 的温度运行状况，确保OPPC 运行安全。本研究虽分析了BOTDA 与BOTDR 两种系统在OPPC 中对应力应变和温度的测量效果，认为BOTDA 系统优于BOTDR 系统，但实际应用中，由于OPPC 的实际长度可能超过BOTDA 系统的有效测量距离，因此采用单一的BOTDA 系统进行在线实时监测，可能存在监测效果不理想的问题。因此，应考虑OPPC 在线实时监测实际情况，尝试结合BOTDA 系统与BOTDR 系统，以便更有效地实现OPPC 的在线实时监测。