连纪文，卓秀者（.国网福建省电力有限公司，福州350003；.福建永福电力设计股份有限公司，福州35008）

基于BOTDA的OPPC温度和应力监测研究与应用

连纪文1，卓秀者2
（1.国网福建省电力有限公司，福州350003；2.福建永福电力设计股份有限公司，福州350108）

摘要：介绍了光纤布里渊光时域分析仪（BOTDA）的测量原理，设计了一种适合同时获取光纤分布式温度和应力应变的OPPC结构，提出了采用BOTDA在线监测该结构运行状态的技术方案。通过将该方案应用于110kV输电线路中，验证了方案性能，并分析了测量结果。

关键词：输电线路；OPPC；温度；应力；布里渊散射；BOTDA

0　引言

由于电力架空输电线路存在距离长、跨度大、周边环境复杂、难以巡视及维护的问题，架空输电线路的在线监测一直是电力部门关注的课题。传统的在线监测方法通常采用视频监测和无线传输的方式，容易受供电、通信和电磁干扰等因素制约，监测区域有限，无法实现线路全程运行状态监测[1,2]。光纤复合架空相线（OPPC）是新型电力架空输电导线，它充分利用电力系统自身的线路资源，兼具电力传输和电力通信双重功能。近年来，国内外提出将光传感系统用于电力在线监测领域，实现温度和应变等参数的测量[3～5]。对于传统结构的OPPC，因为光单元内的光纤设计有一定的冗余长度，OPPC在一定张力范围内被拉伸时，光纤并不受力，所以光纤仅可用于温度监测，无法用于应力应变监测。此外，光纤光栅技术只能实现有限点的监测，且喇曼测温技术的测量距离不超过10km，两者均无法实现长距离OPPC全程实时连续监测。布里渊光时域分析仪（BOTDA）是基于激光背向布里渊散射的分布式光纤传感器，属国际上最前沿的光纤传感器之一，技术性能优异，可实现测量距离达数十千米的温度和应变实时监测。因此，本文将BOTDA引入OPPC监测中，以解决OPPC应力监测和测量距离受限的问题。

1　BOTDA测量原理

BOTDA最初由日本Horiguchi等人提出，它需要两个窄线宽的激光光源，分别为泵浦光（pump，脉冲光信号）和探测光（probe，连续光信号）。这两个光源发出的激光在光纤中反向传输，在光纤的脉冲光源端测量探测光信号。当激光在光纤中传输时，由于光纤材料的密度和折射率存在微观不均匀性，入射光会产生散射现象。其中布里渊散射是光波和声波在光纤中传播时相互作用产生的光散射现象。BOTDA利用了激光背向布里渊散射效应，pump和probe分别从光纤的两端注入，当这两种光的频率差与光纤中某个区间的布里渊频移相等时，该区域就会发生受激布里渊放大效应，两束光之间发生能量转移。当环境温度变化或光纤产生形变时，光纤中声速和光的折射率会随之变化，从而使光纤的布里渊频移发生变化。BOTDA的测量原理如图1所示。

图1　BOTDA测量原理

根据研究，布里渊频移变化量与环境温度变化和光纤轴向应变成线性关系：

其中，ΔνB为布里渊频移变化量，Δε为光纤轴向应变，ΔT为光纤温度，Cε和CT分别为布里渊散射频移的应变和温度系数。对于普通的单模光纤，应变系数Cε约为0.0483MHz/με，温度系数CT约为1.1MHz/℃。对pump和probe的频率差进行连续扫描，可确定光纤不同位置的布里渊频移变化量，从而获得整根光纤的温度和应变分布信息。另外，位置的定位可通过光纤背向散射信号返回脉冲光入射端的时间来确定（光时域反射OTDR技术）。

2　OPPC结构与监测方案设计

传统的OPPC由钢管光单元（铝包）与钢线、铝（合金）线共同绞合而成。本文设计的OPPC采用双钢管结构，具体如下：最外层（第3层）与次外层（第2层）均为电工铝LY9线；第1层为铝包钢AS线+不锈钢SUS管光单元，光单元内为24芯单模裸纤，设计余长约6‰，预留2芯裸纤用于BOTDA温度测量；中心层为不锈钢SUS管光单元，光单元内为2芯单模紧包光纤，设计余长很小（小于3‰），用于应变监测。

BOTDA设备分别与OPPC中心层光单元的1芯紧包光纤和第1层光单元的1芯裸纤相连，这两个1芯光纤在OPPC另一端相互熔接以构成测量环路，从而实时获得紧包光纤和裸纤的布里渊频移信息。因为紧包光纤和裸纤均处于OPPC内部，且外部有两层电工铝线绞合，所以两者温度相等。另外，由于裸纤的余长较大，OPPC受力不大时裸纤并不受力。因此，我们通过紧包光纤的布里渊频移变化量ΔνB1(L)（L为OPPC某点到BOTDA设备的距离，下同）和裸纤的布里渊频移变化量ΔνB2(L)计算得到OPPC某一点的温度ΔT(L)和应变值Δε(L)：

其中，CT1、CT2分别为紧包光纤和裸纤的布里渊频移温度系数，Cε1为紧包光纤的布里渊频移应变系数。

3　现场应用与测量结果

国网某供电公司将本技术方案应用于110kV输电线路OPPC上，实现了OPPC全程温度和应变的连续分布式测量。该线路的A相导线被更换为本文设计的OPPC，线路长度为14.8km，最大档距为568m。OPPC光缆在两侧变电站终端杆塔处改用ADSS光缆引入变电站内。BOTDA设备安装于线路起始端变电站通信机房内，机房内有本地显示和存储功能，提供给现场运行维护人员使用。BOTDA的测量数据还可通过内网传输至市局、省局监测中心，为线路监控、运维、动态增容和故障处理提供依据。

3.1OPPC的温度监测分析

本文设计的OPPC于2013年进行了通电试运行。OPPC通电前（晚上8点）、通电后（晚上11点半）的温度分布曲线如图2所示。OPPC无负载电流时，温度较低，但温度分布并不均匀，这与线路周边的环境温度、地理环境、风速和风向有关。给OPPC施加负载电流后，线路全程温度整体上升15℃～20℃，温度分布更加不均匀，即使不考虑突变尖峰，通电后的线路温度分布也存在10℃的起伏，这是因为OPPC通电后的温度分布受风速和风向的影响更为显著。

本文进一步分析OPPC温度分布曲线上各温度突变点的位置信息和本线路的设计资料可以得到：①光纤温度突变点的数量与杆塔数量一致；②温度突变点的“峰”在耐张线夹部位出现，这与耐张线夹的涡流和接触电阻有关，耐张线夹处的温度比周围高出10℃～20℃，应引起足够重视；③温度突变点的“谷”在光纤接续盒或悬垂线夹部位出现，其中光纤接续盒内的盘纤不与导线接触，因此温度较低，而悬垂线夹处因为增加了OPPC的线径，散热较好，所以温度降低。从图2的数据可以看出，BOTDA不仅能真实反映OPPC全程的温度分布状况，为后续输电线路动态增容提供依据，而且还能对温度过热部位（如耐张线夹处）进行实时监测。

图2　OPPC通电前后BOTDA实测的温度分布曲线

3.2OPPC的应变监测分析

由于中心层紧包光纤的设计余长比第1层裸纤的小，因此，利用BOTDA测量得到的紧包光纤和裸纤的布里渊频移变化量可以计算出OPPC的分布式应变值。OPPC通电前（晚上8点）和通电后（晚上11点半）的应变分布曲线如图3所示。OPPC无负载电流时，光纤线路出现5处应变异常部位，而其余部位并无明显应变（应变值在设备噪声范围内波动），这是因为受生产工艺和安装要求的限制，中心层紧包光纤的设计余长还无法实现零余长。在对OPPC施加负载电流后，光纤应变分布情况更复杂，出现了新的应变异常部位，但通电前存在的2处应变异常部位恢复正常。应变异常部位的新增与消失，与OPPC通电后温度上升引起线缆受热膨胀有关。图3的实测数据表明，BOTDA可以实现OPPC全程的应力应变在线监测。

（a）通电前OPPC的应变分布

图3　OPPC通电前后BOTDA实测的应变分布曲线

4　结束语

本文采用BOTDA测量技术对OPPC的分布式温度和应变进行实时测量，并将此方法应用于110kV输电线路OPPC工程中。现场测量结果表明，BOTDA测量具有距离长、测量精度高和抗电磁干扰的优点，能实时反映OPPC全程任意一点的温度和应力应变分布状况，对耐张线夹和应变异常部位的实时监测更是输电线路安全运行的有力保障，有效提升了线路监测的技术水平。本文的研究成果为后续开展输电线路动态增容方面的研究提供了依据，是输电线路状态运行、检修管理、提升输送效率的重要技术手段。

参考文献：

[1]张颖,于红丽,舒彬，等.利用OPPC技术实现架空线路实时全程测温与通信的研究[J].电子世界, 2012（9）: 26-30.

[2]徐拥军,谢书鸿,栗鸣,等.基于OPPC的温度和应力光纤光栅传感技术[J].供用电, 2013, 30(2): 40-45.

[3]余鹏,段绍辉,周正仙,等.光纤传感技术在电力电缆中的研究进展[J].光通信技术, 2013,37（11）: 42-44.

[4]张竞文,吕安强,李宝罡,等.基于BOTDA的分布式光纤传感技术研究进展[J].光通信研究, 2010（4）: 25-28.

[5]吴飞龙,郑小莉,李永倩. BOTDA光纤传感技术在电力电缆测温中的应用探[J].光通信技术, 2013,37（2）: 21-24.

Study and application of temperature and stress monitoring of OPPC based on BOTDA

LIANJi-wen1，ZHUOXiu-zhe2
(1. State Grid Fujian Electric Power Co., Ltd., Fuzhou 350003, China;
2. Fujian Yongfu Power Engineering Co., Ltd., Fuzhou 350108, China)

Abstract:The paper introduces the measurement principle of the Brillouin optical time domain analyzer (BOTDA), designs a new OPPC structure which is suitable for the simultaneous measurement of the temperature and stress/strain of the optical fiber, and proposes a technical scheme based on BOTDA for on line monitoring. The paper applies the scheme to the 110kV power transmission line, verifies the performance of the scheme and analyzes the measurement results.

Key words:power transmission lines, OPPC, temperature, stress, Brillouin scattering, BOTDA

中图分类号：TP212

文献标识码：A

文章编号：1002-5561（2016）01-0026-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.008

收稿日期：2015-08-19。

基金项目：国网福建省电力有限公司2013年度科技项目（521320135090）资助。

作者简介：连纪文（1971-），男，高级工程师，主要从事电力通信建设、运行和管理方面的工作。