基于BOTDR光纖傳感技術(shù)的輸電線路在線溫度監(jiān)測的研究

俞佳捷 喻琰 吳忠平

摘 要：單模光纖主要包括布里淵散射光與入射光兩種，其中布里淵散射光的頻移量較大，受所處環(huán)境的溫度影響較大。根據(jù)這種線性溫度敏感的特性，布里淵光時域反射計應運而生，它能夠?qū)€路中的光纜溫度狀況進行實時監(jiān)測。本文通過具體的實驗研究得出，該系統(tǒng)能夠準確體現(xiàn)出線路光纜纖芯溫度的變化情況，可用于輸電線路的溫度安全監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：光纖傳感；布里淵散射；溫度監(jiān)測

中圖分類號：TM75 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）02-0044-03

Research on On-line Temperature Monitoring of Transmission Line Based on BOTDR Optical Fiber Sensing Technology

YU Jiajie，YU Yan，WU Zhongping

（State Grid Zhejiang Electric Power Corporation Ningbo Power Supply Company，Ningbo 315010，China）

Abstract：Single mode fiber mainly includes brillouin scattering light and incident light，and brillouin scattering light has a large frequency shift，which is affected by the temperature of the environment. According to this linear temperature sensitive characteristic，brillouin optical time domain reflectometer was born，which can be used to monitor the temperature of fiber optic cables in real time. Through specific experimental research，the system can accurately reflect the temperature change of the fiber core of the line and can be used to monitor the temperature of the transmission line.

Keywords：fiber optics；Brillouin scattering；temperature detection

0 引 言

在社會經(jīng)濟和科學技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，輸電領域?qū)χ悄芑旊娋€路的重視程度逐漸提高，并且獲得廣泛地應用。輸電線路的運行狀態(tài)主要通過其工作溫度來展現(xiàn)，因此應加強對其的監(jiān)測和管理工作。現(xiàn)階段，主要使用的監(jiān)測方式為在線路中的關(guān)鍵位置設置傳感器，以此來實時監(jiān)控關(guān)鍵位置的溫度變化情況。但是，此種方式的監(jiān)測點較為固定，難以對整條線路的溫度情況進行全面監(jiān)測。對此，本文將在布里淵光時域反射技術(shù)BOTDR的基礎上，對當前線路中溫度變化趨勢和分布狀態(tài)進行監(jiān)測。

分布式光纖傳感器在實際應用中具有較強的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在它具有較強的抗電磁干擾能力、較長的距離、支持通信線路接入、對有光電纜通信損害小等方面?，F(xiàn)階段，已經(jīng)在以往研究的基礎上進行了優(yōu)化，充分利用拉曼散射和布里淵散射原理，研制出適用于長距離的分布式光纖傳感技術(shù)，其中拉曼散射技術(shù)與目前通信光纜的兼容性不足，檢測距離受到很大的限制，而布里淵散射系統(tǒng)的檢測較遠，通常情況下會超過30km，并且能夠與當前通信光纜相兼容。

本文通過對多種光纜的溫度波動情況進行測試，獲取到眾多類型光纜溫度的變化趨勢，通過實驗研究得出，BOTDR系統(tǒng)能夠有效檢測輸電線路的溫度，對于輸電線路的溫度監(jiān)控和事故預防有一定的輔助作用。

1 工作原理

光纖材料聲速對布里淵散射光頻率和強度產(chǎn)生的作用較大，同時它又受自身的彈力學和聲學特性影響，當應力和溫度產(chǎn)生的改變對光纖造成影響時，材料中的聲波場速度也會隨之產(chǎn)生變化，從而對布里淵散射光的頻率和強度產(chǎn)生作用。

入射光與光纖折射率光柵發(fā)生作用，在多普勒效應的影響下，布里淵散射光的頻率將會隨著入射光頻率、折射率光柵的速度發(fā)生改變。另外，還與散射角θ之間存在一定的聯(lián)系，從石英光纖方面來看，散射光主要出現(xiàn)在后向位置，即θ=π。當入射光的頻率為VO時，布里淵散射光的頻率計算方式為VO-VB，反斯托克斯分量的頻率為VO+VB，其中VB代表的是布里淵頻移：

（1）

其中θ是散射光的散射角，VA代表的是聲波場速度，c代表的是光速。VA的計算方式為：

（2）

該式中，E代表的是楊氏模量，ρ代表的是光纖密度，k代表的是泊松比。由于上述三種變量和光纖折射率均與溫度T、應變ε之間存在一定的曲線聯(lián)系，因此可以用E（T，ε）、k（T，ε）、ρ（T，ε）、n（T，ε）代表，將其代入到公式（1）中，則νB為：

（3）

要想得出溫度與布里淵頻移之間的關(guān)系，假設應變ε的數(shù)值為0，并代入到（3）中，得出二者之間的變化關(guān)系為：

（4）

假設溫度變化值不發(fā)生改變，根據(jù)泰勒級數(shù)的方式，將參量E（T，ε）、k（T，ε）、ρ（T，ε）、n（T，ε）代入后得出：

（5）

該式中，T0代表的是參考溫度，數(shù)值為293K，代表溫度變化值，ET代表楊氏模量，kT代表泊松比、ρT代表纖芯密度、nT代表光纖折射率系數(shù)。

將公式（5）代入到（4）中，展開后T的一次項為：

（6）

該式中：，

，

，

假設T0的數(shù)值為20℃，根據(jù)公式（6）中的各參數(shù)可知，在單模光纖中，布里淵頻移與溫度之間相變化的關(guān)系可表示為：

（7）

根據(jù)公式（7）中可知，針對單模光纖，在忽視外界干擾因素的前提下，布里淵光頻移量與溫度之間將呈現(xiàn)出一定的線性關(guān)系。在特定的范圍內(nèi)，溫度與頻移量之間存在正比例關(guān)系。對于單模光纖來說，當入射光波長為1550nm時，布里淵光的頻移量將在10.8GHz左右。由公式（7）可知，在滿足上述要求的基礎上，光纖溫度與布里淵光譜之間的變化規(guī)律為，每1K變化1.18MHz。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 溫度監(jiān)測試驗

為了對布里淵頻移與溫度之間的關(guān)聯(lián)進行分析，所以采用實驗研究的方式。實驗平臺如圖1所示。在與光纖距離將近100m時，以環(huán)狀的方式對光纖盤進行環(huán)繞，并且在恒溫槽中進行加熱，將光纖的起始端與該系統(tǒng)相連接，然后，提升恒溫槽中的溫度，使其從-10℃以5℃的間隔上升，直至70℃為止，并且每升高一段溫度時，在該間隔上保留10min，并且對恒溫槽中的溫度進行記錄，由此得出光纖的布里淵頻移變化。

通過上述實驗步驟，共得出五十組實驗數(shù)據(jù)，并在此基礎上繪制出布里淵頻移與溫度之間的關(guān)系曲線，如圖2所示。對數(shù)據(jù)中的離散點進行處理后的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖2 布里淵頻移與溫度關(guān)系圖（離散點形式）

圖3 布里淵頻移與溫度關(guān)系圖（置信區(qū)間形式）

圖中，X軸表示溫度，Y軸表示10m光纖的頻移均值，由上述趨勢能夠得出系統(tǒng)設備與溫度計之間的關(guān)系與擬合結(jié)果大致相同。從實驗結(jié)果能夠看出布里淵頻移對溫度的靈敏度系數(shù)為1.1685MHz/℃，基礎頻移為10.584GHz（0℃的位置），該結(jié)論與理論值大致相同。此外，頻移與光纖類型之間也存在較大的聯(lián)系，由于使用的光纖類型有所區(qū)別，加之光纖的類型相同但是可能出現(xiàn)生產(chǎn)批次不同的情況，在基礎頻移和靈敏度方面都具有一定的區(qū)別。該實驗結(jié)果還能夠得出布里淵頻移與溫度之間的線性關(guān)系較為顯著，并且可以通過頻移值對光纖受到溫度影響的整個過程進行直接體現(xiàn)。由此可見，布里淵頻移值與溫度之間存在著十分密切的聯(lián)系。

2.2 實際線路溫度實驗

在本次實驗過程中，使用實際運行輸電線路來完成。線路長為47km，地線為OPGW，通信光纜為OPGW中光纖，并且與電纜線路兩端的變電站相關(guān)聯(lián)，將該設備放置到變電站的機房中，將被測的OPGW光纖連接到監(jiān)測設備當中，具體如圖4所示。

BOTDR設備能夠?qū)旊娋€路中的數(shù)據(jù)進行實時采集，并且及時傳入到計算機系統(tǒng)當中，對信息進行處理之后輸出，并對全線路的溫度值進行顯示。在本次實驗中，實驗樣本選擇為與端口相距10km到30km的一段光纖，對數(shù)據(jù)進行采集。

結(jié)果如圖5所示。

3 結(jié) 論

上述實驗研究表明，BOTDR系統(tǒng)能夠?qū)νㄐ殴饫|的溫度進行實時檢測，這有利于保障輸電線路的安全。本文對線路中多條通信光纜進行測試，從結(jié)果能夠看出，系統(tǒng)能夠?qū)饫|運行環(huán)境的溫度變化情況進行監(jiān)測。但是由于光纜受到多重保護，因此在傳導的過程中，將會損失纖芯溫度。因此，在實際應用時，應按照溫度變化量和變化速率實施綜合溫度告警。

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