布里淵光時(shí)域反射儀定位OPGW雷擊的方法

朱劍鋒 梁韶華 梁小萍

摘? 要：文章介紹了分布式布里淵光時(shí)域反射儀（BOTDR）的原理和結(jié)構(gòu)，用于檢測(cè)雷擊光纖復(fù)合架空地線（OPGW）時(shí)產(chǎn)生的溫升變化和獲取OPGW斷股導(dǎo)致的應(yīng)力變化。利用高壓輸電線的雙OPGW結(jié)構(gòu)來(lái)消除外界環(huán)境產(chǎn)生的共模干擾和解決布里淵頻移存在的交叉敏感，提高了OPGW雷擊定位的可靠性。通過(guò)模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了BOTDR能檢測(cè)雷擊OPGW時(shí)產(chǎn)生的同等光纖溫升變化，為OPGW雷擊定位研究提供參考。

關(guān)鍵詞：光纖復(fù)合架空地線;應(yīng)變;溫升;交叉敏感

中圖分類號(hào)：TM863? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）16-0059-04

Method on Location of Lightning Stroke on OPGW by Means of a Brillouin Optical Time Domain Reflectometer

ZHU Jianfeng， LIANG Shaohua， LIANG Xiaoping

（Beibu Gulf University， Qinzhou? 535011， China）

Abstract： The paper introduces the principle and structure of the distributed Brillouin optical time domain reflectometer （BOTDR）， which is used to detect the temperature rise changes and obtain the stress changes caused by broken strands on optical fiber composite overhead ground wire （OPGW） when the OPGW is struck by lightning. The dual OPGW structureof the high-voltage transmission line is used to eliminate the common mode interference generated by the external environment and solve the cross sensitivity of Brillouin frequency shift， which improves the reliability of lightning stroke positioning on OPGW. By simulation experiments， it is verified that BOTDR can detect the same optical fiber temperature rise changes when the OPGW is struck by lightning， which provides a reference for study on location of lightning stroke on OPGW.

Keywords： optical fiber composite overhead ground wire; strain; temperature rise; cross-sensitivity

0? 引? 言

OPGW是一種集架空地線和通信光纖于一身的特種光纜，廣泛應(yīng)用于高壓輸電線，兼具地線和通信雙重功能[1]。OPGW通常架設(shè)在輸電線路最高處，容易遭遇雷擊、風(fēng)害等自然因素影響，從而引發(fā)OPGW斷線或斷股事故。雷擊OPGW時(shí)產(chǎn)生的劇烈物理現(xiàn)象，可能導(dǎo)致OPGW發(fā)生斷股而成為電力通信系統(tǒng)正常運(yùn)行的隱患[2]。監(jiān)測(cè)并確認(rèn)OPGW遭受雷擊的位置，及時(shí)發(fā)現(xiàn)OPGW斷股隱患，對(duì)提高電網(wǎng)的安全可靠性具有重要意義。

1? 分布式布里淵光時(shí)域反射儀

布里淵光時(shí)域反射儀（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer，BOTDR）的基本原理是：光纖內(nèi)部介質(zhì)連續(xù)的彈性力學(xué)振動(dòng)導(dǎo)致介質(zhì)密度隨空間和時(shí)間周期變化，介質(zhì)的折射率被周期性調(diào)制并以聲速傳播，產(chǎn)生類似光柵的作用。當(dāng)光波入射到光纖中時(shí)受到聲場(chǎng)光柵作用而產(chǎn)生與聲速相關(guān)的頻移，頻移ΔvB隨光纖溫度和應(yīng)變的變化量近似成線性變化[3]，表示為：

ΔvB=Cv，TΔT+Cv，εΔε? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中，Cv，T和Cv，ε分別為布里淵頻移變化的溫度系數(shù)和應(yīng)變系數(shù)。當(dāng)入射光波長(zhǎng)等于1 553.8 nm時(shí)，Cv，T=1.1 MHz/℃和Cv，ε=0.049 3 MHz/με。依據(jù)光時(shí)域反射技術(shù)的基本原理，將光脈沖沿著光纖向前傳播時(shí)會(huì)不斷產(chǎn)生背向的布里淵散射光，利用背向的布里淵散射光可實(shí)現(xiàn)光纖沿線各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度或應(yīng)變信息定位。

計(jì)算公式：

（2）

其中，L是光纖中的定位位置，v是光在光纖的傳播速率，t是從光脈沖發(fā)出到接收到某位置產(chǎn)生布里淵散射光所需時(shí)間。

圖1顯示了一種外差相干檢測(cè)BOTDR的典型結(jié)構(gòu)。激光發(fā)出頻率為v0激光經(jīng)光纖耦合器1分成兩路：一路進(jìn)入強(qiáng)度調(diào)制器并被調(diào)制為光脈沖，經(jīng)光環(huán)路器輸出到傳感光纖，另一路直接進(jìn)入光耦合器2，作為本振光源。光脈沖在傳感光纖中產(chǎn)生的背向布里淵散射光v0-vB經(jīng)過(guò)光環(huán)形器進(jìn)入光耦合器2的另一輸入端，散射光與本振光相干產(chǎn)生差頻信號(hào)經(jīng)過(guò)vB光電平衡探測(cè)器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的射頻信號(hào)[4]。由于布里淵散射信號(hào)頻率約為11 GHz，在電域處理較為困難，需要經(jīng)過(guò)混頻器將高頻的射頻信號(hào)降到更低頻率再實(shí)施處理和分析。

光纖中的布里淵頻移通常同時(shí)受溫度和應(yīng)變的影響，這種交叉敏感問(wèn)題可采用在傳感光纖旁布置參考光纖來(lái)解決。讓參考光纖處于不受應(yīng)變的松弛狀態(tài)或與傳感光纖處于同一溫度場(chǎng)下，通過(guò)測(cè)量參考光纖獲得待測(cè)場(chǎng)的溫度信息或應(yīng)變信息，從而依據(jù)式（1）算出應(yīng)變或溫度信息，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度的同時(shí)檢測(cè)。

2? 雷擊定位方法

雷擊OPGW時(shí)伴隨強(qiáng)烈的放電和炸裂聲，并在雷擊處產(chǎn)生高溫，可能導(dǎo)致OPGW斷股。OPGW表面金屬溫度升高會(huì)傳導(dǎo)至內(nèi)部光纖，致使光纖溫度升高，而斷股也會(huì)引起光纖應(yīng)力發(fā)生變化，采用分布式BOTDR監(jiān)測(cè)光纖的溫度和應(yīng)力變化，能實(shí)現(xiàn)OPGW的雷擊定位和監(jiān)測(cè)。通常在OPGW雷擊處產(chǎn)生的光纖溫度場(chǎng)變化為3 ℃左右[5]，作用半徑約2 m，故一般要求BOTDR定位分辨率優(yōu)于4 m。當(dāng)OPGW斷股截面積約超過(guò)25%時(shí)，則能明顯的檢測(cè)布里淵頻移變化，從而能通過(guò)BOTDR分析OPGW斷股程度[6]。

在雙OPGW高壓輸電線路中，一路OPGW作為傳感光纖，另一路則作為參考光纖，兩路OPGW在不同時(shí)刻又可交替互換。一般情況下，近似認(rèn)為架設(shè)的兩路OPGW沿線同位置各點(diǎn)溫度場(chǎng)和應(yīng)變分布是相似的[7]，只有在特殊時(shí)刻，比如遭受雷擊或斷股時(shí)，會(huì)在相應(yīng)位置產(chǎn)生溫度升高或應(yīng)變的突變。雷擊OPGW時(shí)剛開(kāi)始溫度會(huì)突然升高，同時(shí)受周圍環(huán)境的散熱影響，溫升作用時(shí)間有限，最后會(huì)恢復(fù)且與周圍溫度相等。假如雷擊放電量較大且劇烈，致使OPGW斷股大于3根以上，則會(huì)在該處出現(xiàn)一個(gè)突變的應(yīng)力變化，并且此應(yīng)變將一直保持。

根據(jù)上述原理，利用分布式BOTDR對(duì)高壓輸電線路進(jìn)行雷擊定位方法大致如以下所示。（1）兩路OPGW備用光纖采用光開(kāi)關(guān)分時(shí)復(fù)用接入BOTDR，檢測(cè)OPGW沿線的溫度/應(yīng)變信息，建立與OPGW地理信息相應(yīng)的溫度/應(yīng)力分布曲線;（2）周期性測(cè)量。分別與前幾次的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，確認(rèn)溫度/應(yīng)變是否存在突然升高;（3）將溫度/應(yīng)變的突變定義為某一位置溫度/應(yīng)變突然升高的值大于分布式BOTDR的測(cè)量精度值且參考光纖同一位置處無(wú)溫度/應(yīng)變的變化。比較同一位置的溫度/應(yīng)變數(shù)據(jù)是否有突變，確認(rèn)突變點(diǎn)的位置及溫度/應(yīng)變?cè)谕蛔兦昂髱状螠y(cè)量的變化趨勢(shì);（4）選取與突變點(diǎn)相鄰的幾個(gè)位置，比較前后幾次測(cè)量過(guò)程中這些位置的溫度是否有突變，若不存在突變，則可判斷前面篩選的突變點(diǎn)是外界傳熱導(dǎo)致;

（5）分析突變點(diǎn)所處的OPGW位置在前后幾次測(cè)量的變化趨勢(shì)。假如在多個(gè)測(cè)量時(shí)間間隔之后與前后相鄰的幾個(gè)位置處的溫度/應(yīng)變值一致，則認(rèn)為該處位置溫度/應(yīng)變的突變由雷擊傳熱產(chǎn)生。反之，則認(rèn)為該處發(fā)生雷擊并導(dǎo)致OPGW斷股，且差值越大，斷股程度越嚴(yán)重。

3? 模擬試驗(yàn)與分析

依據(jù)上述原理和方法，識(shí)別雷擊的關(guān)鍵在于檢測(cè)OPGW（傳感光纖）的溫度或應(yīng)變。BOTDR能夠檢測(cè)光纖溫度變化和突變的應(yīng)變量，并通過(guò)特定的邏輯關(guān)系去鑒別OPGW是否遭受雷擊或發(fā)生斷股事件。本文利用光纖應(yīng)變分布測(cè)試儀和溫控箱構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)易的溫度模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證BOTDR是否能檢測(cè)到雷擊導(dǎo)致的光纖溫升變化。由于OPGW硬度大，彎曲半徑較大，難以放入溫控箱內(nèi)，故改用3 mm皮套單模光纖代替作為測(cè)試對(duì)象。在實(shí)驗(yàn)室條件下，BOTDR選用中電41所的光纖應(yīng)變分布測(cè)試儀AV6419，空調(diào)溫度設(shè)置為28 ℃，并將光纖卷置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，最后開(kāi)啟AV6419和溫控箱并處于待機(jī)狀態(tài)30分鐘以上，保證所有儀器和材料處于穩(wěn)定狀態(tài)。采用一條總長(zhǎng)度約2 km皮套單模光纖作為測(cè)試對(duì)象，并在1.95 km處盤旋長(zhǎng)2 m的光纖置于溫控箱內(nèi)用于溫度試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)試框圖如圖2所示。

當(dāng)溫控箱的溫控區(qū)還未工作，整條光纖的溫度與環(huán)境溫度相同，測(cè)得實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為28.6 ℃，并測(cè)試此溫度下整條光纖的應(yīng)力分布曲線，記為28.6 ℃應(yīng)變曲線。更改溫控箱的控制溫度并設(shè)為32.0 ℃，待溫控區(qū)內(nèi)部溫度穩(wěn)定之后，測(cè)試此時(shí)光纖的應(yīng)變分布曲線，記為32.0 ℃應(yīng)變曲線。以28.6 ℃應(yīng)變曲線作為參考曲線，32.0 ℃應(yīng)變曲線作為主應(yīng)變曲線，并將兩曲線相減得到差分曲線，如圖3和圖4所示。

從顯示的差分曲線可知，除1.950 km附近有約寬3 m的明顯凸起，其他各處相對(duì)較為平坦。若實(shí)驗(yàn)室環(huán)境光纖與溫控箱光纖均以應(yīng)變的均值做比較時(shí)，兩者應(yīng)變差為87.3με。用28.6 ℃應(yīng)變曲線作為參考曲線，設(shè)置溫控區(qū)工作在不同溫度下，同時(shí)測(cè)試此刻整條光纖應(yīng)變曲線，分別獲得與參考曲線的差分曲線之差分應(yīng)變（均值），如表1所示。

其中，表1的差分應(yīng)變指在環(huán)境溫度不變，溫控區(qū)在某一溫度下的應(yīng)變曲線與參考曲線所得差分曲線的應(yīng)變均值，應(yīng)變差為兩處光纖的差分應(yīng)變之差。根據(jù)表1中兩處光纖的溫度差和應(yīng)變差數(shù)據(jù)來(lái)畫(huà)出相應(yīng)的關(guān)系曲線趨勢(shì)圖，兩者之間近似呈線性關(guān)系，靈敏度約為23.3με/℃，如圖5所示。綜上可知，BOTDR能檢測(cè)光纖溫度變化引起的光纖應(yīng)變，精度優(yōu)于3 ℃，可用于檢測(cè)雷擊OPGW時(shí)產(chǎn)生的光纖溫度變化。

4? 結(jié)? 論

本文研究了基于分布式BOTDR的OPGW雷擊定位方法，利用雙OPGW高壓輸電線結(jié)構(gòu)來(lái)消除外界環(huán)境產(chǎn)生的共模干擾，分析雷擊OPGW時(shí)產(chǎn)生的光纖溫升變化的特點(diǎn)來(lái)檢測(cè)和定位雷擊，對(duì)比雷擊前后應(yīng)力變化來(lái)實(shí)現(xiàn)OPGW斷股分析。本方案能用于檢測(cè)雷擊OPGW時(shí)產(chǎn)生的光纖溫度變化場(chǎng)，可為高壓輸電線路的OPGW雷擊定位和斷股分析提供參考。

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作者簡(jiǎn)介：朱劍鋒（1986—），男，漢族，廣西陸川人，講師，碩士，研究方向：傳感技術(shù)及光電信號(hào)處理。