BOTDR分布式光纤传感器在电力系统光缆监测中的应用

中国电力教育2006年研究综述与技术论坛专刊

BOT DR 分布式光纤传感器在电力

系统光缆监测中的应用

李旭东　王庭钧

Ξ1

2

(1. 华北电力大学电气与电子工程系, 河北保定　071003;2. 保定市供电局, 河北保定　071000)

摘　要:本文分析了温度和应力给电力系统光缆带来的故障隐患, 给出了基于布里渊散射的光纤传感系统进行温度与应变同时测量的原理, 针对电力系统光通信网络的特点及电力系统现有的光缆检测手段, 提出了光纤布里渊传感器在测量断点的同时也测量温度和应力的方案, 探讨了其在电力系统通信网中的应用方法及应用前景。

关键词:光纤传感;OPG W ;ADSS; 布里渊散射; 温度测量;BOT DR 　　近年来, 光纤凭借其损耗低, 带宽资源丰富, 耐高压, 耐电磁干扰等优点已经在有线通信中特别是主干通信网中占有绝对优势, 这种优势在电力通信网中也不例外容量大, 承载信息多, 障隐患, , 因此找到一种有效的光缆监测的方式越来越受到电力部门的重视。

目前, 电力系统主要采用人工方式用光时域反射仪(OT 2

DR ) 进行光纤的检测, 现在也已经有些光缆自动监测系统应

。除了人为损坏、鼠咬等不可提前预警。

(随着ADSS 光缆应用的不断深入, 生产厂家和用户对光缆出现的问题进行了深入分析并使光缆的性能有了很大改善。但ADSS 仍然在施工或使用过程中出现各种各样的问题, 其中最主要的就是如下两类:

一类是光缆在施工过程中会因悬挂点间的拉力与重力而对ADSS

产生一个张力, 目前对光缆所受机械力的分析主要采用静态的分析[1]。当遇到刮风、覆冰等环境时, 光缆的受力情况会比较复杂, 一方面可能导致光缆的性能下降或折断, 另一方面可能由于风力而导致光缆与相线的距离超过安全距离而导致对光缆的电腐蚀[1]。所以对光缆所受应力的实时监测并采取有效措施可减小故障发生率。

另外一类是由于各种原因导致的ADSS 温度升高而带来的影响。环境的温度差造成的影响不是很大, 而由于电腐蚀产生的高温有可能损坏光缆或使光缆性能下降。“干带电弧”是产生电腐蚀的主要原因[2], 电弧产生的高热使外护套表面温度升高, 导致外护套表面发生降解, 直至烧穿光缆外护套而导致断缆故障。如果防震鞭采用的不是耐电腐蚀材料, 在高电压作用下首先被腐蚀而形成一个带电导体, 电流流过时产生很高的热量最终损害光缆。例如在河南卫辉站曾发生两起类似事件。

(2) OPG W 故障简析

用到电力部门, 但都是基于OT DR 原理的测量方式。这种测量方式对光缆的断点测量性能良好, 但由于它是采用测量瑞利散射光而得到沿光纤的衰减分布的, 而瑞利散射光基本不受外界条件如温度、应变等的影响, 所以这种测量方式的应用受到了一定的限制。在电力系统中OPG W 和ADSS 光缆占主要地位, 它们经受着复杂的环境的影响, 而其中最主要就是由于各种原因而导致的光缆所受的应力及温度的变化。而应力和温度的变化可能会对光缆造成很大影响, 如衰减增大甚至断缆等。所以寻找一种在检测光纤断点的同时也能检测光纤所处的温度及应力等环境对于故障预警等显得更为重要。本文就旨在探讨一种能满足这种要求的光缆监测方式。

1. 电力系统光缆故障隐患分析

早在80年代电信部门就开始广泛应用光纤作为传输主干网, 电力系统从90年代以来才开始大规模建设光纤通信网或把旧网改造成光纤网, 但其发展相当快, 现在已经有很多城市的光缆长度超过1千公里, 而光缆检测系统则是刚刚起步。由于电力系统中以OPG W 和ADSS 光缆为主, 这些架空光缆经受着复杂的环境, 因而电力系统光缆存在着很多特

由于OPG W 光缆包括光纤单元和地线单元, 所以OPG W 光缆除了受到与ADSS 相似的风力、覆冰、拉力等力的影响外, 还要受到更复杂的温度影响。

①架空地线在恶劣环境下最高环境温度大约60℃, 而且

Ξ作者简介:李旭东(1982-) , 男, 河北保定人, 华北电力大学电气与电子工程系通信与信息系统专业05级硕士研究生。

BOT DR 分布式光纤传感器在电力系统光缆监测中的应用

导线在大电流高电压作用下会产生数十安培的感应电流, 这些均能引起架空地线的连续温升, 这些温升虽不会在短期内对光缆造成致命伤害, 但如果持续时间长也会加快光纤的老化及性能下降。

②有时由于施工失误, 如OPG W 接地不良或没有接地, 可能导致OPG W 上感应电压升高而对引下夹具等金属放电, 接触点温度升高从而使OPG W 外层铝合金线和铝包钢熔断, 进而损坏纤芯。如在广东电网已经发生数起类似事件[3]。

③因故障引起的短路大电流而导致瞬间高温是OPG W 光缆最大的威胁。藏在架空地线中央的光纤单元的温度在瞬间要比外部的铝包钢线高。虽然一般短路持续时间在

0. 3s -1s 内, 但由于故障可能会持续时间较长而发生断缆事

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则解存在。

3. 基于布里渊光时域反射计(BOT DR ) 的传感方案(1) BOT DR 的基本原理

目前基于布里渊散射的分布型光纤传感技术从整体上分主要有三种方案:基于布里渊光时域反射计(BOT DR ) 的光纤传感技术、基于布里渊光时域分析(BOT DA ) 的光纤传感技术、基于布里渊光频域分析(BOFDA ) 的光纤传感技术。本文研究探讨的方案是基于BOT DR 的光纤传感技术。

基于BOT DR 的分布式光纤传感系统与在光纤测量中广泛应用的光时域反射计(OT DR ) 相似。其原理框图如图1所示[6]。

在OT DR 中, 从光纤的一端发射一个脉冲, 同时在发射端检测背向瑞利散射信号, 发送脉冲与接收到散射信号的时间延迟结合光的传播速度可以提供光纤检测的位置信息, 测量散射信号的强度就可以得到光纤的衰减情况。在BOT DR 中测量的是布里渊散射信号, , 所以通过测量布里。

, 其信号非常

[4]

故, 即使未发生断缆, 由于光缆遭遇退火效应, 衰减特性也会有较大变化。

④由于一般OPG W 中都有余长以减小受力带来的影响, 温度的变化同样会给光纤余长带来影响变化或影响光缆的应力承受度。

另外, 电力系统还存在很多普通地埋式光缆、(G WW OP ) , 30km 的海底复合光缆, , 造成光纤损耗的

微弱, 可采用与相干瑞利检测相类似的自外差检测方案提高信噪比, 而且这种方案是单端入射, 系统简单, 实现方便, 可同时测量断点、损耗、温度和应变, 而且目前也已经可以实现只测温度测量距离达57km , 温度应变同时测量时测量距离με, 最坏空间达30km

以上, 温度分辨率4℃, 应变分辨率100分辨率20m 的测量[5]。

我国地域广阔, 很复杂, 温度和应力对光缆造成的影响是环境因素的主要原因, 所以在监测光纤断点的同时也监测光缆温度和应力的变化对光缆的故障预警及维护意义深远。

2. 布里渊温度应变传感机理

当光在光纤中传播时, 由于光波和光纤中的热激励声波相互作用而产生一种非弹性散射———布里渊散射。研究发现布里渊散射光的强度和频移与光纤所受应力和温度有关。通过测量沿光纤长度方向的布里渊散射光的频移和强度就可以得到光纤的温度和应变信息。

由于声波的存在, 光纤的密度发生变化, 从而对光纤的介电常数和折射率进行周期性的调制。由于光纤中超声波的传播, 导致散射光产生一个多普勒频移-布里渊频移, 其计算公式为:

v B =

λp

其中v a 代表光纤中的声速,n 代表光纤的折射率λ, p 代表泵浦光波长。声波的指数衰减特性使得布里渊散射谱呈洛伦兹分布。

由温度和应力引起的布里渊频移和强度的变化可用矩阵表示[5]:

v B P =

C v B C v BT ε

　C P B C P BT ε　

图1　BOT DR 基本原理图

综合考虑, 虽然BOT DR 方案的温度和应变同时测量时目前所能达到的测量精度还有所欠缺, 但可以根据需要降低一种参数的测量精度而换取另一种参数的高精度。而且这种方案简单, 施工方便, 随着技术的提高和新型信号处理技术的发展, 这种方案的性能一定会有大幅提高。

4. 基于BOT DR 的传感方案及其在电力通信网监控中的

其中C v B ε和C v BT 是应力和温度引起的布里渊频移的系数,C P B ε和C P BT 是由应力和温度引起的布里渊散射的强度变化系数。通过求解矩阵方程即可得出温度和应力的变化。如果系数矩阵的逆矩阵为非奇异矩阵, 即C v B C v BT C P B εC P BT ≠ε,

应用

(1)

传感方案分析

基于BOT DR 的断点、温度应变同时测量方案如图2所示。

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BOT DR 分布式光纤传感器在电力系统光缆监测中的应用

测器上与本振光进行相干检测, 进行布里渊散射信号的强度与频移的同时测量。由于布里渊散射信号的强度不仅受温度和应力的影响, 而且受光纤衰减的影响, 所以需要用宽谱光测量瑞利散射信号, 求布里渊散射信号强度与瑞利散射信号强度的比(Landau -Placzek Ratio ) 以抵消由于光纤损耗或接头, 弯曲等带来的影响, 得出只由温度和应力带来的光强的变化。从检测器输出的电信号经过数据采集与处理后从而得出温度应变等被测信息同时可以监测光纤断点

。

光源部分采用两个光源, 一个为窄谱光源, 用于测量布里渊散射信号, 另一个为宽谱光源, 测量瑞利散射信号(宽谱光源可降低相干瑞利噪声, 宽谱光源也可由一个宽带反射镜代替, 从而可以只用一个窄谱光源) 。在测量布里渊散射信号时由窄谱激光器发出的光经耦合器分出一部分光作为本振光, 另一部分光经电光调制器调制成脉冲光, 然后经光放大器放大后再通过环形器发射到传感光纤, 光在传播时产生的背向散射光经环形器输出, 一部分光通过耦合器输入到检

图2

　　　(2) BOT DR 基于BOT

DR ]。光缆自动监测网络的构成如图。

, 现在在国际上也是一个研究的热点。随着科技的发展, 它的性能必将有突破性进展。而把这一方案应用在电力通信光网络也将大大提高光缆监测系统的监测功能, 而且随着研究的深入, 也可能实现更多参量的测量, 如烟雾、电场等的测量。

参考文献:

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[5]S.M. M aughan , H. H. K ee ,and T. P. News on. S imultaneous distrib 2

图3　光缆监测系统原理图

监测中心通过以太网与监测站相联接, 以太网提供监测中心与监测站间的命令和数据传送通道。监测中心主要负责对本管区监测站进行管理工作, 由监测中心向监测站发送命令, 监测站启动BOT DR 设备对光缆进行监测, 然后监测站将监测数据传给监测中心, 供维护人员进行维护。监测站可以根据实际需要既可以安装在局中心机房, 也可以安装在无人值守的远端变电站通信机房中。

4. 结束语

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尽管BOT DR 系统技术比较复杂, 成本相对较高, 暂时还不能得到普及, 但由于基于BOT DR 的光纤传感方案具有传感距离长, 系统简单, 可实现高精度高分辨率测量, 只需一次监测即可获得沿线的温度、应变及衰减信息的特点, 它已经

统[J].电力系统通信,2003,2:1-4.