OPGW受拉力時光纖的應(yīng)變分析

范 鵬，劉春翔，姜德華，楊堂華

(1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢430074;2.云南電網(wǎng)公司普洱供電局，云南 普洱665000)

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，光纖復(fù)合架空地線(OPGW)在電力系統(tǒng)通信中的應(yīng)用越來越廣泛［1］。但OPGW長期暴露在野外，受到持續(xù)的機械張力、電氣閃絡(luò)、材料老化和外界環(huán)境變化等影響而產(chǎn)生斷股、磨損、腐蝕等損傷，從而導(dǎo)致OPGW發(fā)生形變，造成內(nèi)部光纜產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變。通常狀態(tài)下，OPGW的應(yīng)力應(yīng)變對內(nèi)部光纖的傳輸性能的影響非常小，常規(guī)檢測無法檢測到光纖應(yīng)力應(yīng)變的變化，然而一旦光纖應(yīng)力應(yīng)變積累到一定程度最終發(fā)生斷裂，將對電力系統(tǒng)通信和電網(wǎng)的安全可靠性產(chǎn)生直接影響，甚至?xí)斐芍卮蟮氖鹿屎徒?jīng)濟損失。因此，必須使用準(zhǔn)確度高、可靠性好的儀器對OPGW進(jìn)行長期的應(yīng)變測量監(jiān)控，實時監(jiān)測OPGW的健康狀況，以便及時發(fā)現(xiàn)并處理故障隱患，使其更好地為電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行服務(wù)，這是電力部門亟待解決的一大實際問題。

本文基于布里淵散射的分布式光纖傳感器原理［2］，搭建了用于監(jiān)測OPGW內(nèi)部光纖的應(yīng)力應(yīng)變變化的的實驗平臺，采用布里淵光時域反射儀［3］(BOTDR)研究了在不同拉力作用下OPGW內(nèi)部光纖的布里淵頻移變化特征，為實現(xiàn)OPGW的長期應(yīng)變監(jiān)測提供依據(jù)。

1 OPGW簡介

OPGW是在保持架空地線的功能和各項性能不變的基礎(chǔ)上，光纖置于架空高壓輸電線的地線中，用以構(gòu)成輸電線路上的光纖通信網(wǎng)，這種結(jié)構(gòu)形式兼具地線與通信雙重功能，從而實現(xiàn)了既保證電網(wǎng)傳輸線路的完整性又兼具遠(yuǎn)距離智能監(jiān)測的作用。

通常OPGW光纜結(jié)構(gòu)分為層絞式和中心管式，目前新建高壓輸變線路中，采用層絞式OPGW光纜，其中的一種結(jié)構(gòu)如圖1所示。

這種OPGW光纜的優(yōu)點可概括為:適用于新建的具有架空地線的輸電線路上，且光纜的架設(shè)方便;具有單層或多層鎧裝結(jié)構(gòu)，并且光纖留有一定的余長，能有效地保護(hù)內(nèi)部光纖;其結(jié)構(gòu)緊湊，能有效散熱;有較高的抗拉強度、擠壓恢復(fù)能力以及適應(yīng)惡劣氣候條件等［4］。

圖1 層絞式OPGW光纜截面結(jié)構(gòu)示意圖

2 BOTDR測量原理

光在光纖中傳播時，沿著光傳播的反方向會產(chǎn)生散射光，其背向散射光的光譜如圖2所示，包括了瑞利(Rayleigh)散射、布里淵(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射［5］。其中布里淵散射是由介質(zhì)中的聲學(xué)聲子引起的一種非彈性散射光，布里淵散射光的頻率相對于入射光頻率發(fā)生的漂移稱為布里淵頻移，其大小由介質(zhì)的聲學(xué)和彈性力學(xué)特性決定。布里淵頻移大小的計算公式為［6］:

式中:fB為布里淵頻移;n為光纖纖芯折射率;vA為光纖中的聲波速度;λC為入射光在真空中的波長。

在入射光為1 550 nm波段的二氧化硅光纖材料內(nèi)(n=1.46，vA=5 945 m/s)，典型的布里淵頻移約為11 GHz。在入射光波長確定的情況下，布里淵頻移的大小由光纖材料的介質(zhì)折射率和光纖材料的聲速大小所決定。然而，材料的折射率和聲速還會受到光纖材料的熱光特性和聲光特性影響，所以，其布里淵頻移的大小會隨光纖溫度和應(yīng)變的變化而變化。

1989年Culvethouse等人［7］在用高分辨率的共焦F－P干涉儀對光纖的布里淵頻譜進(jìn)行分析時，首次發(fā)現(xiàn)了布里淵頻移與溫度變化之間的關(guān)系，并提出以布里淵頻移進(jìn)行分布式溫度傳感的可能性;同年Horiguchi等人利用布里淵光時域分析儀(BOTDA)進(jìn)行了光纖衰減特性的實驗研究和理論分析，同時還提出了布里淵頻移的拉伸應(yīng)變效應(yīng)。他們的研究結(jié)果分別證明了布里淵頻移與光纖的溫度和應(yīng)變近似成線性變化的關(guān)系，其關(guān)系表達(dá)式可寫為:

式中:T、ε、T0、ε0、和f0分別為光纖溫度(℃)、光纖應(yīng)變(με)、光纖初始溫度(℃)、光纖初始應(yīng)變(με)和初始頻移(GHz);CT為布里淵頻移的溫度參數(shù)(GHz/℃);Cε為布里淵頻移的應(yīng)變參數(shù)(GHz/με)。

關(guān)于布里淵頻移與光纖溫度和應(yīng)變的研究工作，許多國內(nèi)外學(xué)者做過大量的研究［8-9］，都獲得了比較理想的結(jié)果。本文的研究工作只考慮材料的應(yīng)變對布里淵頻移的影響，實驗過程中將材料放置于同一環(huán)境條件下，并確保溫度處于恒定值，以消除溫度變化所帶來的誤差。所以在式(2)中可忽略布里淵頻移與溫度的變化關(guān)系，從而可簡化為:

圖2 背向散射光頻譜圖

對于光纖的應(yīng)變分布測量方法主要有兩種，布里淵光時域反射儀(BOTDR)和布里淵光時域分析儀(BOTDA)。這兩種傳感器均采用光時域反射儀的測量原理，且測量的均是背向布里淵散射信號。所不同的是BOTDR在光纖的同一端進(jìn)行光脈沖發(fā)射和信號接收，而BOTDA在不同的兩端進(jìn)行信號的發(fā)射和接收。基于BOTDR的分布式光纖傳感系統(tǒng)的優(yōu)勢體現(xiàn)在:只需在光纖一端測量，應(yīng)用方便;單個激光器實現(xiàn)自外差工作，容易精確控制脈沖光與連續(xù)光之間的頻差;若參考光足夠強，可提高最小可探測光功率，提高探測精度;傳感距離遠(yuǎn)，可實現(xiàn)幾十公里的遠(yuǎn)程監(jiān)測，且便于組網(wǎng)進(jìn)行實時監(jiān)測，適用于電網(wǎng)中OPGW光纜的應(yīng)變狀態(tài)檢測。

本文的實驗研究中采用BOTDR進(jìn)行測量，脈沖光從光纖的一端輸入，并在同一端測量后向返回的自發(fā)布里淵散射光，通過將背向自發(fā)布里淵散射光與一個頻率較為接近的參考光進(jìn)行差頻相干，測量頻率較低的拍頻信號來得到布里淵頻移。這種傳感技術(shù)現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用在了電力、通信以及結(jié)構(gòu)監(jiān)測等領(lǐng)域［10］。

由于是分布式光纖應(yīng)變傳感，所以對于接收回來的信號需要對其定位，光纖上任意一點至入射端的距離z可由下式計算得到［11］:

式中:c為真空中的光速，為3×108m/s;n為光纖纖芯的折射率;Δt為發(fā)出的脈沖光與接收到的散射光的時間間隔。

按一定頻率間隔不斷變化入射脈沖光的頻率，就可以獲得光纖上每個采樣點的布里淵頻移。在溫度恒定的條件下，如果光纖中的一段受到軸向應(yīng)力，則產(chǎn)生應(yīng)變的那段光纖的布里淵頻移相應(yīng)地會發(fā)生改變，由布里淵頻移的變化量與光纖應(yīng)變之間的線性關(guān)系可以得到光纖的應(yīng)變分布。

3 OPGW應(yīng)變實驗

光纖的允許抗拉伸形變量比OPGW中的金屬線材小得多，因而要求光纖的長度相對于OPGW長度有適當(dāng)?shù)挠嚅L，以克服OPGW在初伸長、最大氣象負(fù)荷、蠕變等各種原因造成的線纜伸長時對光纖造成的過度應(yīng)變。因此在光纖的余長被消耗完前，光纖所受到的應(yīng)力應(yīng)變很小。我們在武漢高壓研究所的20 t臥式拉力機上進(jìn)行了拉力實驗，以分析OPGW在不同應(yīng)力應(yīng)變條件下布里淵頻移的變化關(guān)系，并且找出OPGW光纖可測應(yīng)變的起點以及布里淵頻移與光纜拉力的對應(yīng)關(guān)系。

試驗在室內(nèi)模擬實驗檔進(jìn)行，試驗有效檔距為11 m。如圖3所示為室內(nèi)模擬實驗檔的示意圖，所測試的OPGW型號為OPGW-24B1-110［76.6∶88.7］，額定拉斷力(RTS)為76.6 kN，長度為200 m。實驗開始前，將其中11 m長度的OPGW以無拉力狀態(tài)架設(shè)在拉力機中間的試驗檔上，采用適宜的夾具對試樣的兩端進(jìn)行端部處理，并引出足夠長的光纖以便于儀表測試。

圖3 室內(nèi)模擬實驗檔的示意圖

為了達(dá)到理想的數(shù)據(jù)監(jiān)測效果，避免布里淵頻移測量設(shè)備的死區(qū)，需要延長監(jiān)測距離，故將OPGW光單元里24根光纖中的4根依序熔接在一起，形成一個長度約為800 m的光纖環(huán)接待測線路。

實驗過程中參照OPGW的設(shè)計參數(shù)對光纜施加的拉力值分別為:15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%RTS。并且在每次施加下一個拉力值進(jìn)行測試前，需將拉力機歸零以使OPGW處于不受拉力狀態(tài)，以方便區(qū)別不同拉力值下的布里淵頻移數(shù)據(jù)。BOTDR設(shè)備記錄被測光纖的布里淵頻移空間分布，溫度記錄儀記錄實驗現(xiàn)場環(huán)境溫度。圖4為BOTDR設(shè)備記錄的實驗過程中布里淵頻移的空間分布，從圖4中可以看出頻移分布有效數(shù)據(jù)長度約為800 m，與被測光纖環(huán)接線路長度吻合。

圖4 BOTDR測量頻移的空間分布

4 數(shù)據(jù)處理和分析

圖5為OPGW在70% RTS拉力下光纖的頻移均值分布曲線(圖中的實線所示)。由圖5中可以看出，由于各段光纖的材質(zhì)差異以及熔接所導(dǎo)致的光損耗等原因，各段光纖所測頻移空間分布的初值不一樣，根據(jù)其初值差異可以分別判斷出4段光纖熔接處的位置，如圖5中的虛線所示。在受到70%RTS拉力時，所處拉力機中光纖的頻移變化明顯，根據(jù)圖5可以確定4段在拉力機中的光纖在測量頻移分布上的位置，即為圖5中峰值位置。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時，選取每個峰值處的3個數(shù)據(jù)點(在拉力機中段的2 m長度)作頻移數(shù)據(jù)均值，并以此均值作為各段光纖在拉力機中隨拉力變化的頻移數(shù)據(jù)。

圖6所示為各段光纖的頻移均值隨拉力變化的曲線。通過數(shù)據(jù)分析可知:受OPGW光纜中光纖余長的影響，在光纜受到小于60%RTS的拉力時，光纖的頻移變化很小，幾乎恒定不變，說明在小于60%RTS的拉力狀態(tài)下，OPGW拉伸，但是OPGW內(nèi)的光纖余長并沒有消耗完，光纖仍處于未受拉力狀態(tài)。然而，當(dāng)OPGW所受拉力大于等于60% RTS時(圖6中虛線所示)，則頻移變化非常明顯，且隨拉力呈線性變化趨勢，說明OPGW內(nèi)部光纖余長已經(jīng)被消耗完，光纖已經(jīng)受力產(chǎn)生應(yīng)變，從而導(dǎo)致頻移發(fā)生明顯的變化。故OPGW光纜內(nèi)部光纖的頻移-拉力擬合線性方程可表示為:

圖5 70% RTS拉力下光纖的頻移均值分布

圖6 各段光纖頻移隨拉力變化

式中:F為拉力(kN);CF為拉力參數(shù)(GHz/kN);fB為布里淵頻移(GHz);f0為布里淵頻移初值(GHz)。

圖7所示為第1段光纖在大于60%RTS拉力的原始頻移數(shù)據(jù)與擬合曲線比較。從中可看出光纖在受到鋼纜絞絲施加的應(yīng)力時，頻移的變化非常明顯，且擬合曲線與原始數(shù)據(jù)的吻合程度較高。經(jīng)擬合后，可得到CF=0.008 06 GHz/kN。

各段光纖的拉力參數(shù)和頻移初值如表1所示。

表1 各段光纖的拉力參數(shù)

由表1可知，4段光纖之間的頻移-拉力擬合曲線的斜率變化不大，在均值上下±0.000 15 GHz/kN浮動。每段光纖由于材質(zhì)差異以及熔接所導(dǎo)致的光損耗等原因，其布里淵頻移的初值有較大不同，初值間的差值與圖7中各段光纖在小于60%RTS拉力時的頻移間差值相對應(yīng)。

圖7 原始拉力-頻移曲線與擬合曲線比較

5 結(jié)束語

BOTDR是一種新興的可用于電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中對OPGW光纜光纖進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測的技術(shù)，具有分布式、長距離、實時性、精度高、抗干擾和耐久性長等諸多優(yōu)點。本文研究了基于BOTDR對OPGW內(nèi)部光纖的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行檢測的方法，并利用BOTDR研究了OPGW內(nèi)部不同光纖在不同拉力條件下的布里淵散射的頻移變化。實驗結(jié)果表明，在OPGW所受拉力大于60%RTS時，內(nèi)部光纖的布里淵散射的頻移會有明顯變化;同時也發(fā)現(xiàn)不同光纖在受到拉力后的應(yīng)變系數(shù)基本相同。因此利用BOTDR可以實時監(jiān)測和定位電力線路上受到大拉力的OPGW。

［1］Nishimura F，Cicarelli L D，Arellano R R，et al.OPGW Installation in Energized Transmission Line［C］//Transmission＆Distribution Conference and Exposition:Latin America，2006.TDC'06.IEEE/PES.IEEE，2006:1-8.

［2］耿軍平，許家棟，韋 高，等.基于布里淵散射的分布式光纖傳感器的進(jìn)展［J］.測試技術(shù)學(xué)報，2002，16(2):87-91.

［3］Horiguchi T，Kurashima T，Tateda M.Tensile strain dependence of Brillouin frequency shift in silica optical fibers［J］.IEEE Photonics Technology Letters，1989，1(5):107-108.

［4］唐常青.OPGW與ADSS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.江西電力，2007，31(3):16-18.

［5］趙宏波，丁 健，趙子巖.基于BOTDR的OPGW光纜應(yīng)力應(yīng)變測量［J］.電力系統(tǒng)通信，2010，31(207):20-23.

［6］Horiguchi T，Kurashima T，Tateda M.Tensile strain dependence of Brillouin frequency shift in silica optical fibers［J］.IEEE Photonics Technology Letters，1989，1(5):107-108.

［7］Culvethouse D，F(xiàn)arahi F，Pannell C.N，et al.Stimulated Brillouin scattering:A means to realize tunable microwave generator or distributed temperature sensor［J］.Electronics Letters，1989，25(14):915-916.

［8］李卓明.布里淵分布型光纖溫度和應(yīng)變傳感技術(shù)研究［D］.華北電力大學(xué)(河北)，2007.

［9］Kwon H，Kim S，Yeom S，et al.Analysis of nonlinear fitting methods for distributed measurement of temperature and strain over 36km optical fiber based on spontaneous Brillouin backscattering［J］.Optics Communications，2013.

［10］Lu Y，Shi B，Wei G Q，et al.Application of a distributed optical fiber sensing technique in monitoring the stress of precast piles［J］.Smart Materials and Structures，2012，21(11):115011.

［11］Ohno H，Naruse H，Kihara M，et al.Industrial applications of the BOTDR optical fiber strain sensor［J］.Optical fiber technology，2001，7(1):45-64.