引言

随着科技的发展、社会的进步,智能化输电线路在高压输电线路领域的研究和应用越来越广泛。其中输电线路的工作温度是反映输电线路运行状态中的一项重要参数,对其的监测和管理具有非常重要的意义。目前对输电线路温度的监测主要是在线路的关键部位布设点式传感器^[1],这种方式虽可以有效监控关键位置的温度参数,但是对于整个线路上的线缆温度却没有明确的监控,尤其是在雨天,因雨水的原因线路每个档距上两端与中间的位置会出现温度差。本文采用布里渊光时域反射技术(BOTDR)^[2],利用光纤复合架空地线(OPGW)上现有的光纤对线路的温度分布进行监控,从而监测整条线路的温度状态,由此获取下雨天输电线路上的温度分布状况。

1 分布式温度监测理论

图 1为OPGW结构图,其中OPGW的内置光纤置于不锈钢管内并用专用油膏保护^[3]。

1.1 光纤布里渊散射

光散射是光在介质中传播时发生的一种普遍现象,是光与物质相互作用的一种表现形式。从量子理论的观点来看,光散射是由光子与微观粒子之间发生碰撞所引起的。当一定频率的脉冲激光在OPGW的光纤中传播时,受结构的不均匀性和声子的作用,会产生后向散射光,如图 2所示,这些散射光主要有3种成分:瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。本文采用的是光纤布里渊散射技术。

1.2 布里渊散射频移与温度的关系

布里渊散射光是由介质声学声子引起的非弹性散射,因此布里渊散射的频移和强度等特性参数主要取决于介质的声学、弹性力学和热弹性力学等特性。在入射光波长确定的情况下,其布里渊频移的大小会随光纤温度和应变的变化而变化。因此,所测量得到的光的布里渊频移大小表征了光纤的温度和应力2个量。

OPGW内光纤留有一定的余长(约0.6%),在正常情况下OPGW内的光纤无应变,因此可认为OPGW内光纤无应变(ε=ε₀=0),且在线路运行过程中保持不变,则布里渊频移随温度变化的关系如下^[3]:

(1)

式中:E、k和ρ分别为杨氏模量、泊松比和纤芯密度;T为光纤温度;n为纤芯的折射率;λ为入射脉冲光波长。光纤温度变化时,其热胀冷缩效应会引起光纤密度的变化,其热光效应会引起光纤折射率的变化,这是因光纤的自由能随温度变化会使得光纤的杨氏模量和泊松比等物理特性随温度的变化而变化。当温度变化较小时,各变量随温度的变化可用泰勒级数展开,并略去二阶以上高阶项可得到以下关系式^[4]:

(2)

式中:T₀为参考温度,一般取20 ℃;ΔT=T-T₀ 为相对于参考温度的温度变化值; 、 分别为折射率、密度、杨氏模量和泊松比的温度系数。

由此可得到布里渊频移随温度变化关系如下:

(3)

式中:。若T₀=20 ℃时,对于一般的单模光纤,n(T₀)=1.46,n_T=0.68×10^-5℃^-1,E(T₀)=7.3×10¹⁰Pa,ρ_T=ρ(T₀)×1.65×10^-6℃^-1,k(T₀)=0.17,E_T=1.35×10⁷℃^-1,k_T=4.38×10^-5℃^-1,由此可得到布里渊散射频移随温度变化的关系^[5]:

(4)

上式表明若光纤没有应变,布里渊频移随温度的变化近似呈线性变化。当温度为环境温度时(20 ℃),入射光波长为1 550 nm,一般的单模光纤的频移约为11 GHz,布里渊频移的温度变化率约为1.2 MHz/℃。部分学者经过实验研究,证实了布里渊频移随温度呈现线性变化的特征,且布里渊增益谱峰值随温度的升高而增大、谱宽变窄。因此,OPGW内光纤的布里渊散射频移随温度的变化可用如下线性关系描述:

(5)

式中:T、T₀、和f₀分别为OPGW温度、OPGW初始温度和OPGW内光纤的初始频移;C_T为布里渊频移的温度参数(大约为1.1~1.2 MHz/℃)。

由于输电线路较长,BOTDR技术可通过控制入射脉冲的脉宽来控制测量的空间分辨率:

(6)

式中:Δz为光纤上相邻两个探测点之间的距离;c为真空中的光速;n为光纤纤芯的折射率;τ为入射脉冲激光的脉宽。如果输电线路缆线的温度发生变化,则相对应的光纤布里渊频移也会发生改变,由布里渊频移的变化量与OPGW温度之间的线性关系可以得到OPGW的温度分布。

BOTDR所采集到的输电线路布里渊光散射频移值与探测点的温度一一对应,因此,OPGW的频移分布表征了OPGW的温度分布。因此通过测定脉冲输入光的后向布里渊散射光的频移量,可以实现OPGW线路的分布式温度监测^[6]。

2 温度监测的实验研究 2.1 温度监测实验

为了研究光纤布里渊频移与温度的关系,搭建了如图 3所示的实验平台。在光纤距离末端约50 m的位置,将30 m光纤盘绕成环状,放置于恒温有机溶液槽中,用温度计测量恒温槽的温度,光纤的起始端接BOTDR设备。将恒温槽的温度以2 ℃的间隔从-18 ℃逐步升高到70 ℃,在每个温度之上保持15 min,同时用水银温度计记录恒温槽的温度,BOTDR设备始终采集光纤的布里渊频移变化。

由于在实验过程中,温度计的示数与恒温槽的温度存在±0.2 ℃的差别,我们以温度计的示数作为光纤的实际温度,绘制了温度与光纤的布里渊频移之间的关系曲线,如图 4所示。

横坐标代表温度,纵坐标代表 30 m光纤的频移均值。从图中可以看出,温度计的示数与BOTDR设备的读数拟合结果基本一致。实验的结果表明布里渊频移对温度的灵敏度系数为1.16 MHz/℃,基础频移为10.581 GHz(0 ℃的位置),这个结果与理论值(约1.1 MHz/℃)相符合。另外,光纤的基础频移与光纤的类型有关,不同类型的甚至同一类型不同批次的光纤,其基础频移都有所差别,但是灵敏度的差别很小。此实验结果表明了光纤的布里渊频移与温度具有良好的线性关系,频移值直接反映了光纤所受温度的变化过程。因此,通过测量光纤的布里渊频移值就可以得到光纤的温度。

2.2 实际线路温度监测实验

实验选择了一条实际运行的电缆线路。电缆线路长度为35 km,线路上使用OPGW作为地线,同时使用OPGW中的光纤作为通讯用光缆,并将其引至电缆线路两端的变电站内。将分布式温度监测设备置于变电站机房内,将被测线路的OPGW一芯光纤通过光纤与监测设备连接。如图 5所示为实验示意图。

BOTDR设备实时采集线路上的数据,采集到的数据被传递到计算机系统与信息处理单元,经信息处理和输出,显示出全线线路的温度监测值。实验选择距离监测设备光纤端口8 km至14 km处的一段电缆线作为样本,并对其进行数据采集和分析。

3 实验结果

2015年5月4日为晴天,当晚19:00采集到的OPGW在正常天气下的频率曲线如图 6 所示。

通过多组参数核算生成所选线路正常天气下的温度曲线,如图 7所示。

下雨时段的频率曲线取2015年5月9日17:00在雨中测得的数据,如图 8所示。

核算得出其温度数据如图 9所示。

雨后的频率曲线取2015年5月11日14:00的数据,数据如图 10所示。

核算成温度数据如图 11所示。

4 结 论

本文基于BOTDR技术实现了OPGW线路分布式温度的在线监测。经对下雨过程前后的线缆温度进行全面的监控,获得有效的实测数据。通过数据可以比较明显地看出,在晴天以及下雨过程中输电线缆上的线路温度较为一致,而在雨停之后杆塔的温度明显会比中间的温度要高。其原因是雨后留在线缆上的雨水因重力作用而向中间汇集,使得在雨后温度回升的过程中杆塔的温度回升速度高于中间,因而出现温差。