BOTDA技術在電網重冰區在線監測中的應用

熊文賢，趙澤彪，龍波，李銳

(云南電網有限責任公司昭通供電局，云南 昭通 657000)

BOTDA技術在電網重冰區在線監測中的應用

熊文賢，趙澤彪，龍波，李銳

(云南電網有限責任公司昭通供電局，云南 昭通 657000)

分析了新型分布式光纖監測技術——布里淵光時域分析技術 (BOTDA)的原理，提出了將BOTDA技術用于重冰區的OPGW運行及融冰過程在線監測方案，并將BOTDA技術用于OPGW線路監測中，獲得各條線路的溫度、應變信息，及時發現了線路的異常區域，為線路維護檢修提供科學的數據。

OPGW；BOTDA；溫度；應變；在線監測

0 前言

光纖復合架空地線 (OPGW)是一種集架空地線和光纖為一體的特種光纜，兼具地線與通信雙重功能，在電力系統中得到了廣泛的應用。冰災對OPGW危害大，覆冰嚴重時會發生斷線、倒塔等事故。某地區是輸電線路覆冰的重災區，在多個變電站安裝了直流融冰裝置。與導線相比，OPGW在設計上沒有考慮傳輸電流的影響，在多次通電融冰后有可能會對OPGW產生一定的損傷，監測重冰區 OPGW運行狀況，實時獲得OPGW全程的溫度、應變信息，對避免線路受損具有重要意義。

1 BOTDA技術原理

光在光纖中傳輸時，由于光纖材料的密度、折射率等光學性質存在微觀不均勻性，入射光會產生散射現象，包括瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射，如圖1所示。

圖1 光纖背向散射光譜圖

布里淵散射是光波與聲波在光纖中的傳播時互相作用而產生的光散射過程。光纖材料分子的布朗運動將產生聲學噪聲，當這種聲學噪聲在光纖中傳播時，其壓力差將引起材料折射率的變化，從而對傳輸光產生散射作用，同時聲波在材料中的傳播將使壓力差及折射率變化呈周期性，導致散射光頻率相對于傳輸光有一個多普勒頻移 (布里淵頻移)，這種散射稱為布里淵散射。

布里淵散射是光波與聲波在光纖中的傳播時互相作用而產生的光散射過程。光纖材料分子的布朗運動將產生聲學噪聲，當這種聲學噪聲在光纖中傳播時，其壓力差將引起材料折射率的變化，從而對傳輸光產生散射作用，同時聲波在材料中的傳播將使壓力差及折射率變化呈周期性，導致散射光頻率相對于傳輸光有一個多普勒頻移 (布里淵頻移)，這種散射稱為布里淵散射。

布里淵頻移νB與入射光波長λ、聲速νA和折射率n的關系式如下：

對于普通的單模光纖，折射率n=1.46，聲速νA=5 945 m/s，入射光波長λ=1.55 μm時，布里淵頻移νB=11.2 GHz。

當環境溫度變化或光纖產生形變時，光纖中聲速νA和光的折射率n都會隨之變化，從而使布里淵頻移νB發生變化，布里淵頻移與環境溫度、光纖應變成線性關系：

式中ΔvB為布里淵頻移變化量；Δε為光纖軸向應變；ΔTR為光纖溫度。Cε和CT分別為布里淵散射頻移的應變和溫度系數。對于普通的單模光纖，溫度系數CT約為1.1 MHz/℃，應變系數Cε約為0.048 3 MHz/με，因此可以通過測量光纖布里淵頻移的變化量獲得光纖的溫度、應變信息。

BOTDA傳感技術最初由Horiguchi等人提出，該技術最初是為測量長距離光纖損耗而提出的，在觀察到布里淵頻移受溫度和應變影響的現象后，BOTDA技術便發展成為一種新型測量技術。BOTDA設備包括兩個窄線寬的激光光源，分別為泵浦光源 (脈沖光)和探測光源 (連續光)，這兩個光源發出的激光在光纖中反向傳輸，在光纖的脈沖端測量光纖散射信號，如圖2所示。

圖2 BOTDA工作原理

泵浦光和探測光分別從光纖的兩端分別注入，當泵浦光與探測光的頻率差與光纖中某個區間的布里淵頻移相等時，該區域就會發生受激布里淵放大效應，兩束光之間發生能量轉移。通過掃描探測光頻率，可獲得光纖任一點的布里淵頻譜，從而得到分布式應變和溫度測量。

BOTDA是目前技術最先進的分布式光纖傳感設備，經調研及比對，選用了NTB-50型BOTDA設備，該設備基于多項專利技術設計，集光電、硬件、計算機和信息處理等高新技術于一體，它直接采用常規通信單模光纖作為傳感器，光纖既是傳輸介質，又是傳感元件，可實現沿60 km長度光纖分布的溫度、應變實時測量。

2 OPGW在線監測

2.1 監測方案

OPGW在線監測系統主要包括BOTDA主機、多通道模塊、OPGW光單元、監控室、遠程監測中心等幾部分組成。

圖3 OPGW線路在線監測系統設計圖

2.2 監測數據分析

從溫度整體曲線上看，甘大線OPGW線路無溫度異常點，溫度分布正常。

圖4 OPGW溫度分布圖

圖5 OPGW應變分布圖

從圖4上看，甘大線OPGW的平均應變約為100με，但在距離甘頂變26.6～27.6 km之間的1 km范圍內出現不穩定狀態，從圖中5中的小圖中看出，應變值在0με到1 500με之間波動，應變的最大值遠大于平均應變值，說明該段OPGW線路上存在較大拉力。經對該段線路進行實地勘察分析，結論與系統監測一致，驗證了該系統的有效性。

3 結束語

BOTDA是一種先進的分布式光纖在線監測設備，該技術成功應用在 實際中，為輸電線路地線直流融冰工作起到了重要作用，確保了融冰工作的順利開展。

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[6] X.Bao，Jabulani Dhliwayo.Experimental and Theoretical studies on aDistributed TemperatureSensorBased on Brillouin Scattering[J].Journal of Lightwave Technology，1995，13(7)：1340-1348.

熊文賢，男，工程師，云南電網有限責任公司昭通供電局，系統運行部通信班班長。

趙澤彪，男，工程師，云南電網有限責任公司昭通供電局，系統運行部主任。

龍波，男，工程師，云南電網有限責任公司昭通供電局，系統運行部通信班副班長。

Application of BOTDA Grid Technology in Zhaotong Heavy Ice OPGW Online Monitoring

XIONG Wenxian，ZHAO Zebiao，LONG Bo，LI Rui
(Zhaotong Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Zhaotong，Yunnan 657000，China)

this paper analyzes the new type of distributed fiber optic monitoring technology，brillouin optical time-domain analysis (BOTDA)principle，put forward BOTDA technology for OPGW operation of heavy ice and melt process on-line monitoring scheme，and the BOTDA technology used in three monitoring process of OPGW，acquire the information of each line temperature，strain，timely found the abnormal line area，provide scientific data for the line maintenance.

OPGW；BOTDA；temperature；strain；On-line monitoring

TM75

B

1006-7345(2015)06-0076-04

2015-09-03