BOTDA技术在电网重冰区在线监测中的应用

熊文贤，赵泽彪，龙波，李锐

(云南电网有限责任公司昭通供电局，云南 昭通 657000)

BOTDA技术在电网重冰区在线监测中的应用

熊文贤，赵泽彪，龙波，李锐

(云南电网有限责任公司昭通供电局，云南 昭通 657000)

分析了新型分布式光纤监测技术——布里渊光时域分析技术 (BOTDA)的原理，提出了将BOTDA技术用于重冰区的OPGW运行及融冰过程在线监测方案，并将BOTDA技术用于OPGW线路监测中，获得各条线路的温度、应变信息，及时发现了线路的异常区域，为线路维护检修提供科学的数据。

OPGW；BOTDA；温度；应变；在线监测

0 前言

光纤复合架空地线 (OPGW)是一种集架空地线和光纤为一体的特种光缆，兼具地线与通信双重功能，在电力系统中得到了广泛的应用。冰灾对OPGW危害大，覆冰严重时会发生断线、倒塔等事故。某地区是输电线路覆冰的重灾区，在多个变电站安装了直流融冰装置。与导线相比，OPGW在设计上没有考虑传输电流的影响，在多次通电融冰后有可能会对OPGW产生一定的损伤，监测重冰区 OPGW运行状况，实时获得OPGW全程的温度、应变信息，对避免线路受损具有重要意义。

1 BOTDA技术原理

光在光纤中传输时，由于光纤材料的密度、折射率等光学性质存在微观不均匀性，入射光会产生散射现象，包括瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，如图1所示。

图1 光纤背向散射光谱图

布里渊散射是光波与声波在光纤中的传播时互相作用而产生的光散射过程。光纤材料分子的布朗运动将产生声学噪声，当这种声学噪声在光纤中传播时，其压力差将引起材料折射率的变化，从而对传输光产生散射作用，同时声波在材料中的传播将使压力差及折射率变化呈周期性，导致散射光频率相对于传输光有一个多普勒频移 (布里渊频移)，这种散射称为布里渊散射。

布里渊散射是光波与声波在光纤中的传播时互相作用而产生的光散射过程。光纤材料分子的布朗运动将产生声学噪声，当这种声学噪声在光纤中传播时，其压力差将引起材料折射率的变化，从而对传输光产生散射作用，同时声波在材料中的传播将使压力差及折射率变化呈周期性，导致散射光频率相对于传输光有一个多普勒频移 (布里渊频移)，这种散射称为布里渊散射。

布里渊频移νB与入射光波长λ、声速νA和折射率n的关系式如下：

对于普通的单模光纤，折射率n=1.46，声速νA=5 945 m/s，入射光波长λ=1.55 μm时，布里渊频移νB=11.2 GHz。

当环境温度变化或光纤产生形变时，光纤中声速νA和光的折射率n都会随之变化，从而使布里渊频移νB发生变化，布里渊频移与环境温度、光纤应变成线性关系：

式中ΔvB为布里渊频移变化量；Δε为光纤轴向应变；ΔTR为光纤温度。Cε和CT分别为布里渊散射频移的应变和温度系数。对于普通的单模光纤，温度系数CT约为1.1 MHz/℃，应变系数Cε约为0.048 3 MHz/με，因此可以通过测量光纤布里渊频移的变化量获得光纤的温度、应变信息。

BOTDA传感技术最初由Horiguchi等人提出，该技术最初是为测量长距离光纤损耗而提出的，在观察到布里渊频移受温度和应变影响的现象后，BOTDA技术便发展成为一种新型测量技术。BOTDA设备包括两个窄线宽的激光光源，分别为泵浦光源 (脉冲光)和探测光源 (连续光)，这两个光源发出的激光在光纤中反向传输，在光纤的脉冲端测量光纤散射信号，如图2所示。

图2 BOTDA工作原理

泵浦光和探测光分别从光纤的两端分别注入，当泵浦光与探测光的频率差与光纤中某个区间的布里渊频移相等时，该区域就会发生受激布里渊放大效应，两束光之间发生能量转移。通过扫描探测光频率，可获得光纤任一点的布里渊频谱，从而得到分布式应变和温度测量。

BOTDA是目前技术最先进的分布式光纤传感设备，经调研及比对，选用了NTB-50型BOTDA设备，该设备基于多项专利技术设计，集光电、硬件、计算机和信息处理等高新技术于一体，它直接采用常规通信单模光纤作为传感器，光纤既是传输介质，又是传感元件，可实现沿60 km长度光纤分布的温度、应变实时测量。

2 OPGW在线监测

2.1 监测方案

OPGW在线监测系统主要包括BOTDA主机、多通道模块、OPGW光单元、监控室、远程监测中心等几部分组成。

图3 OPGW线路在线监测系统设计图

2.2 监测数据分析

从温度整体曲线上看，甘大线OPGW线路无温度异常点，温度分布正常。

图4 OPGW温度分布图

图5 OPGW应变分布图

从图4上看，甘大线OPGW的平均应变约为100με，但在距离甘顶变26.6～27.6 km之间的1 km范围内出现不稳定状态，从图中5中的小图中看出，应变值在0με到1 500με之间波动，应变的最大值远大于平均应变值，说明该段OPGW线路上存在较大拉力。经对该段线路进行实地勘察分析，结论与系统监测一致，验证了该系统的有效性。

3 结束语

BOTDA是一种先进的分布式光纤在线监测设备，该技术成功应用在 实际中，为输电线路地线直流融冰工作起到了重要作用，确保了融冰工作的顺利开展。

[1] 粟鸣.OPGW直流融冰过程对通信光纤的影响 [J].电力信息与通信技术，2013，11(7)：124-128.

[2] 何玉均，伊成群.布里渊散射分布式光纤传感技术 [J].传感器世界，2001，(12)，16-21.

[3] 赵洪波，丁健.基于BOTDR技术的OPGW在线检测和预警方案 [C].2005年电力特种光缆应用技术学术会议，北京

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[5] T.Horiguch and M.Tateda.BOTDA-nondestructive measurement of single-mode optical attenuation characteristics using Brillouin interaction：Theory[J].Journal of Lightwave Technology，1989，7(8)：1170-1176.

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熊文贤，男，工程师，云南电网有限责任公司昭通供电局，系统运行部通信班班长。

赵泽彪，男，工程师，云南电网有限责任公司昭通供电局，系统运行部主任。

龙波，男，工程师，云南电网有限责任公司昭通供电局，系统运行部通信班副班长。

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