OPGW受拉力时光纤的应变分析

范 鹏，刘春翔，姜德华，杨堂华

(1.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北 武汉430074;2.云南电网公司普洱供电局，云南 普洱665000)

0 引言

随着智能电网的不断发展，光纤复合架空地线(OPGW)在电力系统通信中的应用越来越广泛［1］。但OPGW长期暴露在野外，受到持续的机械张力、电气闪络、材料老化和外界环境变化等影响而产生断股、磨损、腐蚀等损伤，从而导致OPGW发生形变，造成内部光缆产生应力应变。通常状态下，OPGW的应力应变对内部光纤的传输性能的影响非常小，常规检测无法检测到光纤应力应变的变化，然而一旦光纤应力应变积累到一定程度最终发生断裂，将对电力系统通信和电网的安全可靠性产生直接影响，甚至会造成重大的事故和经济损失。因此，必须使用准确度高、可靠性好的仪器对OPGW进行长期的应变测量监控，实时监测OPGW的健康状况，以便及时发现并处理故障隐患，使其更好地为电网的安全、稳定运行服务，这是电力部门亟待解决的一大实际问题。

本文基于布里渊散射的分布式光纤传感器原理［2］，搭建了用于监测OPGW内部光纤的应力应变变化的的实验平台，采用布里渊光时域反射仪［3］(BOTDR)研究了在不同拉力作用下OPGW内部光纤的布里渊频移变化特征，为实现OPGW的长期应变监测提供依据。

1 OPGW简介

OPGW是在保持架空地线的功能和各项性能不变的基础上，光纤置于架空高压输电线的地线中，用以构成输电线路上的光纤通信网，这种结构形式兼具地线与通信双重功能，从而实现了既保证电网传输线路的完整性又兼具远距离智能监测的作用。

通常OPGW光缆结构分为层绞式和中心管式，目前新建高压输变线路中，采用层绞式OPGW光缆，其中的一种结构如图1所示。

这种OPGW光缆的优点可概括为:适用于新建的具有架空地线的输电线路上，且光缆的架设方便;具有单层或多层铠装结构，并且光纤留有一定的余长，能有效地保护内部光纤;其结构紧凑，能有效散热;有较高的抗拉强度、挤压恢复能力以及适应恶劣气候条件等［4］。

图1 层绞式OPGW光缆截面结构示意图

2 BOTDR测量原理

光在光纤中传播时，沿着光传播的反方向会产生散射光，其背向散射光的光谱如图2所示，包括了瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射［5］。其中布里渊散射是由介质中的声学声子引起的一种非弹性散射光，布里渊散射光的频率相对于入射光频率发生的漂移称为布里渊频移，其大小由介质的声学和弹性力学特性决定。布里渊频移大小的计算公式为［6］:

式中:fB为布里渊频移;n为光纤纤芯折射率;vA为光纤中的声波速度;λC为入射光在真空中的波长。

在入射光为1 550 nm波段的二氧化硅光纤材料内(n=1.46，vA=5 945 m/s)，典型的布里渊频移约为11 GHz。在入射光波长确定的情况下，布里渊频移的大小由光纤材料的介质折射率和光纤材料的声速大小所决定。然而，材料的折射率和声速还会受到光纤材料的热光特性和声光特性影响，所以，其布里渊频移的大小会随光纤温度和应变的变化而变化。

1989年Culvethouse等人［7］在用高分辨率的共焦F－P干涉仪对光纤的布里渊频谱进行分析时，首次发现了布里渊频移与温度变化之间的关系，并提出以布里渊频移进行分布式温度传感的可能性;同年Horiguchi等人利用布里渊光时域分析仪(BOTDA)进行了光纤衰减特性的实验研究和理论分析，同时还提出了布里渊频移的拉伸应变效应。他们的研究结果分别证明了布里渊频移与光纤的温度和应变近似成线性变化的关系，其关系表达式可写为:

式中:T、ε、T0、ε0、和f0分别为光纤温度(℃)、光纤应变(με)、光纤初始温度(℃)、光纤初始应变(με)和初始频移(GHz);CT为布里渊频移的温度参数(GHz/℃);Cε为布里渊频移的应变参数(GHz/με)。

关于布里渊频移与光纤温度和应变的研究工作，许多国内外学者做过大量的研究［8-9］，都获得了比较理想的结果。本文的研究工作只考虑材料的应变对布里渊频移的影响，实验过程中将材料放置于同一环境条件下，并确保温度处于恒定值，以消除温度变化所带来的误差。所以在式(2)中可忽略布里渊频移与温度的变化关系，从而可简化为:

图2 背向散射光频谱图

对于光纤的应变分布测量方法主要有两种，布里渊光时域反射仪(BOTDR)和布里渊光时域分析仪(BOTDA)。这两种传感器均采用光时域反射仪的测量原理，且测量的均是背向布里渊散射信号。所不同的是BOTDR在光纤的同一端进行光脉冲发射和信号接收，而BOTDA在不同的两端进行信号的发射和接收。基于BOTDR的分布式光纤传感系统的优势体现在:只需在光纤一端测量，应用方便;单个激光器实现自外差工作，容易精确控制脉冲光与连续光之间的频差;若参考光足够强，可提高最小可探测光功率，提高探测精度;传感距离远，可实现几十公里的远程监测，且便于组网进行实时监测，适用于电网中OPGW光缆的应变状态检测。

本文的实验研究中采用BOTDR进行测量，脉冲光从光纤的一端输入，并在同一端测量后向返回的自发布里渊散射光，通过将背向自发布里渊散射光与一个频率较为接近的参考光进行差频相干，测量频率较低的拍频信号来得到布里渊频移。这种传感技术现在被广泛应用在了电力、通信以及结构监测等领域［10］。

由于是分布式光纤应变传感，所以对于接收回来的信号需要对其定位，光纤上任意一点至入射端的距离z可由下式计算得到［11］:

式中:c为真空中的光速，为3×108m/s;n为光纤纤芯的折射率;Δt为发出的脉冲光与接收到的散射光的时间间隔。

按一定频率间隔不断变化入射脉冲光的频率，就可以获得光纤上每个采样点的布里渊频移。在温度恒定的条件下，如果光纤中的一段受到轴向应力，则产生应变的那段光纤的布里渊频移相应地会发生改变，由布里渊频移的变化量与光纤应变之间的线性关系可以得到光纤的应变分布。

3 OPGW应变实验

光纤的允许抗拉伸形变量比OPGW中的金属线材小得多，因而要求光纤的长度相对于OPGW长度有适当的余长，以克服OPGW在初伸长、最大气象负荷、蠕变等各种原因造成的线缆伸长时对光纤造成的过度应变。因此在光纤的余长被消耗完前，光纤所受到的应力应变很小。我们在武汉高压研究所的20 t卧式拉力机上进行了拉力实验，以分析OPGW在不同应力应变条件下布里渊频移的变化关系，并且找出OPGW光纤可测应变的起点以及布里渊频移与光缆拉力的对应关系。

试验在室内模拟实验档进行，试验有效档距为11 m。如图3所示为室内模拟实验档的示意图，所测试的OPGW型号为OPGW-24B1-110［76.6∶88.7］，额定拉断力(RTS)为76.6 kN，长度为200 m。实验开始前，将其中11 m长度的OPGW以无拉力状态架设在拉力机中间的试验档上，采用适宜的夹具对试样的两端进行端部处理，并引出足够长的光纤以便于仪表测试。

图3 室内模拟实验档的示意图

为了达到理想的数据监测效果，避免布里渊频移测量设备的死区，需要延长监测距离，故将OPGW光单元里24根光纤中的4根依序熔接在一起，形成一个长度约为800 m的光纤环接待测线路。

实验过程中参照OPGW的设计参数对光缆施加的拉力值分别为: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个拉力值进行测试前，需将拉力机归零以使OPGW处于不受拉力状态，以方便区别不同拉力值下的布里渊频移数据。BOTDR设备记录被测光纤的布里渊频移空间分布，温度记录仪记录实验现场环境温度。图4为BOTDR设备记录的实验过程中布里渊频移的空间分布，从图4中可以看出频移分布有效数据长度约为800 m，与被测光纤环接线路长度吻合。

图4 BOTDR测量频移的空间分布

4 数据处理和分析

图5为OPGW在70% RTS拉力下光纤的频移均值分布曲线(图中的实线所示)。由图5中可以看出，由于各段光纤的材质差异以及熔接所导致的光损耗等原因，各段光纤所测频移空间分布的初值不一样，根据其初值差异可以分别判断出4段光纤熔接处的位置，如图5中的虚线所示。在受到70%RTS拉力时，所处拉力机中光纤的频移变化明显，根据图5可以确定4段在拉力机中的光纤在测量频移分布上的位置，即为图5中峰值位置。在进行数据分析时，选取每个峰值处的3个数据点(在拉力机中段的2 m长度)作频移数据均值，并以此均值作为各段光纤在拉力机中随拉力变化的频移数据。

图6所示为各段光纤的频移均值随拉力变化的曲线。通过数据分析可知:受OPGW光缆中光纤余长的影响，在光缆受到小于60%RTS的拉力时，光纤的频移变化很小，几乎恒定不变，说明在小于60%RTS的拉力状态下，OPGW拉伸，但是OPGW内的光纤余长并没有消耗完，光纤仍处于未受拉力状态。然而，当OPGW所受拉力大于等于60% RTS时(图6中虚线所示)，则频移变化非常明显，且随拉力呈线性变化趋势，说明OPGW内部光纤余长已经被消耗完，光纤已经受力产生应变，从而导致频移发生明显的变化。故OPGW光缆内部光纤的频移-拉力拟合线性方程可表示为:

图5 70% RTS拉力下光纤的频移均值分布

图6 各段光纤频移随拉力变化

式中:F为拉力(kN);CF为拉力参数(GHz/kN);fB为布里渊频移(GHz);f0为布里渊频移初值(GHz)。

图7所示为第1段光纤在大于60%RTS拉力的原始频移数据与拟合曲线比较。从中可看出光纤在受到钢缆绞丝施加的应力时，频移的变化非常明显，且拟合曲线与原始数据的吻合程度较高。经拟合后，可得到CF=0.008 06 GHz/kN。

各段光纤的拉力参数和频移初值如表1所示。

表1 各段光纤的拉力参数

由表1可知，4段光纤之间的频移-拉力拟合曲线的斜率变化不大，在均值上下±0.000 15 GHz/kN浮动。每段光纤由于材质差异以及熔接所导致的光损耗等原因，其布里渊频移的初值有较大不同，初值间的差值与图7中各段光纤在小于60%RTS拉力时的频移间差值相对应。

图7 原始拉力-频移曲线与拟合曲线比较

5 结束语

BOTDR是一种新兴的可用于电力系统网络中对OPGW光缆光纤进行应变监测的技术，具有分布式、长距离、实时性、精度高、抗干扰和耐久性长等诸多优点。本文研究了基于BOTDR对OPGW内部光纤的应力应变进行检测的方法，并利用BOTDR研究了OPGW内部不同光纤在不同拉力条件下的布里渊散射的频移变化。实验结果表明，在OPGW所受拉力大于60%RTS时，内部光纤的布里渊散射的频移会有明显变化;同时也发现不同光纤在受到拉力后的应变系数基本相同。因此利用BOTDR可以实时监测和定位电力线路上受到大拉力的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］耿军平，许家栋，韦 高，等.基于布里渊散射的分布式光纤传感器的进展［J］.测试技术学报，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与ADSS在电力系统中的应用［J］.江西电力，2007，31(3):16-18.

［5］赵宏波，丁 健，赵子岩.基于BOTDR的OPGW光缆应力应变测量［J］.电力系统通信，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，Farahi 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.布里渊分布型光纤温度和应变传感技术研究［D］.华北电力大学(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.

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［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.