基于BOTDR光纤传感技术的输电线路在线温度监测的研究

俞佳捷 喻琰 吴忠平

摘 要：单模光纤主要包括布里渊散射光与入射光两种，其中布里渊散射光的频移量较大，受所处环境的温度影响较大。根据这种线性温度敏感的特性，布里渊光时域反射计应运而生，它能够对线路中的光缆温度状况进行实时监测。本文通过具体的实验研究得出，该系统能够准确体现出线路光缆纤芯温度的变化情况，可用于输电线路的温度安全监测。

关键词：光纤传感；布里渊散射；温度监测

中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）02-0044-03

Research on On-line Temperature Monitoring of Transmission Line Based on BOTDR Optical Fiber Sensing Technology

YU Jiajie，YU Yan，WU Zhongping

（State Grid Zhejiang Electric Power Corporation Ningbo Power Supply Company，Ningbo 315010，China）

Abstract：Single mode fiber mainly includes brillouin scattering light and incident light，and brillouin scattering light has a large frequency shift，which is affected by the temperature of the environment. According to this linear temperature sensitive characteristic，brillouin optical time domain reflectometer was born，which can be used to monitor the temperature of fiber optic cables in real time. Through specific experimental research，the system can accurately reflect the temperature change of the fiber core of the line and can be used to monitor the temperature of the transmission line.

Keywords：fiber optics；Brillouin scattering；temperature detection

0 引 言

在社会经济和科学技术飞速发展的背景下，输电领域对智能化输电线路的重视程度逐渐提高，并且获得广泛地应用。输电线路的运行状态主要通过其工作温度来展现，因此应加强对其的监测和管理工作。现阶段，主要使用的监测方式为在線路中的关键位置设置传感器，以此来实时监控关键位置的温度变化情况。但是，此种方式的监测点较为固定，难以对整条线路的温度情况进行全面监测。对此，本文将在布里渊光时域反射技术BOTDR的基础上，对当前线路中温度变化趋势和分布状态进行监测。

分布式光纤传感器在实际应用中具有较强的优势，主要体现在它具有较强的抗电磁干扰能力、较长的距离、支持通信线路接入、对有光电缆通信损害小等方面。现阶段，已经在以往研究的基础上进行了优化，充分利用拉曼散射和布里渊散射原理，研制出适用于长距离的分布式光纤传感技术，其中拉曼散射技术与目前通信光缆的兼容性不足，检测距离受到很大的限制，而布里渊散射系统的检测较远，通常情况下会超过30km，并且能够与当前通信光缆相兼容。

本文通过对多种光缆的温度波动情况进行测试，获取到众多类型光缆温度的变化趋势，通过实验研究得出，BOTDR系统能够有效检测输电线路的温度，对于输电线路的温度监控和事故预防有一定的辅助作用。

1 工作原理

光纤材料声速对布里渊散射光频率和强度产生的作用较大，同时它又受自身的弹力学和声学特性影响，当应力和温度产生的改变对光纤造成影响时，材料中的声波场速度也会随之产生变化，从而对布里渊散射光的频率和强度产生作用。

入射光与光纤折射率光栅发生作用，在多普勒效应的影响下，布里渊散射光的频率将会随着入射光频率、折射率光栅的速度发生改变。另外，还与散射角θ之间存在一定的联系，从石英光纤方面来看，散射光主要出现在后向位置，即θ=π。当入射光的频率为VO时，布里渊散射光的频率计算方式为VO-VB，反斯托克斯分量的频率为VO+VB，其中VB代表的是布里渊频移：

（1）

其中θ是散射光的散射角，VA代表的是声波场速度，c代表的是光速。VA的计算方式为：

（2）

该式中，E代表的是杨氏模量，ρ代表的是光纤密度，k代表的是泊松比。由于上述三种变量和光纤折射率均与温度T、应变ε之间存在一定的曲线联系，因此可以用E（T，ε）、k（T，ε）、ρ（T，ε）、n（T，ε）代表，将其代入到公式（1）中，则νB为：

（3）

要想得出温度与布里渊频移之间的关系，假设应变ε的数值为0，并代入到（3）中，得出二者之间的变化关系为：

（4）

假设温度变化值不发生改变，根据泰勒级数的方式，将参量E（T，ε）、k（T，ε）、ρ（T，ε）、n（T，ε）代入后得出：

（5）

该式中，T0代表的是参考温度，数值为293K，代表温度变化值，ET代表杨氏模量，kT代表泊松比、ρT代表纤芯密度、nT代表光纤折射率系数。

将公式（5）代入到（4）中，展开后T的一次项为：

（6）

该式中：，

，

，

假设T0的数值为20℃，根据公式（6）中的各参数可知，在单模光纤中，布里渊频移与温度之间相变化的关系可表示为：

（7）

根據公式（7）中可知，针对单模光纤，在忽视外界干扰因素的前提下，布里渊光频移量与温度之间将呈现出一定的线性关系。在特定的范围内，温度与频移量之间存在正比例关系。对于单模光纤来说，当入射光波长为1550nm时，布里渊光的频移量将在10.8GHz左右。由公式（7）可知，在满足上述要求的基础上，光纤温度与布里渊光谱之间的变化规律为，每1K变化1.18MHz。

2 实验结果与分析

2.1 温度监测试验

为了对布里渊频移与温度之间的关联进行分析，所以采用实验研究的方式。实验平台如图1所示。在与光纤距离将近100m时，以环状的方式对光纤盘进行环绕，并且在恒温槽中进行加热，将光纤的起始端与该系统相连接，然后，提升恒温槽中的温度，使其从-10℃以5℃的间隔上升，直至70℃为止，并且每升高一段温度时，在该间隔上保留10min，并且对恒温槽中的温度进行记录，由此得出光纤的布里渊频移变化。

通过上述实验步骤，共得出五十组实验数据，并在此基础上绘制出布里渊频移与温度之间的关系曲线，如图2所示。对数据中的离散点进行处理后的关系曲线如图3所示。

图2 布里渊频移与温度关系图（离散点形式）

图3 布里渊频移与温度关系图（置信区间形式）

图中，X轴表示温度，Y轴表示10m光纤的频移均值，由上述趋势能够得出系统设备与温度计之间的关系与拟合结果大致相同。从实验结果能够看出布里渊频移对温度的灵敏度系数为1.1685MHz/℃，基础频移为10.584GHz（0℃的位置），该结论与理论值大致相同。此外，频移与光纤类型之间也存在较大的联系，由于使用的光纤类型有所区别，加之光纤的类型相同但是可能出现生产批次不同的情况，在基础频移和灵敏度方面都具有一定的区别。该实验结果还能够得出布里渊频移与温度之间的线性关系较为显著，并且可以通过频移值对光纤受到温度影响的整个过程进行直接体现。由此可见，布里渊频移值与温度之间存在着十分密切的联系。

2.2 实际线路温度实验

在本次实验过程中，使用实际运行输电线路来完成。线路长为47km，地线为OPGW，通信光缆为OPGW中光纤，并且与电缆线路两端的变电站相关联，将该设备放置到变电站的机房中，将被测的OPGW光纤连接到监测设备当中，具体如图4所示。

BOTDR设备能够对输电线路中的数据进行实时采集，并且及时传入到计算机系统当中，对信息进行处理之后输出，并对全线路的温度值进行显示。在本次实验中，实验样本选择为与端口相距10km到30km的一段光纤，对数据进行采集。

结果如图5所示。

3 结 论

上述实验研究表明，BOTDR系统能够对通信光缆的温度进行实时检测，这有利于保障输电线路的安全。本文对线路中多条通信光缆进行测试，从结果能够看出，系统能够对光缆运行环境的温度变化情况进行监测。但是由于光缆受到多重保护，因此在传导的过程中，将会损失纤芯温度。因此，在实际应用时，应按照温度变化量和变化速率实施综合温度告警。

参考文献：

[1] 陈雨佳.光纤传输技术的应用与开发 [J].现代信息科技，2017（1）94-95.

[2] 徐晓峰.探讨通信传输线路的施工质量与设计 [J].现代信息科技，2017（1）：143-144.