布里渊光时域反射仪定位OPGW雷击的方法

朱剑锋 梁韶华 梁小萍

摘  要：文章介绍了分布式布里渊光时域反射仪（BOTDR）的原理和结构，用于检测雷击光纤复合架空地线（OPGW）时产生的温升变化和获取OPGW断股导致的应力变化。利用高压输电线的双OPGW结构来消除外界环境产生的共模干扰和解决布里渊频移存在的交叉敏感，提高了OPGW雷击定位的可靠性。通过模拟试验，验证了BOTDR能检测雷击OPGW时产生的同等光纤温升变化，为OPGW雷击定位研究提供参考。

关键词：光纤复合架空地线;应变;温升;交叉敏感

中图分类号：TM863               文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）16-0059-04

Method on Location of Lightning Stroke on OPGW by Means of a Brillouin Optical Time Domain Reflectometer

ZHU Jianfeng， LIANG Shaohua， LIANG Xiaoping

（Beibu Gulf University， Qinzhou  535011， China）

Abstract： The paper introduces the principle and structure of the distributed Brillouin optical time domain reflectometer （BOTDR）， which is used to detect the temperature rise changes and obtain the stress changes caused by broken strands on optical fiber composite overhead ground wire （OPGW） when the OPGW is struck by lightning. The dual OPGW structureof the high-voltage transmission line is used to eliminate the common mode interference generated by the external environment and solve the cross sensitivity of Brillouin frequency shift， which improves the reliability of lightning stroke positioning on OPGW. By simulation experiments， it is verified that BOTDR can detect the same optical fiber temperature rise changes when the OPGW is struck by lightning， which provides a reference for study on location of lightning stroke on OPGW.

Keywords： optical fiber composite overhead ground wire; strain; temperature rise; cross-sensitivity

0  引  言

OPGW是一种集架空地线和通信光纤于一身的特种光缆，广泛应用于高压输电线，兼具地线和通信双重功能[1]。OPGW通常架设在输电线路最高处，容易遭遇雷击、风害等自然因素影响，从而引发OPGW断线或断股事故。雷击OPGW时产生的剧烈物理现象，可能导致OPGW发生断股而成为电力通信系统正常运行的隐患[2]。监测并确认OPGW遭受雷击的位置，及时发现OPGW断股隐患，对提高电网的安全可靠性具有重要意义。

1  分布式布里淵光时域反射仪

布里渊光时域反射仪（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer，BOTDR）的基本原理是：光纤内部介质连续的弹性力学振动导致介质密度随空间和时间周期变化，介质的折射率被周期性调制并以声速传播，产生类似光栅的作用。当光波入射到光纤中时受到声场光栅作用而产生与声速相关的频移，频移ΔvB随光纤温度和应变的变化量近似成线性变化[3]，表示为：

ΔvB=Cv，TΔT+Cv，εΔε                     （1）

其中，Cv，T和Cv，ε分别为布里渊频移变化的温度系数和应变系数。当入射光波长等于1 553.8 nm时，Cv，T=1.1 MHz/℃和Cv，ε=0.049 3 MHz/με。依据光时域反射技术的基本原理，将光脉冲沿着光纤向前传播时会不断产生背向的布里渊散射光，利用背向的布里渊散射光可实现光纤沿线各点对应的温度或应变信息定位。

计算公式：

（2）

其中，L是光纤中的定位位置，v是光在光纤的传播速率，t是从光脉冲发出到接收到某位置产生布里渊散射光所需时间。

图1显示了一种外差相干检测BOTDR的典型结构。激光发出频率为v0激光经光纤耦合器1分成两路：一路进入强度调制器并被调制为光脉冲，经光环路器输出到传感光纤，另一路直接进入光耦合器2，作为本振光源。光脉冲在传感光纤中产生的背向布里渊散射光v0-vB经过光环形器进入光耦合器2的另一输入端，散射光与本振光相干产生差频信号经过vB光电平衡探测器转换成相应的射频信号[4]。由于布里渊散射信号频率约为11 GHz，在电域处理较为困难，需要经过混频器将高频的射频信号降到更低频率再实施处理和分析。

光纤中的布里渊频移通常同时受温度和应变的影响，这种交叉敏感问题可采用在传感光纤旁布置参考光纤来解决。让参考光纤处于不受应变的松弛状态或与传感光纤处于同一温度场下，通过测量参考光纤获得待测场的温度信息或应变信息，从而依据式（1）算出应变或温度信息，实现应变和温度的同时检测。

2  雷击定位方法

雷击OPGW时伴随强烈的放电和炸裂声，并在雷击处产生高温，可能导致OPGW断股。OPGW表面金属温度升高会传导至内部光纤，致使光纤温度升高，而断股也会引起光纤应力发生变化，采用分布式BOTDR监测光纤的温度和应力变化，能实现OPGW的雷击定位和监测。通常在OPGW雷击处产生的光纤温度场变化为3 ℃左右[5]，作用半径约2 m，故一般要求BOTDR定位分辨率优于4 m。当OPGW断股截面积约超过25%时，则能明显的检测布里渊频移变化，从而能通过BOTDR分析OPGW断股程度[6]。

在双OPGW高压输电线路中，一路OPGW作为传感光纤，另一路则作为参考光纤，两路OPGW在不同时刻又可交替互换。一般情况下，近似认为架设的两路OPGW沿线同位置各点温度场和应变分布是相似的[7]，只有在特殊时刻，比如遭受雷击或断股时，会在相应位置产生温度升高或应变的突变。雷击OPGW时刚开始温度会突然升高，同时受周围环境的散热影响，温升作用时间有限，最后会恢复且与周围温度相等。假如雷击放电量较大且剧烈，致使OPGW断股大于3根以上，则会在该处出现一个突变的应力变化，并且此应变将一直保持。

根据上述原理，利用分布式BOTDR对高压输电线路进行雷击定位方法大致如以下所示。（1）两路OPGW备用光纤采用光开关分时复用接入BOTDR，检测OPGW沿线的温度/应变信息，建立与OPGW地理信息相应的温度/应力分布曲线;（2）周期性测量。分别与前几次的测量数据进行比较，确认温度/应变是否存在突然升高;（3）将温度/应变的突变定义为某一位置温度/应变突然升高的值大于分布式BOTDR的测量精度值且参考光纤同一位置处无温度/应变的变化。比较同一位置的温度/应变数据是否有突变，确认突变点的位置及温度/应变在突变前后几次测量的变化趋势;（4）选取与突变点相邻的几个位置，比较前后几次测量过程中这些位置的温度是否有突变，若不存在突变，则可判断前面筛选的突变点是外界传热导致;

（5）分析突变点所处的OPGW位置在前后几次测量的变化趋势。假如在多个测量时间间隔之后与前后相邻的几个位置处的温度/应变值一致，则认为该处位置温度/应变的突变由雷击传热产生。反之，则认为该处发生雷击并导致OPGW断股，且差值越大，断股程度越严重。

3  模拟试验与分析

依据上述原理和方法，识别雷击的关键在于检测OPGW（传感光纤）的温度或应变。BOTDR能够检测光纤温度变化和突变的应变量，并通过特定的逻辑关系去鉴别OPGW是否遭受雷击或发生断股事件。本文利用光纤应变分布测试仪和温控箱构建一个简易的温度模拟试验，验证BOTDR是否能检测到雷击导致的光纤温升变化。由于OPGW硬度大，弯曲半径较大，难以放入温控箱内，故改用3 mm皮套单模光纤代替作为测试对象。在实验室条件下，BOTDR选用中电41所的光纤应变分布测试仪AV6419，空调温度设置为28 ℃，并将光纤卷置于实验室内，最后开启AV6419和温控箱并处于待机状态30分钟以上，保证所有仪器和材料处于稳定状态。采用一条总长度约2 km皮套单模光纤作为测试对象，并在1.95 km处盘旋长2 m的光纤置于温控箱内用于温度试验，试验测试框图如图2所示。

当温控箱的温控区还未工作，整条光纤的温度与环境温度相同，测得实验室环境温度为28.6 ℃，并测试此温度下整条光纤的应力分布曲线，记为28.6 ℃应变曲线。更改温控箱的控制温度并设为32.0 ℃，待温控区内部温度稳定之后，测试此时光纤的应变分布曲线，记为32.0 ℃应变曲线。以28.6 ℃应变曲线作为参考曲线，32.0 ℃应变曲线作为主应变曲线，并将两曲线相减得到差分曲线，如图3和图4所示。

从显示的差分曲线可知，除1.950 km附近有约宽3 m的明显凸起，其他各处相对较为平坦。若实验室环境光纤与温控箱光纤均以应变的均值做比较时，两者应变差为87.3με。用28.6 ℃应变曲线作为参考曲线，设置温控区工作在不同温度下，同时测试此刻整条光纤应变曲线，分别获得与参考曲线的差分曲线之差分应变（均值），如表1所示。

其中，表1的差分应变指在环境温度不变，温控区在某一温度下的应变曲线与参考曲线所得差分曲线的应变均值，应变差为两处光纤的差分应变之差。根据表1中两处光纤的温度差和应变差数据来画出相应的关系曲线趋势图，两者之间近似呈线性关系，灵敏度约为23.3με/℃，如图5所示。综上可知，BOTDR能检测光纤温度变化引起的光纤应变，精度优于3 ℃，可用于检测雷击OPGW时产生的光纤温度变化。

4  结  论

本文研究了基于分布式BOTDR的OPGW雷击定位方法，利用双OPGW高压输电线结构来消除外界环境产生的共模干扰，分析雷击OPGW时产生的光纤温升变化的特点来检测和定位雷击，对比雷击前后应力变化来实现OPGW断股分析。本方案能用于检测雷击OPGW时产生的光纤温度变化场，可为高压输电线路的OPGW雷击定位和断股分析提供参考。

参考文献：

[1] 焦晓波，周雅，李宏君.OPGW在电力光传输网中的应用与发展 [J].光通信研究，2010（4）：49-51.

[2] 孙晋茹，焦梓家，朱鑫，等.光纤复合架空地线雷电损伤模式及影响因素的实验及仿真研究 [J].高電压技术，2021，47（5）：1872-1880.

[3] 夏猛，汤晓惠，王颖，等.基于BOTDA/R的在运光纤复合架空地线光缆应变监测对比分析 [J].光学学报，2020，40（15）：36-42.

[4] 郭经红，陈硕.电力光纤传感技术及其工程应用 [M].北京：科学出版社，2016：136-139.

[5] 李为.基于温度场的OPGW光缆状态监测及雷击定位技术研究 [D].广州：华南理工大学，2018.

[6] 邱平，范江波，付玉峰，等.OPGW断股状态的光学监测技术研究 [J].光通信研究，2015（2）：47-48.

[7] 吴文庚，吴飞龙，郑小莉，等.输电线路双光纤复合架空地线（OPGW）方案分析 [J].智能电网，2016，4（4）：421-425.

作者简介：朱剑锋（1986—），男，汉族，广西陆川人，讲师，硕士，研究方向：传感技术及光电信号处理。