CN104614017A - 一种基于双管异构的电力架空光缆分布式应变应力监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双管异构的电力架空光缆分布式应变应力监测方法，在两站点间架设新型OPPC线路，所述新型OPPC内设置有两个光单元，其中第一光单元位于光缆中心，至少有一根没有余长的紧套光纤，第二光单元位于光缆绞合层，至少有一根余长为0.5-0.8%的松套光纤，紧套光纤和松套光纤的一端分别与监测装置的两个光端口相连，紧套光纤和松套光纤的另一端分别进入光纤配线架后相连，启动该监测装置开始应变应力测量。本发明所提出的一种基于异构双纤的电力架空光缆分布式应变应力监测方法，实现了对电力架空光缆应变应力全程连续实时监测，为电网故障抢修及安全运行提供保障。

Description

一种基于双管异构的电力架空光缆分布式应变应力监测方法

技术领域

本发明涉及对OPPC输电线路的监测，特别是一种基于双管异构的电力架空光缆分布式应变应力监测方法。

背景技术

架空输电线路是电力系统中实现电能远距离传输的一个重要环节。传统架空输电线路的检查主要依靠运行维护人员周期性巡视，存在实时性差、监测范围有限等很多局限性。电力架空光缆是一种特殊的架空输电线路，尤其是OPGW和OPPC是电力通信的主要载体，应用广泛。因此利用OPPC加强架空输电线路应变应力在线监测意义重大。

近年来，国内外提出了将光传感系统用于电力架空光缆线路在线监测领域，实现光缆温度、应变等参数测量。中国专利CN 201569523 U “一种应用于光纤复合相线OPPC 的应力应变测量装置”，由基于布里渊散射的分布式光纤系统BOTDR、监控计算机、传导光纤及其接头盒和光纤复合相线OPPC 组成，可完成对OPPC 应力应变异常点监测。中国专利CN 203163769 U“一种基于分布式光纤传感器的架空线路安全监测系统”，由架空线应力传感装置、架空线温度传感装置及架空线环境监测装置组成，其架空线应力传感装置基于分布式光纤布里渊时域光时域反射（BOTDR）传感原理，架空线温度传感装置基于分布式光纤拉曼测温（ROTDR）传感原理，实现对整条架空输电线路的温度进行实时在线分布式监测。中国专利CN 102840928 A “一种用于光纤复合相线的在线温度监测系统及其监测方法”及中国专利CN 203310540 U“一种融合光纤复合相线的温度与应变在线监测装置”，提出利用多模光纤对运行的OPPC 光缆温度进行实时分区监测。

上述提到的几个专利在OPPC应力监测方面均采用BOTDR技术，但用于测试的光纤复合相线OPPC为常规结构，其结构（包括光单元）设计原则都是使缆内的光纤与外部温度、应变（尤其是应变）尽可能地隔离，以保障光信号不受外部影响地可靠传输。因此，对于常规电力架空光缆，光纤相对于光单元有冗余长度（光纤余长），即光纤在光单元内是松弛的，另外光单元位于绞合层，此时光单元相比于光缆还存在一定的绞合余长，电力架空光缆在一定范围内发生应变时，缆内的光纤并不发生应变，测量距离不超过20km，不能实现长距离OPPC全程实时连续监测，因此其在OPPC应力监测准确度和精度等方面有待改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双管异构的电力架空光缆分布式应变应力监测方法，以实现对OPPC输电线路中导线温度的测量。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于双管异构的电力架空光缆分布式应变应力监测方法，其特征在于，按照如下步骤实现：

S1：在两个站点之间架设包括双管异构OPPC线路，在其中一个站点内设置第一光纤配线架和监测装置，在另一个站点内设置第二光纤配线架，所述线路的两端分别通过导引光缆引入对应的站点；所述新型OPPC包括：第一光单元和第二光单元，且沿所述新型OPPC径向由内向外依次设置有中心层和绞合层；在所述新型OPPC的中心层设置所述第一光单元；在所述第一光单元内置有至少一根没有余长紧套光纤；在所述新型OPPC的绞合层设置所述第二光单元，在所述第二光单元内置有至少一根有余长的松套光纤；所述导引光缆采用与所述新型OPPC中第一光单元和第二光单元同类型同数量光纤的ADSS或普通光缆；

S2：分别获取所述线路和两条导引光缆对应端口内的紧套光纤和松套光纤；将所述线路一端和其中一导引光缆一端中的紧套光纤和松套光纤分别熔接，并将熔接后的紧套光纤和松套光纤盘绕固定在一接续盒内，且该接续盒设置在一终端塔上；将所述线路另一端和另一导引光缆一端中的紧套光纤和松套光纤分别熔接，并将熔接后的紧套光纤和松套光纤盘绕固定在另一接续盒内，且该接续盒设置在另一终端塔上；分别将两条导引光缆另一端分别对应成端于所述第一光纤配线架和所述第二光纤配线架；用跳纤将所述第一光纤配线架与所述监测装置相连，用跳纤将成端于所述第二光纤配线架上的紧套光纤和松套光纤进行连接，以构成一监测回路；

S3：启动所述监测装置，对所述线路中光纤应变进行实时全程连续测试，并每隔T秒自动记录和保存一组采集的应变值。

在本发明一实施例中，所述监测装置设置有温度及应变分离计算模块，并采用如下方式计算所述线路的温度： ，采用如下方式计算所述线路的应变：，其中L为光单元到监测装置的距离， 为第一光单元布里渊频谱分布信息、为第二光单元布里渊频谱分布信息，为第一光单元温度的变化量、为第二光单元温度的变化量，为第一光单元应变的变化量、第二光单元应变的变化量，为第一光单元布里渊频移温度系数、第二光单元布里渊频移温度系数，为第一光单元布里渊频移应变系数、为第二光单元布里渊频移应变系数。

在本发明一实施例中，所述第一光单元布里渊频移温度系数、所述第二光单元布里渊频移温度系数、、所述第一光单元布里渊频移应变系数及所述第二光单元布里渊频移应变系数通过测试所述新型OPPC中第一光单元、第二光单元中紧套光纤和松套光纤获取。

在本发明一实施例中，所述监测装置具有两个光端口，第一光端口具有发送连续激光信号功能，第二光端口用于发送脉冲激光信号，同时具有接收反馈的布里渊频谱信号功能；所述的布里渊光时域分析从第二光端口接收到反馈信号后解调出光纤温度值。

在本发明一实施例中，在所述新型OPPC中还设置有铝包钢线和/或铝线；所述铝包钢线和/或铝线设置于所述新型OPPC的绞合层。

在本发明一实施例中，所述接续盒是一种能抗高压、绝缘性能良好的专用接续盒。 

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明所提出的一种基于双管异构的电力架空光缆分布式应变应力监测方法，在两站点之间架设由新型OPPC构成的线路，并在该新型OPPC中设置紧套光纤和松套光纤，实现了通过测量该线路中新型OPPC待测光纤的受力应变以达到测量输电线路中导线受力的目的，克服传统对输电线路导线受力测量过程存在的测量点获取难、测量不准确以及带来的输电线路导线受力监测不及时等弊端，有效地改善了对输电线路中导线受力的监测，能够对长距离光纤复合架空相线局部受力过大或受力不均匀等故障进行提前预警，能够据此更快开展针对该故障的后续抢修工作，有效提高了架空线路电力传输过程的监测水平，保障了电力输送的安全。

附图说明

图1为本发明中通过OPPC光纤应变监测导线受力方法的流程图。

图2为本发明中由新型OPPC构成的线路应变监测系统连接示意图。

图3为本发明中新型OPPC结构图。

图4为本发明一实施例中张力装置、布里渊光时域分析仪和被测输电线路的连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供一种基于双管异构的电力架空光缆分布式应变应力监测方法，如图1所示，其特征在于，按照如下步骤实现：

S1：如图2所示，在两个变电站之间的终端塔上架设由新型OPPC构成的线路，在其中一个变电站通信机房内设置第一光纤配线架和监测装置，在另一个变电站通信机房内设置第二光纤配线架，将所述OPPC线路的两端对应通过导引光缆分别引入对应的变电站通信机房；所述导引光缆采用与所述新型OPPC中第一光单元和第二光单元同类型同数量光纤的ADSS或普通光缆；

S2：分别获取所述线路和两条导引光缆对应端口内的紧套光纤和松套光纤；将所述线路一端和其中一导引光缆一端中的紧套光纤和松套光纤分别熔接，并将熔接后的紧套光纤和松套光纤盘绕固定在一接续盒内，且该接续盒设置在一终端塔上；将所述线路另一端和另一导引光缆一端中的紧套光纤和松套光纤分别熔接，并将熔接后的紧套光纤和松套光纤盘绕固定在另一接续盒内，且该接续盒设置在另一终端塔上；分别将两条导引光缆另一端分别对应成端于所述第一光纤配线架和所述第二光纤配线架；用跳纤将所述第一光纤配线架与所述监测装置相连，用跳纤将成端于所述第二光纤配线架上的紧套光纤和松套光纤进行连接，以构成一监测回路；

S3：启动所述监测装置，对所述线路中光纤应变进行实时全程连续测试，并每隔T秒自动记录和保存一组采集的应变值和全程连续应变曲线。

进一步的，所述监测装置设置有温度分离计算模块，且在本实施例中，温度分离计算模块采用一布里渊光时域分析仪，布里渊光时域分析仪是一种实时测量光纤布里渊频谱分布的新型设备，布里渊频谱同时对光纤的温度、应变交叉敏感，因此利用布里渊光时域分析仪可以获得光纤沿线的温度或/和应变分布信息，实时计算出第一光单元内光纤的布里渊频谱全程分布信息和第二光单元内光纤的布里渊频谱全程分布信息，L为光单元到布里渊光时域分析仪的距离。第一光单元、第二光单元内光纤的布里渊频谱与温度及应变的对应关系分别记为如下公式：

式中、分别为第一光单元、第二光单元的布里渊频移温度系数，为第一光单元的布里渊频移应变系数。、分别为第一光单元、第二光单元温度的变化量，、为第一光单元应变的变化量。

在架空光缆相同位置，第一光单元、第二光单元内光纤所承受的温度变化量相同，即；并且第一光单元和第二单元均处于电力架空光缆的内部，其外部为多层铝绞线，架空线横截面可近似为一个均匀分布的热场，即第一光单元、第二光单元内光纤的温度变化、可等效为架空光缆的温度变化，另外由于第二光单元内部为余长较大的松套光纤，即使架空光缆存在应变而发生拉伸形变时，也并不会使松套光纤受力，因此第二光单元中的松套光纤仅仅与架空线路的温度有关，而与应变无关。通过式（2）中第二光单元的布里渊频移得出第一光单元、第二光单元相同位置的温度变化量为：

第一光单元内部光纤为没有余长的紧套光纤，并且位于架空光缆中心，不存在绞合余长，因此电力架空光缆发生形变时的应变将直接传递给第一单元内的紧套光纤，第一光单元内的紧套光纤的应变变化可等效为架空光缆的应变变化。第一光单元中光纤布里渊频谱与温度和应变同时相关，将式（3）带入式（1）中得出第一光单元应变变化量为：

第一光单元、第二光单元布里渊频移温度系数、及第一光单元、第二光单元布里渊频移应变系数、可以通过标定或经验值得出，因此通过式（3）和式（4）可以得到电力架空光缆温度及应变的全程分布。进一步的，第一光单元、第二光单元布里渊频移温度系数、及第一光单元、第二光单元布里渊频移应变系数、通过测试所述新型OPPC中第一光单元、第二光单元中紧套光纤和松套光纤获取。

进一步的，所述监测装置具有两个光端口，第一光端口具有发送连续激光信号功能，第二光端口用于发送脉冲激光信号，同时具有接收反馈的布里渊频谱信号功能；所述的布里渊光时域分析从第二光端口接收到反馈信号后解调出光纤温度值。

在本实施例中，所述接续盒是一种能抗高压、绝缘性能良好的专用接续盒。

在本实施例中，如图3所示，所述新型OPPC输电线路包括：第一光单元1、第二光单元2、铝包钢线3和铝线4，且沿所述光纤复合架空相线径向由内向外依次为中心层和绞合层；所述第一光单元1设置于所述光纤复合架空相线的中心层；所述第一光单元1内设置有用于输电线路应变监测的2芯紧套光纤11，且该紧套光纤11的余长为零，芯直径为0.9mm；进一步的，所述第一光单元1还包括用于放置所述紧套光纤11的不锈钢管，且该不锈钢管直径为2.7mm；此外，所述第一光单元1还填充有油膏。所述第二光单元2和所述铝包钢线3均设置于所述光纤复合架空相线的绞合层；所述第二光单元2内设置有用于输电线路温度监测的12芯松套光纤21，且该松套光纤21的与余长为0.5%~0.8%，芯直径为250微米；进一步的，所述第二光单元2还包括用于放置所述松套光纤21的不锈钢管，且该不锈钢管直径为2.7mm；此外，所述第二光单元2内还均填充有油膏。在本实施例中，分别取第一光单元1中的1芯紧套光纤11用于应变监测和第二光单元2中的1芯裸纤21用于温度采集。

在本实施例中，所述绞合层包括5根铝包钢线，且每根铝包钢线的直径为2.7mm。进一步的，所述铝线4绞合在所述绞合层的外围；在本实施例中，在所述绞合层的外围绞合有两层直径为3.45mm的铝线，其中，第一层绞合有10根铝线，第二层绞合有16根铝线，且整个光纤复合架空相线的直径是21.90mm。此外，在本实施例中，设置在绞合层的铝包钢线3可采用铝线。

为了让本领域技术人员进一步理解本发明所提出的一种基于双管异构的电力架空光缆分布式应变应力监测方法，下面结合具体实例说明通过本发明方法测得的应变值与应力间的关系。

在本实例中，如图4所示，将新型OPPC两端分别用耐张金具固定于张力装置拉力机上，将线路中新型OPPC的一端中紧套光纤的一端与裸纤的一端熔接，将线路中新型OPPC的另一端中紧套光纤的一端与裸纤的一端分别经光纤跳线接入布里渊型光时域分析仪。

按照如下方式测量光纤应变与导线受力关系，测量结果如下所示：

步骤1：OPPC耐张金具安装，光纤熔接。

步骤2：开启布里渊光时域反射仪，调至应变测量模式，进行实时监测。

步骤3：开启拉力机，将OPPC预拉直。

步骤4：设置拉力机控制程序，从25KN开始，以5KN的步进增大拉力，直至达到70KN为止。每档拉力保持2分钟。

所述OPPC设计最大允许拉力（RTS）约75kN，以5kN步长从零开始拉升OPPC，每个拉力值稳定5分钟，利用光纤布里渊光时域分析仪BOTDA实时监测光纤应变。当OPPC光纤拉力较小时（小于50kN），无论是紧套光纤还是松套光纤均没有出现应变变化。当拉力增大到55KN时，G.655紧套光纤开始出现应变；并且随着拉力继续增大，G.655紧套光纤的应变迅速上升，但是G.652和G.655松套光纤一直没有出现应变。当拉力超过65KN，接近70KN时，OPPC最外层电工铝LY9线发生断裂，应力测试终止。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于双管异构的电力架空光缆分布式应变应力监测方法，其特征在于，按照如下步骤实现：

S1：在两个站点之间架设包括双管异构OPPC的线路，在其中一个站点内设置第一光纤配线架和监测装置，在另一个站点内设置第二光纤配线架，所述线路的两端分别通过导引光缆引入对应的站点；所述新型OPPC包括：第一光单元和第二光单元，且沿所述新型OPPC径向由内向外依次设置有中心层和绞合层；在所述新型OPPC的中心层设置所述第一光单元；在所述第一光单元内置有至少一根没有余长紧套光纤；在所述新型OPPC的绞合层设置所述第二光单元，在所述第二光单元内置有至少一根有余长的松套光纤；所述导引光缆采用与所述新型OPPC中第一光单元和第二光单元同类型同数量光纤的ADSS或普通光缆；

S2：分别获取所述线路和两条导引光缆对应端口内的紧套光纤和松套光纤；将所述线路一端和其中一导引光缆一端中的紧套光纤和松套光纤分别熔接，并将熔接后的紧套光纤和松套光纤盘绕固定在一接续盒内，且该接续盒设置在一终端塔上；将所述线路另一端和另一导引光缆一端中的紧套光纤和松套光纤分别熔接，并将熔接后的紧套光纤和松套光纤盘绕固定在另一接续盒内，且该接续盒设置在另一终端塔上；分别将两条导引光缆另一端分别对应成端于所述第一光纤配线架和所述第二光纤配线架；用跳纤将所述第一光纤配线架与所述监测装置相连，用跳纤将成端于所述第二光纤配线架上的紧套光纤和松套光纤进行连接，以构成一监测回路；

S3：启动所述监测装置，对所述线路中光纤应变进行实时全程连续测试，并每隔T秒自动记录和保存一组采集的应变值。

2.如权利要求1所述的一种基于双管异构的电力架空光缆分布式应变应力监测方法，其特征在于：所述监测装置设置有温度及应变分离计算模块，并采用如下方式计算所述线路的温度：                                                ，采用如下方式计算所述线路的应变：，其中L为光单元到监测装置的距离， 为第一光单元布里渊频谱分布信息、为第二光单元布里渊频谱分布信息，为第一光单元温度的变化量、为第二光单元温度的变化量，为第一光单元应变的变化量、第二光单元应变的变化量，为第一光单元布里渊频移温度系数、第二光单元布里渊频移温度系数，为第一光单元布里渊频移应变系数、为第二光单元布里渊频移应变系数。

3.权利要求2所述的一种基于双管异构的电力架空光缆分布式应变应力监测方法，其特征在于：所述第一光单元布里渊频移温度系数、所述第二光单元布里渊频移温度系数、、所述第一光单元布里渊频移应变系数及所述第二光单元布里渊频移应变系数通过测试所述新型OPPC中第一光单元、第二光单元中紧套光纤和松套光纤获取。

4.根据权利要求1所述的一种基于双管异构的电力架空光缆分布式应变应力监测方法，其特征在于：所述的监测装置具有两个光端口，第一光端口具有发送连续激光信号功能，第二光端口用于发送脉冲激光信号，同时具有接收反馈的布里渊频谱信号功能；所述的监测装置从第二光端口接收到反馈信号后解调出光纤温度值。

5.根据权利要求1所述的一种基于双管异构的电力架空光缆分布式应变应力监测方法，其特征在于：在所述新型OPPC中还设置有铝包钢线和/或铝线；所述铝包钢线和/或铝线设置于所述新型OPPC的绞合层。

6.根据权利要求1所述的一种基于双管异构的电力架空光缆分布式应变应力监测方法，其特征在于：所述接续盒是一种能抗高压、绝缘性能良好的专用接续盒。