CN104634388A - 一种电力架空光缆温度及应变分布式监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种用于电力架空光缆温度及应变分布式监测装置，包括测试主机、架空光缆、光纤接续盒，架空光缆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测试主机的两个光端口相连，紧套光纤和松套光纤的另一端分别进入光纤接续盒后相连。紧套光纤和松套光纤分别用于分布式应变和温度测量，从而实现电力架空线路分布式实时监测，保障电力输送安全。

Description

一种电力架空光缆温度及应变分布式监测装置

技术领域

本发明涉及架空输电线路监测领域，尤其是涉及一种电力架空光缆温度及应变分布式监测装置。

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，是电力系统的动脉。传统的架空输电线路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，主要有介质自承重光缆ADSS、光纤复合架空地线OPGW和光纤复合架空相线OPPC，尤其是OPGW和OPPC是电力通信、调度的主要载体，应用广泛。加强电力架空光缆在线监测意义重大。

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，测量距离不超过20km，不能实现长距离OPPC全程实时连续监测。美国专利授权号US7412117(PCT/GB2004/004383)Apparatus and method for distributed temperaturesensing,并没有考虑OPPC线路复杂热传导特点，没有考虑到架空光缆多点接续的特殊性能。

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，因此其在OPPC应力监测准确度方面有待改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题提供一种电力架空光缆温度及应变分布式监测装置，能够有效利用架空光缆内部冗余光纤，实现分布式温度及应变测量。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种电力架空光缆温度及应变分布式监测装置，其特征在于，包括测试主机、架空光缆和光纤接续盒；所述架空光缆内设置有第一光单元和第二光单元，所述第一光单元位于架空光缆的中心层，所述第二光单元位于架空光缆的绞合层；所述第一光单元的一个端口与所述测试主机的第一光端口连接，所述第一光单元的另一个端口引入所述光纤接续盒内部；所述第二光单元的一个端口与所述测试主机的第二光端口连接，所述第二光单元的另一个端口引入所述的光纤接续盒内部；所述第一光单元的另一个端口与所述的第二光单元的另一个端口在所述的光纤接续盒内部相连。

在本发明一实施例中，所述第一光单元内置至少一根没有余长的紧套光纤，所述第二光单元内置有至少一根余长为0.5％-0.8％的松套光纤。

在本发明一实施例中，所述测试主机具有两个光端口，第一光端口具有发送连续激光信号功能，第二端口用于发送脉冲激光信号，且具有接收反馈的布里渊频谱信号功能，所述测试主机从第二光端口接收到反馈信号后解调出光纤温度值和应变值。

在本发明一实施例中，所述测试主机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的温度： 采用如下方式计算所述线路的的应变： $\mathrm{\Δ\ϵ}\left(L\right)={\mathrm{\Δ\ϵ}}_1\left(L\right)=\frac{{\mathrm{\Δ\υ}}_{B1}\left(L\right)-C_1^T\frac{{\mathrm{\Δ\υ}}_{B2}\left(L\right)}{C_2^T}}{C_1^{\mathrm{\ϵ}}},$ 其中，L为光单元到所述测试主机的距离，Δυ_B1(L)为第一光单元布里渊频谱分布信息、Δυ_B2(L)为第二光单元布里渊频谱分布信息，ΔT₁(L)为第一光单元温度的变化量、ΔT₂(L)为第二光单元温度的变化量，Δε₁(L)为第一光单元应变的变化量、Δε₂(L)为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、为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OPPC中第一光单元、第二光单元中紧套光纤和松套光纤获得。

在本发明一实施例中，所述光纤接续盒具有光纤熔接保护、盘绕多余光纤功能

与现有技术相比，本发明的优点在于利用电力架空光缆内部光纤实现架空线路的温度及应变分布式实时测量，无测量盲区，无需额外布置传感器，施工简单、易于实现；且该监测方法测量的准确度和精度高，实现了长度不大于75km输电线路全程实时监测，线路长度采样间隔达0.1～1m；每隔20S测量一组温度和应变数据，温度精度达±1℃，温度分辨率为0.1℃；应变精度达±20με，应变分辨率为20με。该监测方法有效地提升了电力架空光缆的监测水平，保障电力输送安全。

附图说明

图1是本发明中一种电力架空光缆温度及应变分布式监测测装置示意图。

图2是本发明中内置两个光单元的电力架空光缆的横截面示意图。

图3是本发明中一种电力架空光缆温度及应变分布式监测流程图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明提供一种电力架空光缆温度及应变分布式监测装置，其特征在于，如图1所示，包括：测试主机1、架空光缆2、光纤接续盒3。测试主机1具有第一光端口11、第二光端口12共两个光端口，可实现长达数十公里的分布式温度及应变监测，第一光端口具有发送连续激光信号功能，第二端口用于发送脉冲激光信号，且具有接收反馈的布里渊频谱信号功能，所述测试主机从第二光端口接收到反馈信号后解调出光纤温度值和应变值。本实施例，架空光缆2采用光纤复合架空相线OPPC，兼具电能传输和电力通信功能。架空光缆2内置有第一光单元21、第二光单元22共两个光单元，第一光单元21一个端口与测试主机1的第一光端口11连接，第一光单元21的另一个端口引入光纤接续盒3内部，第二光单元22一个端口与测试主机1的第二光端口12连接，第二光单元的另一个端口引入光纤接续盒3内部，在光纤接续盒3内部的第一光单元另一个端口与第二光单元另一个端口相连，形成光纤测量回路。光纤接续盒3为常规室外型，光纤复合架空相线内的光纤经光电分离后进入光纤接续盒3中，可保护光纤熔接点，盘绕收纳多余光纤。

内置两个光单元的电力架空光缆的横截面示意图如图2所示，包括第一光单元21、第二光单元22、铝线23、铝包钢丝线24，第一光单元21位于电力架空光缆2的中心层，第一光单元21内置至少一根没有余长的紧套光纤211，第二光单元22位于电力架空光缆2的绞合层，第二光单元22内置有至少一根余长为0.5-0.8％的松套光纤221。

进一步的，所述测试主机1设置有温度及应变分离计算模块，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接收到输电线路内部第一光单元21内紧套光纤211、第二光单元22内松套光纤221的散射信号后，实时计算出紧套光纤211的布里渊频谱全程分布信息Δυ_B1(L)、松套光纤221的布里渊频谱全程分布信息Δυ_B2(L)，其中L为光单元到布里渊型光时域分析仪的距离。紧套光纤211和松套光纤221的布里渊频谱与温度及应变关系如下：

${\mathrm{\Δ\υ}}_{B1}\left(L\right)=C_1^T{\mathrm{\ΔT}}_1\left(L\right)+C_1^{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\Δ\ϵ}}_1\left(L\right)---\left(1\right)$

${\mathrm{\Δ\υ}}_{B2}\left(L\right)=C_2^T{\mathrm{\ΔT}}_2\left(L\right)+C_2^{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\Δ\ϵ}}_2\left(L\right)---\left(2\right)$

式中分别为紧套光纤211、松套光纤221的布里渊频移温度系数， 分别为紧套光纤211、松套光纤221的布里渊频移应变系数。ΔT₁(L)、ΔT₂(L)分别为紧套光纤211、松套光纤221温度的变化量，Δε₁(L)、Δε₂(L)分别为紧套光纤211、松套光纤221的变化量。

在架空光缆2相同位置，紧套光纤211、松套光纤221所承受的温度变化量可认为相同，即ΔT₁(L)＝ΔT₂(L)；并且第一光单元21和第二单元22均处于电力架空光缆2的内部，其外部为多层绞合的铝线23，架空光缆2的横截面可近似为一个均匀分布的热场，即第一光单元21、第二光单元22内光纤的温度变化ΔT₁(L)、ΔT₂(L)可等效为架空光缆2的温度变化。另外，由于松套光纤221的余长比较大，即使架空光缆2存在应变而发生拉伸形变时，也并不会使松套光纤221受力，因此松套光纤221仅仅与架空线路的温度有关，而与应变无关，即Δε₂(L)始终为0。此时，通过式(2)可计算出架空光缆2的温度变化量为：

${\mathrm{\ΔT}}_1\left(L\right)={\mathrm{\ΔT}}_2\left(L\right)=\frac{{\mathrm{\Δ\υ}}_{B2}\left(L\right)}{C_2^T}---\left(3\right)$

紧套光纤211位于架空光缆2中心，不存在绞合余长，因此电力架空光缆2发生形变时将直接传递给紧套光纤211，第一光单元21内的紧套光纤211的应变变化Δε₁(L)可等效为架空光缆2的应变变化。第一光单元21中紧套光纤211布里渊频谱Δυ_B1(L)与温度ΔT₁(L)和应变Δε₁(L)同时相关，将式(3)带入公式1中得出紧套光纤211的应变变化量Δε₁(L)为：

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_1\left(L\right)=\frac{{\mathrm{\Δ\υ}}_{B1}\left(L\right)-C_1^T{\mathrm{\ΔT}}_1\left(L\right)}{C_1^{\mathrm{\ϵ}}}=\frac{{\mathrm{\Δ\υ}}_{B1}\left(L\right)-C_1^T\frac{{\mathrm{\Δ\υ}}_{B2}\left(L\right)}{C_2^T}}{C_1^{\mathrm{\ϵ}}}---\left(4\right)$

第一光单元、第二光单元布里渊频移温度系数第一光单元、第二光单元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)可以得到架空光缆2的温度及应变全程分布。进一步的，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第一光单元布里渊频移应变系数及第二光单元布里渊频移应变系数通过测试所述OPPC中第一光单元、第二光单元中紧套光纤和松套光纤获得。

本实施例中，松套光纤221的余长比较大，其与架空线路的温度有关，即其布里渊频谱信息仅反应架空线路的温度信息；而紧套光纤211没有余长，并且不存在绞合余长，紧套光纤211与架空线路的温度与应变同时有关。结合松套光纤221的布里渊频谱信息(仅与温度有关)，可以分离出紧套光纤211的受应变影响的布里渊频谱信息，从而实现电力架空线路的温度及应变分布式监测。电力架空线路的温度和应变实时测量信息以及长期运行历史数据，可以反映架空线路的健康状态，及时发现架空线路的局部过热点或者覆冰、断股等故障，提高架空线路电力传输过程的监测水平，保障电力输送安全。

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)

1.一种电力架空光缆温度及应变分布式监测装置，其特征在于，包括测试主机、架空光缆和光纤接续盒；所述架空光缆内设置有第一光单元和第二光单元，所述第一光单元位于架空光缆的中心层，所述第二光单元位于架空光缆的绞合层；所述第一光单元的一个端口与所述测试主机的第一光端口连接，所述第一光单元的另一个端口引入所述光纤接续盒内部；所述第二光单元的一个端口与所述测试主机的第二光端口连接，所述第二光单元的另一个端口引入所述的光纤接续盒内部；所述第一光单元的另一个端口与所述的第二光单元的另一个端口在所述的光纤接续盒内部相连。

2.根据权利要求1所述的一种电力架空光缆温度及应变分布式监测装置，其特征在于：所述第一光单元内置至少一根没有余长的紧套光纤，所述第二光单元内置有至少一根余长为0.5％-0.8％的松套光纤。

3.根据权利要求1所述的一种电力架空光缆温度及应变分布式监测装置，其特征在于：所述测试主机具有两个光端口，第一光端口具有发送连续激光信号功能，第二端口用于发送脉冲激光信号，且具有接收反馈的布里渊频谱信号功能，所述测试主机从第二光端口接收到反馈信号后解调出光纤温度值和应变值。

4.根据权利要求1或3所述的一种电力架空光缆温度及应变分布式监测方法与监测装置，其特征在于：所述测试主机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为光单元到所述测试主机的距离，Δυ_B1(L)为第一光单元布里渊频谱分布信息、Δυ_B2(L)为第二光单元布里渊频谱分布信息，ΔT₁(L)为第一光单元温度的变化量、ΔT₂(L)为第二光单元温度的变化量，Δε₁(L)为第一光单元应变的变化量、Δε₂(L)为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、 为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。

5.根据权利要求4所述的一种电力架空光缆温度及应变分布式监测方法与监测装置，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OPPC中第一光单元、第二光单元中紧套光纤和松套光纤获得。

6.根据权利要求1所述的一种电力架空光缆温度及应变分布式监测方法与监测装置，其特征在于：所述光纤接续盒具有光纤熔接保护、盘绕多余光纤功能。