CN110927524B - 一种基于botdr技术的opgw光缆断芯原因分析与精确定位方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于BOTDR技术的OPGW光缆断芯原因分析与精确定位方法，属于OPGW光缆的断芯检测领域。解决了现有OTDR技术无法快速精准地将断芯位置与线路的具体位置对应的问题。技术要点：利用分布式布里渊光时域反射仪接入变电站内OPGW光缆的光纤配线架上，采集OPGW光缆故障纤芯的布里渊频移曲线，标定断芯处的光纤长度；采集完好纤芯的布里渊频移曲线；绘制生成布里渊频移曲线图；根据线路信息绘制真实比例的杆塔路径图；标注出布里渊频移突变的位置，并将杆塔路径图与布里渊频移位置对应，标注出接续杆塔处光纤的确切长度；判定断芯位置是否处于布里渊频移跳变处。本发明用于OPGW光缆断芯检测中。
Description
技术领域
本发明涉及一种光缆的断芯原因分析与精确定位方法，具体涉及一种基于BOTDR技术的OPGW光缆断芯原因分析与精确定位方法，属于OPGW光缆的断芯检测领域。
背景技术
光纤复合架空地线(OPGW，Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire)兼具地线与通信线路的双重功能，在高压架空输电线路中被广泛的应用。OPGW光缆在长期运行过程中由于材料的热胀冷缩和老化、施工工艺、外力侵害、雷击覆冰等自然环境影响等因素造成OPGW光缆断芯，影响了电力通信网的可靠运行，快速准确定位断芯位置具有重要的现实意义。
传统的检测断芯的方法是采用光时域反射仪(OTDR，Optical Time DomainReflectometer)，通过向被测纤芯发射光脉冲，检测光纤中返回的瑞利散射及菲涅尔反射信号，得到被测光纤的长度及损耗等物理特性，并借助数据分析功能，定位光路中的事件点和断芯位置。然而，OTDR给出的断芯位置信息只是光纤长度，由于线路中记录的数据一般是光缆的长度，更详细的包括计算弧垂在内的光缆距离，然而为了保障光缆的长久安全运行，OPGW光缆中的光纤一般留有0.6％～0.7％的余长，而且随着运行年限的增长，余长的消耗以及弧垂量的大小均是变化值，无法快速精准地将OTDR的测试光纤长度与线路的具体位置对应上，故障位置的初判可能会产生几千米的误差，在一定程度上影响了光缆故障的精准定位与及时抢修。由于复核断芯的位置需要线路断电并查看接头盒，通常，断芯的故障会在春秋检的时候查看与修复，影响了故障判别与修复的时效性。
专利CN107179175A中公开了一种输电线路OPGW光缆断芯精确定位方法，采用BOTDR设备测试一根纤芯的布里渊频移曲线，然而，实际应用中发现，采用一根纤芯无法将所有的熔接点处通过布里渊频移的差异准确的分辨出来，由于每根纤芯的布里渊频移不一样，所以通过对比多根纤芯的数据，能够更准确快速的找到熔接点。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于BOTDR技术的OPGW光缆断芯原因分析与精确定位方法，以解决现有OTDR技术无法快速精准地将断芯位置与线路的具体位置对应的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，具体步骤为：
步骤一、利用分布式布里渊光时域反射仪接入变电站内OPGW光缆的光纤配线架上，采集OPGW光缆故障纤芯的布里渊频移曲线，标定断芯处的光纤长度；
步骤二、利用分布式布里渊光时域反射仪分别接入与断芯光纤同一根光缆内的其余空余纤芯，采集完好纤芯的布里渊频移曲线；
步骤三、将步骤二测试得到的曲线绘制生成布里渊频移曲线图；
步骤四、根据线路信息绘制真实比例的杆塔路径图；
步骤五、将步骤四所得的杆塔路径图与步骤三所得的布里渊频移曲线图置于同一绘图界面；根据步骤三所得的不同纤芯的布里渊频移曲线标注出布里渊频移突变的位置，即接续杆塔的位置，并将杆塔路径图与布里渊频移位置对应，标注出接续杆塔处光纤的确切长度；
步骤六、根据步骤一测得的断芯光纤长度，在步骤五所得的图中找到断芯位置，得出断芯的精确位置，并且根据结果判定断芯位置是否处于布里渊频移跳变处，即光纤是否断在接续盒内。
进一步地，所述分布式布里渊光时域反射仪采集并保存OPGW纤芯的布里渊频移数据。
进一步地，所述分布式布里渊光时域反射仪采集不同纤芯的布里渊频移数据。如此设计原因在于，熔接的两段OPGW光缆大部分由于不同批次，光纤布里渊频移不一样，然而部分纤芯熔接的光缆两侧的布里渊频移一致，OPGW光缆的不同纤芯的布里渊频移变化趋势不同，对比多根纤芯数据可以更准确的区分出熔接点。
进一步地，所述杆塔路径图采用CAD软件绘制，杆塔之间的间隔为光缆间隔长度。杆塔之间的间隔为光缆间隔长度而非线路的实际档距的原因在于，受光缆接续处的引下线、OPGW光缆的余长特性、弧垂、受力等因素的影响，光纤的长度与线路真实档距相差较大，尤其误差的累计，会导致后面的线路相差到几公里。
进一步地，所述接续杆塔的标定，根据杆塔路径图、线路光缆长度信息与布里渊频移曲线差异点处定位出两个接续杆塔的位置，其余接续杆塔的位置即可从图中可知。
进一步地，根据断芯位置完好纤芯的布里渊频移变化获得断芯的原因，判定故障是否出现在熔接处，根据两侧是否受力获知光纤是否是由于受力造成的拉断。
进一步地，所述线路信息包括杆塔信息、地理信息、光缆长度、接续塔位置、引下线长度信息。
进一步地，所述分布式布里渊光时域反射仪采用RP4000型分布式布里渊光时域反射仪。
进一步地，所述分布式布里渊光时域反射仪采用单端工作模式，采用一根跳线将分布式布里渊光时域反射仪与光纤配线架连接。如此设计，BOTDR采集纤芯的布里渊频移曲线，当光纤在某处断裂时，不影响断点前的信号测量，可以准确的得出断点所处的位置。
本发明所达到的效果为：
本发明利用布里渊光时域反射技术采集OPGW光缆空余纤芯的布里渊频移，实现接续杆塔的精确定位，定位精度取决于BOTDR的空间分辨率，为1～50m。根据完好纤芯的布里渊频移判别断芯发生的原因及位置，能够在半小时内实现故障的识别与定位，并且能将接续盒处的故障定位至具体的接续盒，定位误差为0。本发明能够快速精确的识别断芯位置，提升故障的响应速度，降低故障处理时间，无需检修人员将线路断电进行现场勘查，方便快捷，不影响供电线路的正常运营。
布里渊光时域反射技术(BOTDR，Brillouin optical time-domainreflectometer)是基于自发布里渊散射的分布式光纤传感技术。光通过光纤时，光子和光纤中自发热运动产生的声子产生非弹性碰撞，发生自发布里渊散射。当入纤光为脉冲光，且峰值功率较小时，光纤中的传输脉冲光会受到光纤材料分子的影响。由于光纤中微粒子的不规则运动产生的布朗效应产生压力差，引起光纤的折射率发生周期性变化，在光纤中传输的脉冲光受其影响，在光纤中使得散射光的频率相当于传输中的脉冲光的频率有一个多普勒频移，即是自发布里渊散射。通过BOTDR设备可以得出光纤链路各点的布里渊频移，布里渊频移同时受应变和温度的影响，布里渊频移的变化与温度变化量和轴向应变变化成正比，通过布里渊频移的变化可以解调出光纤沿线的温度和应变信息。由于光纤本身的掺杂成分、制造工艺不同，不同型号的光纤、不同批次的光纤的布里渊频移一般不同，利用该差异可以快速的实现OPGW光缆的熔接点识别，将光纤长度与杆塔一一对应。
附图说明
图1为本发明实施方式的OPGW光缆的断芯原因分析与精确定位方法流程图；
图2为本发明的实施方式的组成结构以及部署示意图；
图3为本发明实施例中采集到的OPGW光缆一根纤芯的布里渊散射数据图；
图4为本发明实施例中采集到的OPGW光缆多根纤芯的布里渊散射数据图；
图5为本发明实施例中杆塔定位图；
图6为本发明实施例中霍山——春秋塘方向12#纤芯布里渊频移数据图；
图7为本发明实施例中霍山——春秋塘方向完好纤芯在12#纤芯断芯位置处的布里渊频移数据图；
图8为本发明实施例中霍山——春秋塘方向13#纤芯布里渊频移数据图；
图9为本发明实施例中霍山——春秋塘方向完好纤芯在13#纤芯断芯位置处的布里渊频移数据图。
具体实施方式
下面根据附图详细阐述本发明优选的实施方式。
具体实施方式：如图1和图2所示，本实施方式所述一种基于BOTDR技术的OPGW光缆断芯原因分析与精确定位方法，整体结构如图2所示，采用BOTDR设备采集OPGW光缆的布里渊频移信息，观察断芯位置处其余完好纤芯的布里渊频移特征可以判断断芯位置是否在接续盒内，将断芯位置定位至具体杆塔处，给出故障点的精确定位。具体流程如图1所示。
步骤一、利用分布式布里渊光时域反射仪RP4000接入变电站内OPGW光缆的光纤配线架ODF上，采集OPGW光缆故障纤芯的布里渊频移曲线，标定断芯处的光纤长度。
步骤二、利用的分布式布里渊光时域反射仪分别接入与断芯光纤同一根光缆内的其余空余纤芯，采集完好纤芯的布里渊频移曲线。
步骤三、将步骤二测试得到的曲线画在一个图中。
步骤四、根据线路的杆塔信息、地理信息、光缆长度、接续塔位置、引下线长度等信息采用CAD画出真实比例的杆塔路径图。
步骤五、将步骤四所得的杆塔路径图与步骤三所得的布里渊频移曲线置于一个图形中。根据步骤三所得的不同纤芯的布里渊频移曲线标注出布里渊频移突变的位置，即接续杆塔的位置，并将CAD画出的杆塔路径图与布里渊频移位置对应，标注出接续杆塔处光纤的确切长度。
步骤六、根据步骤一测得的断芯光纤长度，在步骤五所得的图中找到断芯位置，可以得出断芯的精确位置，并且根据结果判定断芯位置是否处于布里渊频移跳变处，即光纤是否断在接续盒内。
实施例：如图1-图9所示，本实施例以具体实施方式为基础，更为具体地：步骤一中BOTDR设备采用单端工作模式，采用一根跳线将BOTDR设备与ODF架连接。BOTDR采集纤芯的布里渊频移曲线，当光纤在某处断裂时，不影响断点前的信号测量，可以准确的得出断点所处的位置。
BOTDR设备用于监测OPGW光缆的应力情况，如图3所示，区域C1、C2、C3、C4、C5为测得的受力区域。本实施例测试霍山—春秋塘方向的OPGW光缆，总长64.45km，存在两根断芯。该段光缆所处地形复杂、运行年限超过15年、属于重度覆冰区域，故障频发，该段光缆的12#纤芯和13#纤芯断裂，同时光缆出现多处应力区域。
步骤二中采集多根完好纤芯的数据是由于熔接的两段OPGW光缆内部的某一根纤芯可能为同一预制棒拉出的光纤，具有相同的布里渊频移，不容易区分熔接点。但同一根OPGW光缆中的不同纤芯的布里渊频移变化不一致，这样对比多根纤芯的数据，可以更清晰的得出熔接处的位置。如图4中L1处有明显的布里渊频移变化，而图3中的L1处右侧看不出台阶，所以采集多根纤芯的数据更有益于熔接点的识别。
步骤四中杆塔路径图根据线路提供的数据，包括接续塔的编号、所有杆塔的档距、考虑余缆及弧垂的线路长度，采用CAD软件，画出杆塔路径的真实比例图。
步骤五中接续杆塔标定结果是将步骤四所得的杆塔路径图与步骤三所得的布里渊频移曲线置于一个图形中，如图5所示。根据步骤三所得的不同纤芯的布里渊频移曲线标注出布里渊频移突变的位置，即接续杆塔的位置，并将CAD画出的杆塔路径图与布里渊频移位置对应，标注出接续杆塔处光纤的确切长度。
根据线路已知数据与BOTDR测试结果，可知接续杆塔为1181#、1191#、1200#、1209#、1219#、1222#、1232#、1243#、1249#、1263#、1276#、1279#、1289#、1293#、1303#和1311#杆塔。线路记录的数据和BOTDR测试的结果如下表所示。
如表所示，中继站光端机测距长度根据线路数据获得，小号侧接续档距离(计算值)为当前接续杆塔与前一个接续杆塔的距离，BOTDR测试长度为测试的光纤实际值，由于系统转接了跳线，初始值会有偏差。小号侧接续档距离(BOTDR测试)为根据BOTDR测试结果计算的当前接续杆塔与前一个接续杆塔的距离。
由于光纤相对于光缆具有6％～7％的余长，同时在长期运行中受蠕变、外界应力造成的非弹性形变、大应力等因素的影响，会造成光纤长度与线路记录数据不一致。采用BOTDR设备可以准确的定位接续点。线路标定数据受标定设备与操作人员影响，会存在误差，如表所示1303#杆塔的长度误差过大，可以通过BOTDR设备进行校准。
图6为12#纤芯的布里渊频移曲线，12#纤芯断裂在18084m。若采用OTDR设备分析断裂原因，受空间分辨率限制，需要检修人员巡线，打开接头盒现场查看具体位置。本发明所述的方法，通过分析该位置处其余完好纤芯的布里渊频移数据，如图7所示，该处处于布里渊频移跳变区域，可以确定给出该故障点处于1209#接头盒处。
图8为13#纤芯的布里渊频移，断裂处位于3901m处，分析该位置处其余完好纤芯的布里渊频移可知，该处位于布里渊频移跳变处，即接续杆塔处。
本发明实施例以BOTDR测试OPGW光缆的布里渊频移曲线为基础，进行OPGW光缆断芯原因分析与精确定位，该监测方法不需要人工巡线，在通信机房内就可以实现故障的准确定位与故障原因分析。本发明实施例根据测得的不同纤芯的布里渊频移数据，可以实现接续杆塔的准确定位。本发明实施例根据布里渊频移数据得到OPGW光缆的应变分布，具有故障预警功能，为OPGW光缆的健康运行提供预警与故障诊断方法。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种基于BOTDR技术的OPGW光缆断芯原因分析与精确定位方法，其特征在于，采用分布式布里渊光时域反射仪采集OPGW光缆的布里渊频移信息，观察断芯位置处其余完好纤芯的布里渊频移特征可以判断断芯位置是否在接续盒内，将断芯位置定位至具体杆塔处，给出故障点的精确定位，具体步骤为：
步骤一、利用分布式布里渊光时域反射仪接入变电站内OPGW光缆的光纤配线架上，采集OPGW光缆故障纤芯的布里渊频移曲线，标定断芯处的光纤长度；所述分布式布里渊光时域反射仪采用单端工作模式，采用一根跳线将分布式布里渊光时域反射仪与光纤配线架连接，分布式布里渊光时域反射仪用于监测OPGW光缆的应力情况，分布式布里渊光时域反射仪采集纤芯的布里渊频移曲线，当光纤在某处断裂时，不影响断点前的信号测量，准确的得出断点所处的位置；
步骤二、利用分布式布里渊光时域反射仪分别接入与断芯光纤同一根光缆内的其余空余纤芯，采集完好纤芯的布里渊频移曲线；采集多根完好纤芯的数据是由于熔接的两段OPGW光缆内部的某一根纤芯可能为同一预制棒拉出的光纤，具有相同的布里渊频移，不容易区分熔接点；但同一根OPGW光缆中的不同纤芯的布里渊频移变化不一致，对比多根纤芯的数据，更清晰的得出熔接处的位置；
步骤三、将步骤二测试得到的曲线绘制生成布里渊频移曲线图；
步骤四、根据线路信息绘制真实比例的杆塔路径图；
步骤五、将步骤四所得的杆塔路径图与步骤三所得的布里渊频移曲线图置于同一绘图界面；根据步骤三所得的不同纤芯的布里渊频移曲线标注出布里渊频移突变的位置，即接续杆塔的位置，并将杆塔路径图与布里渊频移位置对应，标注出接续杆塔处光纤的确切长度；
步骤六、根据步骤一测得的断芯光纤长度，在步骤五所得的图中找到断芯位置，得出断芯的精确位置，并且根据结果判定断芯位置是否处于布里渊频移跳变处，即光纤是否断在接续盒内；
所述分布式布里渊光时域反射仪采集并保存OPGW纤芯的布里渊频移数据；
所述分布式布里渊光时域反射仪采集不同纤芯的布里渊频移数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于BOTDR技术的OPGW光缆断芯原因分析与精确定位方法，其特征在于：所述杆塔路径图采用CAD软件绘制，杆塔之间的间隔为光缆间隔长度。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于BOTDR技术的OPGW光缆断芯原因分析与精确定位方法，其特征在于：所述线路信息包括杆塔信息、地理信息、光缆长度、接续塔位置、引下线长度信息。
4.根据权利要求3所述的一种基于BOTDR技术的OPGW光缆断芯原因分析与精确定位方法，其特征在于：所述接续杆塔的标定，根据杆塔路径图、线路光缆长度信息与布里渊频移曲线差异点处定位出两个接续杆塔的位置，其余接续杆塔的位置即可从图中获知。
5.根据权利要求4所述的一种基于BOTDR技术的OPGW光缆断芯原因分析与精确定位方法，其特征在于：根据断芯位置完好纤芯的布里渊频移变化获得断芯的原因，故障是否出现在熔接处，根据两侧是否受力获知光纤是否是由于受力造成的拉断。
6.根据权利要求5所述的一种基于BOTDR技术的OPGW光缆断芯原因分析与精确定位方法，其特征在于：所述分布式布里渊光时域反射仪采用RP4000型分布式布里渊光时域反射仪。
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