JP4657024B2

JP4657024B2 - 光ファイバの浸水判定方法

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Publication number: JP4657024B2
Application number: JP2005180939A
Authority: JP
Inventors: 諭 ▲高▼田; 成行里村
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2005-06-21
Filing date: 2005-06-21
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2025-06-21
Also published as: JP2007003231A

Description

本発明は、光ファイバへの浸水の有無を判定する方法に関する。

光ファイバ内蔵型架空地線（以下、ＯＰＧＷ：OPtical Ground Wireという）は、架空送電線の架空地線の中心部にアルミ管を設けてこのアルミ管内に光ファイバを収容したものであり、既存の送電線網を利用して、光ファイバにより長距離かつ広範囲な大容量の通信システムを構築できる。このため、近年、電力会社においてＯＰＧＷは広く採用され、重要な通信回線として用いられるようになっている。

上記のＯＰＧＷを用いた通信線には冬季に通信障害が発生することがある。その原因は、ＯＰＧＷに外力が繰り返し作用することによって上記アルミ管に疲労破断が生じ、そこからアルミ管内部に浸入した水が冬季に凍結するためであると考えられる。すなわち、アルミ管内へ浸入した水が凍結することにより膨張し、光ファイバに局部的に圧力がかかることに起因して生じた光ファイバの微小な曲げ（マイクロベンディング）によって通信障害が起きると考えられるのである。したがって、通信障害を未然に防止するには、ＯＰＧＷへの浸水箇所を特定してケーブル交換などの対応をとることが必要である。

これに関連して、例えば、特許文献１には、光ファイバに光パルスを入射させることにより発生したラマン散乱光のストローク側と反ストローク側の強度比に基づいて光ファイバの浸水部分と非浸水部分の温度差を測定し、その測定結果に基づいて浸水の有無を検知する方法が開示されている。この方法は、非浸水部分と浸水部分とで日中の温度変動が異なるために両者間に温度差が生じることを前提とするものである。しかしながら、光ファイバに必ずしもそのような温度差が生ずるとは限らず、また、温度差の大きさも環境によって大きく変わるため、特許文献１の方法では、浸水の有無を高い信頼性で検知することは難しいと考えられる。

ところで、非特許文献１には、海底光ケーブルの破損時に、光ファイバ内へ水素分子が拡散することにより、特定波長帯域（１．２４μｍ）の光の伝送損失が増大することが示されている。
特開２００３−２２２５６５号公報波平宣敬、「Ｈ2による損失増加現象と光海底ケーブルの長期信頼性」、NIKKEI ELECTRONICS 1984, 12.3, ｐ.233−248

本発明者は、ＯＰＧＷに浸水が生じた場合にも、水とアルミ管との反応によって水素が発生し、その水素が光ファイバ内へ拡散することにより、非特許文献１に開示されるように波長１．２４μｍでの伝送損失が発生すると考え、そのことを実験的に確かめた。本発明はかかる実験により得られた知見に基づいてなされたものであり、光ファイバへの浸水の有無を的確に判定できるようにすることを目的としている。

上記の目的を達成するため、光ファイバへの浸水の有無を判定する方法であって、
光ファイバの測定対象区間に波長帯域１．２４μｍの光を入射して伝送損失を測定し、この伝送損失が所定の基準値より大きい場合に、前記光ファイバに浸水が発生していると判定し、
前記伝送損失が前記所定の基準値以下である場合に、前記測定対象区間の光ファイバについて、過去の測定データが存在するか否かを判定し、存在すれば、当該過去の測定データ値を用いて、波長帯域１．２４μｍにおける伝送損失を表す理論式に従って伝送損失の将来の時間変化を予測して、当該予測値が所定値に達する時期に前記測定対象区間での伝送損失の再測定を行い、前記過去の測定データが存在しなければ、前記伝送損失の測定後、所定期間が経過した時期に前記測定対象区間での伝送損失の再測定を行い、
前記再測定により得られた伝送損失が、最初の測定により得られた伝送損失よりも増加していれば、前記光ファイバに浸水が発生していると判定することを特徴とする。

また、本発明者が行った試験によれば、前記所定値として、伝送損失初期値より大きく、８．９ｄＢ／ｋｍ以下の値であることが好ましい。この伝送損失初期値は例えば、竣工時データなどから得られる。なお，竣工時測定データがない場合は、伝送損失初期値を例えば０．４２ｄＢ／ｋｍとすることができる。ただし、伝送損失初期値として、各ファイバーの波長特性から算出できる伝送損失値を採用することが望ましい。

また、前記光ファイバは、光ファイバ内蔵型架空地線（ＯＰＧＷ）に内蔵された光ファイバであってもよい。

また、本発明において、前記伝送損失の測定を、波長帯域１．２４μｍの光源を有する反射型故障点評定装置（ＯＴＤＲ）により行うこととしてもよい。ＯＴＤＲを用いることにより、伝送損失の分布を測定できるので、浸水が発生した区間を特定することが可能となる。

また、測定対象である光ファイバの縦断図に、浸水が起きていると判定された区間を重ねて表示させることで、浸水発生区間を一目で把握できるようにすることができる。

また、ＯＴＤＲとしてＲ−ＯＴＤＲを用い、このＲ−ＯＴＤＲで測定した光ファイバの温度に基づいて伝送損失の測定値を補正することで、判定精度をより向上させることができる。

本発明によれば、波長帯域１．２４μｍの光の伝送損失に基づいて、光ファイバへの浸水の有無を的確に判定することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。先ず、本実施形態における光ファイバの浸水判定方法の原理について説明する。本実施形態の光ファイバの浸水判定方法は、波長帯域１．２４μｍの光の伝送損失に基づいて、ＯＰＧＷに内蔵された光ファイバへの浸水の有無を判定するものである。上記したように、ＯＰＧＷの中心部にはアルミ管が設けられ、このアルミ管の内部に光ファイバが保持されている。本発明者は、冬季に通信障害が発生した区間のＯＰＧＷについて、窒素ガス封入試験によりアルミ管の損傷の有無を確認すると共に、反射型故障点評定装置（ＯＴＤＲ）により波長１．２４μｍにおける光の伝送損失を測定した。なお、ＯＴＤＲは、周知のとおり、特定波長の光パルスを光ファイバに入射し、後方散乱光の強度と、この後方散乱光が返ってくるまでの時間から光ファイバの伝送損失特性を測定する装置である。

図１は、ＯＴＤＲによる波長１．２４μｍにおける伝送損失の測定結果の例を示す。図１において、横軸はＯＰＧＷに沿った距離、縦軸は後方散乱光の強度を示しており、グラフの傾きが伝送損失（単位距離当りの減衰量）を表している。このように、ＯＴＤＲによれば、その測定結果から、光ファイバの長さ方向に沿った伝送損失の分布を求めることが可能である。本例では、地点Ａと地点Ｂとの間の区間で通信障害が発生しており、図１（ａ）には地点Ａでの測定結果（地点ＡにＯＴＤＲを設置して地点Ｂに向けて光を入射したときの測定結果）を、また、図１（ｂ）には地点Ｂでの測定結果（地点ＢにＯＴＤＲを設置して地点Ａに向けて光を入射したときの測定結果）を夫々示している。また、本測定は、ＯＴＤＲの光パルス幅を１０００ｎｓと１００ｎｓの２通りで行っており、図１（ａ）及び（ｂ）における上側の曲線が１０００ｎｓの測定結果を、下側の曲線が１００ｎｓの測定結果を夫々示している。

なお、地点Ａと地点Ｂとの間には、複数のケーブル接続ボックスが設けられており、窒素封入ガス試験及びＯＴＤＲによる測定試験は、このケーブル接続ボックスを利用してＯＰＧＷへ窒素を封入し、また、ＯＴＤＲを接続することにより行なった。各ケーブル接続ボックスにはＡ地点側からＢ地点側へ昇順に識別番号が付されており、図１には一部のケーブル接続ボックスの識別番号を該当位置に表示している。

図１から分かるように、Ｎｏ．７地点から約０．２ｋｍだけ地点Ｂ側の地点Ｘと、Ｎｏ．１６地点との間で測定結果の勾配（つまり伝送損失）が大きくなっており、この区間での伝送損失は約８．９ｄＢ／ｋｍであった。正常な光ファイバでの波長１．２４μｍにおける伝送損失初期値は０．４２ｄＢ／ｋｍ程度であるから、８．９ｄＢ／ｋｍもの伝送損失は明らかに異常である。一方、窒素ガス封入試験では、Ｎｏ．１０地点とＮｏ．１６地点との間でアルミ管の損傷が検出された。すなわち、アルミ管の損傷が検出された区間（Ｎｏ．１０〜Ｎｏ．１６）は、８．９ｄＢ／ｋｍの伝送損失が測定された区間（Ｎｏ．７地点〜Ｎｏ．１６地点）に含まれている。このような結果から、波長１．２４μｍにおける８．９ｄＢ／ｋｍという大きな伝送損失は、アルミ管の損傷箇所での浸水により発生した水素に起因するものと推測できる。

そこで本実施形態では、ＯＰＧＷの伝送損失をＯＴＤＲで測定し、その伝送損失が所定の基準値以上である区間において浸水が発生していると判定する。ここで、基準値としては、例えば、上記測定結果で得られた８．９ｄＢ／ｋｍを上限とし、正常な光ファイバにおける１．２４μｍ帯域における伝送損失初期値を下限として、これらの間の値（０．４２ｄＢ／ｋｍより大きく、８．９ｄＢ／ｋｍ以下の値）を適宜選択して用いる。なお、伝送損失初期値は、例えば、竣工時測定データなどから得られるが、竣工時測定データがない場合は、伝送損失初期値として、各ファイバの波長特性から算出できる伝送損失値を採用することが望ましい。本実施形態では、伝送損失初期値として０．４２ｄＢ／ｋｍを用いることとした。

ところで、ＯＰＧＷに浸水が発生した場合には、アルミ管を構成するアルミニウムと水との反応により水素が発生し、この水素が光ファイバ内へ拡散して波長１．２４μｍにおける伝送損失が増大するという過程を経る。このため、浸水が発生してから波長１．２４μｍにおける伝送損失が増大し始めるまでには、ある程度の期間がかかる。

図２は、このことを説明するための図であり、ＯＰＧＷへの浸水量と波長１．２４μｍにおける伝送損失の時間変化を模式的に示している。同図に示すように、アルミ管の損傷等により浸水が始まった後、浸水量は次第に増加し、ある期間が経過すると、浸水箇所から外部へ水が抜けることなどにより浸水量は減少する。伝送損失は、このような浸水量の変化に対して遅れた変化を示し、ＯＰＧＷへの浸水が起きてから、ある程度の日数経過した時点で伝送損失が増加し始める。

したがって、ＯＰＧＷへの浸水発生直後に伝送損失を測定した場合には、浸水しているにもかかわらず伝送損失が小さく、伝送損失の絶対値のみでは浸水の発生を検知できないことがある。そこで、本実施形態では、以下に述べるように、伝送損失の絶対値を用いるだけでなく、伝送損失の測定値が基準値に達しない場合にも、浸水発生からの経過日数と伝送損失との関係を推測し、伝送損失が増加し始めると予測される時間が経過した後に再測定することにより、浸水発生の有無をより正確に判定できるようにしている。ここで、浸水発生からの経過日数と伝送損失との関係を推測するために本発明者が行った手法について説明する。

先ず、実験用のアルミ管（ＯＰＧＷのアルミ管から光ファイバユニットを撤去したもの）に水を入れ、ガスクロマトグラフ分析により発生水素量を測定し、アルミ管寸法等に基づいて、アルミ管内面からの発生水素量を求めた。

この値を、水素発生量を示す式

（ただし、C：定数，E：活性化エネルギー，R：気体定数：T：絶対温度，
t：時間，β：時定数である。）
に当てはめることにより、この式（１）における時定数β及び速度定数

を決定した。
これらを式（１）に代入することにより、本試験において水素発生量を表す次式（２）を得た。

一方、波長１．２４μｍにおける伝送損失を表す理論式は次式（３）の通りである。

（ただし、R：気体定数，T：絶対温度，p：水素分圧(atm)である。）

式（３）における水素分圧ｐは、式（２）で求められる水素発生量λに比例し、その拡散状態に反比例するので、水素発生箇所、アルミ管への浸水量、及び水素の拡散長さについて幾つかのケースを仮定し、各ケースについて、式（３）に基づいて、浸水発生からの経過日数と波長１．２４μｍにおける伝送損失との関係を、各種温度ごとに計算で求めた。例えば２３℃についての結果を図３に示す。

図３に示すように、仮定したケースによって伝送損失特性は大きく異なるが、最も損失増加の度合いが大きいケースＶの場合、浸水から約３０日で４ｄＢ／ｋｍ、約５０日で８ｄＢ／ｋｍ程度に達している。したがって、現時点で浸水が起きているとすれば、例えば現時点から３０〜５０日後には、伝送損失は確実に増大していることになる。したがって、現時点で伝送損失の測定値が小さい場合にも、例えば３０〜５０日後に再測定することにより、浸水発生をより正確に検知できることになる。

なお、上記のように、波長１．２４μｍでの伝送損失は理論的には式（３）で計算できる。したがって、時期が異なる複数回の伝送損失の測定値が得られていれば、それらの測定値を式（３）に当てはめることにより、式（３）における各係数の値を算定し、将来の伝送損失の時間変化を推定できる。したがって、このように複数回の測定値が得られる場合には、それら測定値と理論式とに基づいて推測される伝送損失が所定値（例えば８ｄＢ／ｋｍ）に達する時期を求めて、この時期に再測定を行うようにしてもよい。

以下、本実施形態におけるＯＰＧＷの浸水発生検知方法の具体的な内容を説明する。
図４は、本実施形態におけるＯＰＧＷの浸水発生検知方法のフローチャートである。また、図５は、本実施形態においてＯＰＧＷの浸水発生方法を実施している様子を示す図である。

先ず、図５に示すように、測定対象区間のＯＰＧＷ５０の光ファイバに、鉄塔５２に設置された接続ボックス５４から、延長用ファイバ５６を介してＯＴＤＲ５８を接続し、このＯＴＤＲ５８により波長帯域１．２４μｍの光をＯＰＧＷ５０の光ファイバへ入射することにより伝送損失の測定を行う（図４のＳ１００）。なお、電気所に設置された光ファイバ接続箇所から延長用ファイバを介してＯＴＤＲを接続してもよい。また、ＯＴＤＲ５８はその測定距離範囲を選択できるようになっており、測定対象区間の長さに応じて測定範囲を適宜選択しておくものとする。次に、Ｓ１００で得られた測定結果に基づいて、伝送損失が第１の所定の基準値Ｓ_Ｌ（例えば、正常な光ファイバの伝送損失初期値０．４２ｄＢ／ｋｍ）より大きい区間が存在するか否かを判定する（Ｓ１０２）。その結果、伝送損失が基準値Ｓ_Ｌよりも大きい区間が存在しなければ浸水は起きていないと判断する（Ｓ１０４）。一方、伝送損失が基準値Ｓ_Ｌよりも大きい区間が存在する場合は、その区間の伝送損失が第２の所定の基準値Ｓ_Ｈ（第１の基準値Ｓ_Ｌよりも大きく、かつ、上記測定試験で得られた８．９ｄＢ／ｋｍ以下の値）よりも大きいか否かを判定する（Ｓ１０６）。その結果、伝送損失が基準値Ｓ_Ｈより大きければ、当該区間において浸水が発生していると判断する（Ｓ１０８）。

また、上記Ｓ１０６において、伝送損失が第２の基準値Ｓ_Ｈより大きい区間が存在しない場合は、伝送損失の測定データを蓄積管理するデータベースを参照するなどにより、過去の測定データを取得し（Ｓ１１０）、測定対象区間についての過去の測定データが存在するかどうかを判定する（Ｓ１１２）。その結果、過去の測定データが存在すれば、過去の測定データと今回の測定データとを上記式（３）に当てはめることより将来の伝送損失の変化を推測し、その伝送損失が所定値（例えば８ｄＢ／ｋｍなど）に達する時期を求めて、その時期に伝送損失を再測定する（Ｓ１１４）。一方、過去の測定データが存在しなければ、上記図３のように予測される各ケースについての伝送損失の時間変化のうち、伝送損失の上昇が最も速いケース（図３ではケースＶ）について伝送損失が所定値（例えば８ｄＢ／ｋｍなど）に達する日数（図３の例では５０日）を求め、この日数経過後に再測定を行う（Ｓ１１６）。そして、Ｓ１００における最初の測定により得られた伝送損失と、Ｓ１１４又はＳ１１６における再測定により得られた伝送損失とを比較し（Ｓ１１８）、再測定時に伝送損失が増加している区間があれば、その区間に浸水が発生していると判定し（Ｓ１２０）、増加している区間がなければ測定対象区間において浸水は発生していないと判定する（Ｓ１２２）。

以上説明したように、本実施形態では、通信障害が発生したＯＰＧＷを用いた試験により、浸水が発生したＯＰＧＷでは波長１．２４μｍにおける光の伝送損失の増加が顕著であるとの知見に基づいて、この伝送損失の測定値が所定の基準値以上であるかどうかに基づいて、浸水発生の有無を判定することができる。さらに、浸水発生から伝送損失の増加までに時間遅れがあることを考慮して、伝送損失の測定値が基準値より小さい場合にも、伝送損失が所定値に達すると予測される時点で再測定を行って伝送損失が増加しているかどうかを判定することにより、浸水発生の有無をより的確に判断することができる。その際、伝送損失の過去の測定データが得られる場合には、式（３）を用いることにより、将来の伝送損失の変化予測をより正確に行うことができる。

図６は、本実施形態における浸水判定結果の表示方法の一例を示す。同図に示す例では、ＯＰＧＷの縦断図のうえに、浸水が生じていると判定された区間を重畳して図示している。なお、同図の例では、表示の都合上、浸水区間を太線で表示しているが、実際には適宜なカラー表示でより見易く表示できる。ＯＴＤＲによれば、光ファイバに沿った伝送損失の分布を測定できるので、上記した浸水判定手法により、ＯＰＧＷのどの区間で浸水が発生しているかも判定できる。したがって、図６に示すように、ＯＰＧＷの縦断図に浸水発生区間を重畳させて表示することにより、どの区間のＯＰＧＷに浸水が生じているかを一目で把握することができる。

なお、上記式（３）の右辺に絶対温度Ｔが含まれていることから分かるように、波長１．２４μｍにおける伝送損失は光ファイバの温度に依存して変化する。したがって、ＯＴＤＲとして光ファイバの温度を測定可能なラマンＯＴＤＲ（Ｒ−ＯＴＤＲ）を用い、光ファイバ温度に基づいて伝送損失の測定値を修正することにより、温度の影響を受けずにより正確に浸水を判定することが可能となる。

また、上記実施形態では、ＯＴＤＲを用いることで、ＯＰＧＷに沿った伝送損失の分布を測定し、これに基づいて、浸水発生箇所を特定することが可能となっている。しかしながら、測定区間内での水素発生の有無のみを検知できればよく、測定区間内における水素発生箇所まで特定する必要がなければ、ＯＴＤＲに限らず、透過光の減衰量に基づいて浸水発生を検知することも可能である。すなわち、測定対象区間のＯＰＧＷの一端から１．２４μｍ波長帯域の光を入射し、測定対象区間の他端で光強度を検出することにより減衰量を測定し、その減衰量を測定対象区間長で割ることにより伝送損失を求めて、この伝送損失に基づき上記実施形態と同様にして浸水の有無を判定するのである。

図７は、本発明に係るシステムの一実施形態であるＯＰＧＷの浸水判定システム１０のブロック構成図である。同図に示すように、本実施形態の浸水判定システム１０は、伝送損失測定部としてのＯＴＤＲ１２と、このＯＴＤＲ１２に接続された処理装置１４とを備えている。ＯＴＤＲ１２は波長１．２４μｍの光源を有しており、この波長帯域での光ファイバの伝送損失を測定する機能を有している。処理装置１４は、ディスプレイ装置１６を備えるコンピュータシステムにより構成されており、ＯＴＤＲ１２から適宜な入出力インターフェイスを介して伝送損失の測定データを取得するデータ取得部１８と、伝送損失の測定データに基づいて浸水の有無を判定する浸水判定部２０と、浸水判定部２０による判定結果を前記ディスプレイ装置１６に表示する結果出力部２２とを備えている。これらデータ取得部１８、浸水判定部２０、及び、結果出力部２２は、処理装置１４のＣＰＵがプログラムを実行することにより実現される。浸水判定部２０は、上記図４に示すフローチャートのＳ１０２〜Ｓ１０８と同様にして、伝送損失の測定値と所定の基準値とを比較し、伝送損失の測定値が基準値よりも大きい区間がある場合に、その区間で浸水が発生していると判定する。また、処理装置１４は、その記憶装置にＯＰＧＷの縦断図のデータを記憶しており、結果出力部２２はこの縦断図のデータを読み出してディスプレイ装置１６に表示させると共に、浸水判定部２０により浸水が発生していると判定された区間を縦断図に重畳させて表示させる。

ＯＴＤＲによる波長１．２４μｍにおける伝送損失の測定結果の例を示す図である。ＯＰＧＷへの浸水量と波長１．２４μｍにおける伝送損失の時間変化を模式的に示す図である。浸水発生からの経過日数と波長１．２４μｍにおける伝送損失との関係の例を示す図である。本発明の一実施形態におけるＯＰＧＷの浸水判定方法のフローチャートである。本実施形態においてＯＰＧＷの浸水発生方法を実施している様子を示す図である。本発明による浸水判定結果の表示方法の一例を示す図である。本発明の一実施形態であるＯＰＧＷの浸水判定システムの構成図である。

符号の説明

１０浸水判定システム
１２ＯＴＤＲ
１４処理装置
１６ディスプレイ装置
１８データ取得部
２０浸水判定部
２２結果出力部
５０ＯＰＧＷ
５８ＯＴＤＲ

Claims

光ファイバへの浸水の有無を判定する方法であって、
光ファイバの測定対象区間に波長帯域１．２４μｍの光を入射して伝送損失を測定し、この伝送損失が所定の基準値より大きい場合に、前記光ファイバに浸水が発生していると判定し、
前記伝送損失が前記所定の基準値以下である場合に、前記測定対象区間の光ファイバについて、過去の測定データが存在するか否かを判定し、存在すれば、当該過去の測定データ値を用いて、波長帯域１．２４μｍにおける伝送損失を表す理論式に従って伝送損失の将来の時間変化を予測して、当該予測値が所定値に達する時期に前記測定対象区間での伝送損失の再測定を行い、前記過去の測定データが存在しなければ、前記伝送損失の測定後、所定期間が経過した時期に前記測定対象区間での伝送損失の再測定を行い、
前記再測定により得られた伝送損失が、最初の測定により得られた伝送損失よりも増加していれば、前記光ファイバに浸水が発生していると判定することを特徴とする光ファイバの浸水判定方法。
前記所定の基準値は、伝送損失初期値より大きく、８．９ｄＢ／ｋｍ以下の値であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバの浸水判定方法。
前記光ファイバは、光ファイバ内蔵型架空地線（ＯＰＧＷ）に内蔵された光ファイバであることを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバの浸水判定方法。
前記伝送損失の測定を、波長帯域１．２４μｍの光源を有する反射型故障点評定装置（ＯＴＤＲ）により行うことを特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載の光ファイバの浸水判定方法。
前記ＯＴＤＲとしてＲ−ＯＴＤＲを用い、このＲ−ＯＴＤＲで測定した光ファイバの温度に基づいて測定値を補正することを特徴とする請求項４記載の光ファイバの浸水判定方法。
前記ＯＴＤＲにより測定される伝送損失に基づいて、浸水が発生している区間を判定することを特徴とする請求項４又は５記載の光ファイバの浸水判定方法。
測定対象である光ファイバの縦断図に、浸水が起きていると判定された区間を重ねて表示させることを特徴とする請求項６記載の光ファイバの浸水判定方法。