摘要：OPGW线路沿途遭受外部异常温度、线路短路温升甚至火灾破坏等各类热故障、热灾害时，都会给电网的安全稳定运行造成极其严重后果，本文就基于单模DTS的OPGW线路热故障在线监测技术开展研究，实现在线监测、及时发现、消除隐患、定位排除电力线路的热故障和隐患。
关键词：OPGW；热故障；单模DTS；在线监测
一、背景概况
电力网和通信网的“双网融合、信息能源同步”已成为智能电网主要趋势。集输电网地线和电力通信功能为一体的光纤复合架空地线光缆（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire， OPGW），在电力线路中得到大量应用。OPGW线路的安全稳定运行将直接影响到电力系统的安全稳定运行。一旦线路沿途遭受外部异常温度、线路短路温升甚至火灾破坏等各类热故障、热灾害时，都会给电网的安全稳定运行造成极其严重后果，因此需要在线监测、及时发现、消除隐患、定位排除电力线路故障。
由于输电线路温度监测的重要性，传统的人工巡视或电学传感器的方法受到环境、人力诸多方面的限制。随着光纤传感技术的迅速发展，相比于传统传感技术，光纤传感具有的无源、线型、抗电磁干扰、耐候性好等独特的优势，开始引起电力行业技术界的关注。
二、技术原理
光纤传感技术是以光波作为感知载波，光纤为传输介质，传输和感知外界信号一体化实现的一种新型传感技术，已在各领域相继被应用。其中的线性分布式光纤传感技术的原理如下图1所示，通过对长距离光纤注入光脉冲后，监测光纤中的后向散射光信号，就可以实现对光纤敷设沿途的温度、弯曲、振动等外部物理参数分布以及事件位置Z的在线定位监测。
基于不同的散射光的光学物理特性，线性分布式光纤传感技术可分为三类：（1）基于布里渊散射的线性分布式光纤传感技术（主要用于分布式温度与变形的监测）；（2）基于拉曼散射的线性分布式光纤传感技术（主要用于分布式线型测温）；（3）基于瑞利散射的线性分布式光纤传感技术（主要用于通信光纤的故障定位）[1]。基于不同的散射光物理特性的光纤传感原理如图2所示：
综上所述，其中基于布里渊散射效应的分布式光纤传感技术（BOTDR），其特点是可同时监测单模光纤的温度与应力参数，目前电力单位已有应用BOTDR监测OPGW的冰挂灾害的案例。但也存在费用较贵的问题，不太利于大量推广。
另基于拉曼散射的线性分布式光纤传感技术（ROTDR），其专门用于高精度监测光纤的温度分布值，且成本仅为BOTDR的1/4，特别适合应用于大面积监测电缆、排管、电缆桥架等场景的热故障[2]。但是目前的ROTDR基本是基于大数值口径的多模规格光纤的。而OPGW线缆中的通信光纤均为单模光纤构成。因此在电力OPGW线路上，无法直接应用具有低成本优势的多模光纤拉曼散射测温技术（ROTDR）。
三、技术研究
由于单模光纤具有纤芯极细，数值孔径极小，传输模式单一等特点，若直接应用多模光纤拉曼散射测温技术（ROTDR），系统就会产生后向拉曼散射光信号及其衰弱、光信号发生偏振态失真、探测距离锐减等问题。
为此，我们开发了基于单模光纤拉曼散射效应的分布式光纤测温装置，其工作原理如图3所示：
当激光器发出的脉冲激光信号至偏振控制器时，偏振控制器对脉冲信号激光进行解偏振控制，经波分复用器向参考单模光纤和测温光纤发送。波分复用器同时分别采集在参考单模光纤和在测温光纤中产生并经微弱信号探测器放大的后向拉曼散射信号，经控制电路处理转化成数字信号，由于斯托克斯光信号与温度无关，反斯托克斯光信号则受到光纤外部温度的调制，通过差分运算处理，即得出测温光纤沿线的温度场分布。
经上海电缆研究所对本“单模光纤拉曼散射效应的分布式光纤测温装置”，在OPGW线缆的单模光纤上的测温效果比照实验分析，温度误差值在±0.5℃范围内，见下表1。
四、技术小结
本论文研究的“单模光纤拉曼散射效应的分布式光纤测温装置”，实现直接应用OPGW电缆中的单模通信型光纤，对线路沿途外部环境温度分布以及热故障进行在线定位监测的目的。
当OPGW电缆线路沿线发生火灾或其他热故障时，受到火灾火场或其他热故障的热辐射和热气流作用，其热量通过包裹在上述OPGW电缆的铝钢绞线外包层，传导至OPGW电缆的内部单模通信光纤上，通过基于单模光纤的拉曼散射效应的分布式光纤测温装置监测OPGW电缆线路的外部环境温度分布，根据检测到该温度对应的后向拉曼散射信号的时间可以得到该火灾或热故障发生的地点到本测试装置之间的距离，使得实现快速指引人员进行故障处理。与现有的基于布里渊散射原理对光纤复合架空地线电缆进行测温技术相比，具有结构简单、成本显著降低的优势。
参考文献：
[1] Naus H，Ubachs W.Experimental verification of Rayleigh scattering cross sections[J].Optics Letters，2000，25（5）：347-349.
[2] 彭超，赵健康，苗付贵. 分布式光纤测温技术在线监测电缆温度[J]. 高电压技术，2006，32（8）：43-45.
论文作者:陈晓露1,林亦雷2,吴海生3
论文发表刊物:《电力设备》2018年第14期
论文发表时间:2018/8/17
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