摘要：随着光传感技术的发展，分布式光传感技术的出现，改变了通信光纤单一的通信功能。光纤作为传感器使用，任意一点都是传感单元。通过对光纤里的散射光信息的综合利用，不仅能得到光纤本身的衰耗指数、扰动、故障定位、温度等参数外，还能监测其他多种信息如：地线温度、导线覆冰、风害、杆塔倾斜、雷击、地质灾害等，从而使光缆在监测方面的应用更加广泛。本文对光传感技术在输电线路在线监测中的应用进行探讨。
关键词：光传感；输电线路；在线监测
一、光纤在电力系统监测中的需求
1、对光缆的监测需求
随着光缆长途传输和本地网规模迅速扩大，为了保障通信，提高光缆的可用率，同时弥补维护力量相对不足的缺点，需要及时掌握光缆网的运行状况，及时发现劣化趋势，保障电力光缆全天候正常运行。当光缆出现断纤和光纤劣化时，能够快速响应、准确定位、缩短障碍历时。同时，大量与光缆维护和管理相关的施工、割接、维护等资料信息，都需要利用电子化的手段进行报表记录、处理和查询。因此需要监测光纤衰耗、断纤、光缆质量（弯折、拉力、侧压力）、光缆故障定位信息。在地形地貌复杂，极端气候频发多变地区，还应随时监测光缆的覆冰、扰动等数据，以预防光缆冰灾和风灾的发生。
2、对输电线路的监测需求
输电线路作为电力输送的物理通道，是电网的基本保证和重要组成部分，具有地域分布广泛、运行条件复杂、易受自然环境影响和外力破坏、巡检维护工作量大等特点。需要采用科学的监测手段获取线路运行的关键状态信息，进行线路状态评价、风险评估、故障诊断，实现线路运行状态化和运维智能化，保障线路运行状态的可控、能控、在控，保证线路运行安全。
3、对变电站环境灾害的监测需求
电力系统存在的主要环境灾害包括地质灾害、火灾、风害、外破入侵等需要及时定位处理。可利用光传感技术，进行预警或定位处理。
二、光纤作为传感器的技术及应用
1、光纤传感技术概述及应用场景
光纤中的散射主要有：瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。拉曼散射对光纤温度敏感，所以主要用于分布式光纤温度传感领域。基于瑞利散射和基于布里渊散射的分布式光纤传感技术，都可对光缆扰动进行监测，但其技术特性的区别，决定了最佳的适用范围有所区别。光传感技术的应用场景分为如下三大类：
（1）对电力光缆本体监测（故障识别与定位、应力监测等；
（2）对电力设施监测，包括温度监测、应力监测、放电监测；
（3）对环境监测，包括微气象（温度、适度、风速）、外破、入侵等。
2、基于拉曼散射的分布式光纤温度传感
利用拉曼散射（Raman），可实现对光纤实时、在线、连续温度测量。激光器发出的激光通过光祸合器调制后射入感温光纤中；光脉冲与光纤分子相互作用发生散射，其中拉曼散射对温度敏感；反射回的拉曼散射光通过光谱分离模块分解成与温度弱相关的Stokes散射光和与温度强相关Antistokes散射光；通过对两束光信号进行处理和对比计算得出温度沿光纤的连续分布。基于光时域反射OTDR可以得到拉曼散射光发生的位置，即实现对所有温度点的定位。
3、基于布里渊散射的分布式光纤传感
3.1基于布里渊散射的分布式光纤传感技术简介
布里渊散射光传感主要技术包括BOTDR（布里渊光时域反射）和BOTDA（布里渊光时域分析）两类。但由于其测量时间较长，单次扫描时间至少需要分钟量级，所以其主要的应用领域电力输电线覆冰垂降、摆幅等慢变化的监测。对于通信光缆扰动这样的快速甚至瞬时变化监测效果不佳。
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3.2布里渊散射在线路覆冰中的应用
OPGW覆冰后，OPGW中光纤的应变和温度均会变化，从而导致光纤布里渊频移产生变化，覆冰监测系统通过测量频移大小，再进行转换，便可得到光纤的应变和温度。再通过几何方法将光纤的应变转变为光缆的应变。根据缆线的力学特性可得OPGW缆线所受应力大小。根据施工架设的参数信息可以获得整条线路上
OPGW的初始安装应力和安装时的温度。通过比较覆冰前和覆冰后的参数，即可得出覆冰的厚度。
3.3布里渊散射在杆塔倾抖中的应用
当杆塔由于不平衡张力或地质变化发生倾斜时，其杆塔两侧的水平张力也会随之改变，从而引起光缆里光的布里渊频移，从而算出光纤的应变量。通过缆线所受水平张力和光纤应变量的关系式，可得缆线受力水平。通过分析杆塔两侧的张力变化，并结合状态方程可以判断监测杆塔的倾斜状态。
3.4布里渊散射在线路雷击中的应用
当落雷击中OPGW地线时，OPGW表面产生雷击电流并感应出磁场强度，从而激励OPGW光纤中的光偏振态发生改变。监测系统通过对光布里渊偏振态的角度变化量进行提取和分析，利用法拉第磁光效应，通过建立光学参量和OPGW地线方向的磁场强度之间的关系，就能够准确获得完整的雷电全波波形所对应的光传感信号，从而判断出雷击事件，进行雷击或闪络故障判别、雷击故障点精确定位、杆塔档距落雷数量统计、雷击数据曲线图等。另外一种测量雷击的方法是：雷击对OPGW的烧蚀作用会导致受雷位置温度骤升，并在几分钟内温度恢复正常状态，以此特征判别和定位雷击事件。
3.5布里渊散射在地质灾害中的应用
通过在被监测对象表面或内部敷设特种应力光缆，监测设备射入脉冲激光至应力光缆中，通过解析光缆内部后向布里渊散射光参量，可以得出输变电设备基础及周边的地质变化情况和监测数据，如基础沉降、形变位移、地表裂缝、山体滑坡、泥石流等，为电力系统用户提供输变电设备所处环境的地质变化状态信息和预警信息，为灾害预防提供数据技术支撑。
4、基于瑞利散射的分布式光纤传感
4.1基于瑞利散射的分布式光纤传感技术简介
基于瑞利散射的OTDR技术较为成熟，常用于识别和定位光纤线路中的衰耗、端点、熔接点、连接头、断点、微弯等。基于瑞利散射的另一种分布式光纤传感OTDR技术，可以对几十千米的光缆全线实现亚秒量级扫描速度。其主要的应用领域在光缆扰动监测、光缆故障定位、风害等变化较J决等方面的监测。
4.2瑞利散射在光纤扰动监测中的应用
当光缆某位置发生振动时，该位置的光纤会发生应力形变，从而导致该处折射率发生改变，最终导致该处光的相位发生改变。因此，返回的发生干涉的瑞利后向散射光光强因为相位的改变而发生改变，通过与未发生振动检测到的信号进行比较，最终找出光强变化的时间对应振动的确切位置。
4.3瑞利散射在光缆故障定位中的应用
光纤不同位置产生的瑞利后向散射光受到该位置外界振动信号的扰动。通过光脉冲发射时间与接收到的瑞利后向散射光之间的时间差，即可计算出扰动点到设备光纤出口之间的距离，从而获知光纤沿线不同位置处的振动情况，进行光缆故障点的J决速寻找定位应用，精度可达到2-3m。由于系统使光缆拥有了很高的振动灵敏特性，可实现不开井（或开挖），直接地面敲击定位测试位置光缆，则对实际故障点的确认效率非常高。
4.4瑞利散射在风害监测中的应用
风吹向缆线，会使缆线背向产生卡门涡街，卡门涡街脱离缆线会使光缆产生振动，缆线振动会使内部光纤折射率发生改变，光纤折射率变化会使内部后向瑞利散射光强发生改变，通过监测后向瑞利散射光强可对风速进行监测。
结束语
目前光传感还没有普遍应用于电力系统，其性能与架构还未与电力系统需求完全贴合。光传感厂商需根据电力系统的需求，进行光传感综合平台的开发，对光缆进行综合性监测，告别单一设备测单一光缆性能的模式，同时增加光传感器能监测的距离，结合最新的光传感技术开发出更加丰富高效的综合监控平台。
参考文献：
[1]朱一峰，田霖，林睿，等.输电线路光缆融冰监测技术及其在融冰精确控制中的应用方案探讨[J]电力光缆建设运维技术
[2]郝佳恺，赵广怀，高鹏，等.利用分布式光纤扰动监控装置提高光纤运维水平阴[J]电力光缆建设运维技术.
论文作者:胡登山
论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期
论文发表时间:2020/4/7
标签：光纤论文; 光缆论文; 温度论文; 布里论文; 缆线论文; 技术论文; 线路论文; 《基层建设》2019年第32期论文;