光纤光栅技术-新型的架空输电线路状态监测技术

1、光纤光栅 新型的架空输电线路状态监测技术中天日立光缆 栗鸣2021年9月 广东东莞 报 告 内 容一、架空输电线路对状态监测的需要二、现行在线监测手段的缺点三、各光纤传感技术比较四、光纤光栅在架空输电线路应用案例 一、架空输电线路对状态监测的需要有利于实时掌握线路的平安运行状态；有利于实时控制线路电流；有利于提高线路输送容量；为在线融冰、融雪提供依据。二、现行在线监测手段的缺点二、现行在线监测手段的缺点目前我国架空输电线路上采用的覆冰监测系统(或线路状态监测系统)多为：导线状态监测 +/或 环境视频监控(视频图像法)+GSM/GPRS无线信号传输。但此系统的缺乏之处在于：电子线路的传感器易受温

2、度、压力、强电磁环境影响；视频监控系统易受大气环境影响；系统价格昂贵；运营维护费用偏高，每年支付巨额无线数据费。三、各光纤传感技术比较目前，技术更先进的光纤传感技术逐步应用于电网输变电设备温度、应力等参量的在线监测。光纤传感器的根本原理是将被测参量转换为光信号参数的变化。在众多的光纤传感器类型中，可大规模组网应用的光纤传感技术主要有3种：布里渊散射(B-OTDR/B-OTDA布里渊光时域反射仪/布里渊光时域分析仪)；拉曼散射(DTS分布式光纤测温仪)；光纤布拉格光栅(FBG)。前二种属于连续分布式光纤传感技术，第三种属于准分布式光纤传感技术。三、各光纤传感技术比较B-OTDR/B-OTDADT

3、SFBG三、各光纤传感技术比较3.1 B-OTDR/B-OTDA光纤的激光散射类型B-OTDR利用的是光纤的自发布里渊散射原理，系统从一端输入泵浦脉冲，在同一端检测返回信号的散射光频移。使用方便，但自发布里渊散射信号很微弱，检测困难。B-OTDA利用的是受激布里渊散射原理。系统中，处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光(泵浦光)与一连续光(探测光)注入传感光纤。利用受激布里渊散射效应，散射光强度更强。三、各光纤传感技术比较B-OTDR(B-OTDA)不适宜用于架空输电线路的应力监控由于B-OTDR同时具备温度和应力测试两大功能，许多人尝试将此项技术应用于对架空线路的导线或地线的温度和应力进行

4、监控。其设想是，将B-OTDR与OPPC或OPGW内的光纤组成测试系统，通过监测光纤的应力变化，从而推算出导、地线的应力变化和覆冰厚度，为输电导线或地线融冰提供理论依据。我们试图从以下原因来解释这个设想在实际中很难实现。 从光纤强度理论上不可行光纤的使用寿命与其在寿命期间里所受到的外力的大小有密切关系。如果将OPPC中的光纤作为受力元件每天检查其应力变化，是很难保证其30年的使用寿命的。 从制造工艺上不可行通常对OPPC(OPGW)的光纤余长要求是6-7。以目前的制造工艺还无法保证架线完毕后光纤变为“0余长满足B-OTDR应力测试要求。因此，B-OTDR 只能用于输电导线或地线的测温，而不能用

5、于测应力。三、各光纤传感技术比较3.2 DTS该项技术早在上世纪90年代初就已商品化。DTS技术利用的是自发拉曼散射过程中产生的反斯托克斯光与斯托克斯光的强度之比。与受激布里渊散射类似，在拉曼散射中，当入射光的功率超过某一阙值时，开始出现受激拉曼散射。受激拉曼散射现象决定了DTS系统的最大入射光功率，也同时限制了DTS系统的监测距离，由于架空输电线路距离比较长，而目前最先进的DTS测试距离也只有20多公里，因此DTS在架空输电线路上推广有长度限制。三、各光纤传感技术比较3.3 光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯上形成具

6、有周期性折射率分布的光栅，其作用实质是在纤芯内形成一个窄带的反射镜，可通过掩膜效应将入射宽带光谱中满足布拉格条件的窄带光反射回光入射的方向。当光纤光栅感受到外界环境温度发生变化T或应变变化时，不仅会引起光栅周期的变化，而且还会引起有效折射率neff的变化，从而引起反射光波长的偏移，这就是光纤光栅传感的根本原理。B = 2neff三、各光纤传感技术比较3.4 光纤布拉格光栅的制作目前常见的、成熟光栅照射工艺过程如下：载氢。将单模光纤放入气压为15-20MPa、温度为60-75的氢气中10-14天，使氢气以分子形态扩散入光纤的芯区；剥纤。剥除光纤一次被覆层长度约20mm；刻栅。紫外激光通过相位掩膜

7、板在光纤纤芯上形成间距为的光条纹，载氢光纤在受到紫外光照射的时候引起氢气与掺锗石英玻璃之间的化学反响，形成Ge-OH和Ge-H键，从而使该局部的折射率发生永久性的增加；二次涂覆。用光纤涂料将光栅剥离处再次涂覆防止脆断或选择适宜的封装方式。也可视光栅的使用目的和场合选择是否对光栅进行二次涂覆；去氢。将光栅在120的高温箱中放置1天，使光纤中未反响的氢气完全挥发掉，防止剩余氢气继续反响。三、各光纤传感技术比较1先进的光纤光栅传感技术与OPPC光缆制造技术集成，解决了野外恶劣气象条件和强电磁干扰环境下输电线路传感测量与远距离信号传输问题，长度可达100km左右；2输电线路导线温度及应力远程在线监测，

8、为线路融冰和提升现有导线载流能力提供数据支持。基于OPPC的输电线路平安监测信息管理系统三、各光纤传感技术比较原理类型测试距离精度反应时间应力监测温度监测光纤类型价格B-OTDR/B-OTDA分布式*长一般慢不可可单模高DTS分布式*短一般慢不可可多模高(10km-20km)低(小于10km)光纤光栅准分布式*长高快可可单模适中* 分布式：光纤上任一段长度(通常为13米)；准分布式：光栅测试点非连续。各种光纤传感技术应用于架空输电线路的优缺点比较利用光纤光栅传感技术与OPPC、OPGW制造技术相结合对架空输电导线、地线温度和应力进行监控。传感OPPC示意图及照片四、光纤光栅运用实例技术对于OP

9、GW来说，出于节能及直流融冰的需要，正在研究和推广使用分段绝缘技术将OPGW由逐塔接地变为分段绝缘。以前的线路安装方法仅能对导线进行大电流直流融冰，而此时由于OPGW覆冰后弧垂增加，与导线的平安距离不够，虽然导线已融冰了但线路依然不能送电。OPGW分段绝缘使得对地线大电流直流融冰成为可能。在对OPGW进行大电流直流融冰时也必须监测OPGW的温度，这是因为，在OPGW分段绝缘区域的各处覆冰情况并不一样，防止无冰或少冰的OPGW在融冰时由于温度过高损坏光纤，因此，应在整个融冰过程对OPGW的温升进行实时监控。四、光纤光栅运用实例技术光栅应力传感器以下图为用于OPPC应力在线监控的某型号光纤光栅应力

10、传感器。该型号光栅传感器在受力时，可以看出光栅平均值与导线应力值变化在0到300kN范围内呈良好的线性关系，可准确的测量导线的应力变化。光纤光栅应力传感器光栅传感器受力时波长变化值与拉力的关系四、光纤光栅运用实例技术220kV屯大线覆冰改造工程中天在探索基于FBG光纤传感技术监测架空输电线路温度和应力的研究。2021年12月9日，贵州电网220kV屯大线OPPC温度及应力监控系统建设已经顺利通过业主验收，线路投入运行，温度及应力监控系统运行正常。简单介绍如下：本工程将撤除220kV屯大回位于下层横担的B相导线的两根子导线，一根更换为OPPC光缆，另一根更换为新的导线。220kV屯大线原输电导线

11、为钢芯铝绞线LGJ-500/45，因此，与LGJ-500/45相匹配的OPPC型号为OPPC-32B1-500/45。OPPC内光纤芯数为32芯，其中24芯通信光纤、8芯温度和应力监测光纤。位于变电站通信机房内的监控系统显示屏可即时显示导线内光栅点的温度变化及光栅应力传感器所挂档距导线的应力变化。南网电力运管人员亦可通过电力内网以web发布的方式远程读取该即时监控数据或查询所需要的历史数据。四、光纤光栅运用实例技术四、光纤光栅运用实例技术220kV屯大线覆冰改造工程OPPC与LGJ-500/45导线参数比照参数OPPC-32B1-500/45LGJ-500/45直径(mm)30.430.0单位

12、重量(kg/km)16801685.5承载截面积(mm2)536.46531.68计算拉断力RTS(kN)129.1127.31弹性系数(kN/mm2)65.065.9热膨胀系数(10-6/)20.920.320直流电阻(/Km)0.05710.0591载流量(70)(环境温度40)696682载流量(90)(环境温度40)10261004四、光纤光栅运用实例技术OPPC-32B1-500/45结构图含光纤光栅OPPC的不锈钢管光单元示意图 LGJ-500/45结构图OPPC上光栅位置标识蓝色涂覆处四、光纤光栅运用实例技术OPPC上光栅位置标识蓝色涂覆处四、光纤光栅运用实例技术光纤光栅温度监测

13、系统示意图 OPPC中的光栅光纤作为传感元件，利用各档距中不同波长的光栅对各个温度监测点温度变化的感知信息，实现对导线各档距的在线温度实时监测，实时反映线路负荷。四、光纤光栅运用实例技术基于光纤光栅的OPPC监控系统界面温度四、光纤光栅运用实例技术光纤光栅应力监测系统示意图 应力监测系统采用光纤光栅应力传感器以及相应软件，实现对架空线的覆冰和弧垂进行监测。四、光纤光栅运用实例技术基于光纤光栅的OPPC监控系统界面应力四、光纤光栅运用实例技术悬垂线夹大截面预绞丝OPPC耐张线夹四、光纤光栅运用实例技术应力传感器、接头盒连接图四、光纤光栅运用实例技术跳线、接头盒连接图四、光纤光栅运用实例技术光纤光

14、栅应力传感器四、光纤光栅运用实例技术跳线、接头盒连接图四、光纤光栅运用实例技术熔接准备1四、光纤光栅运用实例技术熔接准备2四、光纤光栅运用实例技术塔上熔接四、光纤光栅运用实例技术地面光纤熔接四、光纤光栅运用实例技术变电站在线监测设备四、光纤光栅运用实例技术电科院500kV及以上线路 OPPC研制试点工程该试点工程将OPPC应用的电压等级由220kV提升至500kV，由于OPGW的成熟应用，本500kV试点工程主要是研究OPPC应用于500kV输电线路可行性及各种在线监测研究。简单介绍如下：1 模拟架设500kV输电线路单回路，四分裂，并将A相中的1根导线用1根28芯OPPC光缆代替，其中24芯用于通信，4芯用于温度监测。2 两端耐张塔至通信机房架敷设1根28芯ADSS光缆，其中24芯用于系统通信，4芯用于温度监测。3 利用OPPC中的光纤，建设在线温度监测系