[发明专利]测量输电线缆应力的分布式光纤传感装置、系统和方法

说明书

本发明公开了一种测量输电线路中线缆应力的分布式光纤传感装置、系统和方法。装置由光纤、金属柱状结构体、滚轴和各种连接金具组成，再进行封装。将光纤在前后金属柱状结构体或前后滚轴表面绕制数圈，再固定两端，将短距离应变范围增幅到整段绕制的光纤中，匹配分布式光纤传感设备的空间分辨率。该装置用于在输电线路中的耐张杆塔上连接绝缘子和输电线缆，在对长距离输电线缆的应力状态进行分布式传感时，将该装置两端的连接光纤与输电线路中的通信光纤串联起来，使分布式光纤传感设备利用输电线路中的通信光纤即可实现对线路中所有输电线缆应力状态的分布式监测。本发明既有效延长了光纤传感监测的距离，也提高了测量精度。

技术领域

本发明属于电网监测和分布式光纤传感领域，具体涉及一种测量输电线路中线缆应力的分布式光纤传感装置、系统和方法。

背景技术

输电线路覆盖面积广、支撑杆塔多、传输距离长、线路所经地理、地貌、周围环境及气象等条件复杂。因此在运行过程中，输电线路会面临多种恶劣条件的考验，产生杆塔倾斜、异物悬挂、覆冰等多种问题。这些问题会使输电线路受到异常的拉力，甚至会造成输电线缆断裂，引起十分严重的后果。通过监测输电线缆的应力变化，可以有效辅助判断输电线路的状态，保障输电线路的安全运行。传统的监测方式以人工巡查、摄像头等为主要手段。但由于输电线路规模大、长度长、沿线环境复杂，传统方式往往难以对整条输电线路进行全面覆盖，存在许多监测盲区。

为了对输电线路进行更为全面的监测，近年来，分布式光纤传感技术在对于输电线路的监测中受到了极大的关注。目前在部分特高压输电线路中，采用了OPGW(光纤复合架空地线)作为地线。由于该线缆中集成了通信光纤，人们利用分布式光纤传感设备与OPGW中的光纤相连，即可实现对OPGW中光纤沿线各个位置状态的监测，进而反映OPGW线路的状态。但在该方法中，分布式光纤传感设备测量得到的是OPGW线路的状态，而由于输电线路中的相线通常不含光纤，该方法无法直接测量到相线的状态，仅能通过对OPGW线路状态的测量间接估计相线的状态，具有很大的误差。

发明内容

发明目的：为了克服输电线路中的相线不含光纤，无法用分布式光纤传感设备对其应变状态直接进行监测的问题，本发明提出一种测量输电线路中线缆应力的分布式光纤传感装置、系统和方法，可通过分布式光纤传感设备对输电线路的相线上所受的应力进行长距离的分布式传感。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种测量输电线路中线缆应力的分布式光纤传感装置、系统和方法，具体如下：

分布式光纤传感设备通过测量光纤中的布里渊散射信号实现对光纤应变的测量。由于布里渊散射是非弹性散射，光纤中后向布里渊散射光的中心频率和入射光的中心频率存在11GHz左右的频差，即为布里渊频移。当光纤中产生应变时，由于弹光效应和热光效应，光纤的折射率将发生改变，同时光纤本身的杨氏模量、泊松比和密度也发生了变化，引起了光纤中布里渊频移的变化。普通单模光纤中布里渊频移量和应变满足一定的线性关系，应变-布里渊频移系数为4.98MHz/100με，通过监测布里渊频移量的变化来测算出光纤中产生的应变大小。

系统能准确监测应变变化的最短光纤长度即为空间分辨率。若在短于空间分辨率的光纤长度上发生应变变化，则系统监测得到的应变值小于实际应变变化。整个应变监测系统中，探测光脉冲宽度、光电探测器响应时间、带通滤波器带宽和采集速率等因素均会影响空间分辨率。不考虑其他因素仅仅以探测光脉冲宽度为例，若入射至传感光纤的矩形探测光脉冲宽度为τ，忽略光纤中的色散，系统的空间分辨率可以表示为：δL＝τc/2n，c为光在真空中传播的速度，n为普通光纤的纤芯折射率。由上式可以看出脉冲宽度越窄，空间分辨率越高，然而，由于布里渊增益谱特性受光纤中声子特性影响，脉冲宽度不能无限减小，当小于声子寿命10ns时，布里渊增益谱会急剧展宽，使得布里渊散射信号的有效功率淹没于噪声中，而且，在进行长距离传输时，脉冲光不能很窄。所以为了满足系统空间分辨率的限制，在相同的距离内将外界的应变事件横向叠加在一起，来延长光纤上的应变距离，从而匹配系统的空间分辨率，提高了监测精度。