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      分布式光纖測振系統用于高壓輸電線路舞動監測

        2021年01月25日  

      文章來源:恩艾NI知道 微信公眾號

      項目背景

        輸電塔線體系是高負荷電能輸送的載體,是重要的生命線工程。除地震荷載外,這種體系對風、雨、覆冰等環境荷載的作用響應敏感,容易發生振動疲勞損傷和極端條件下的動態倒塌破壞,尤其高壓線路的舞動會導致電弧燒傷、金具損壞、倒塔等危害,傳統的舞動監測方案是侵入式監測,即在輸電線路上布置振動傳感器,通過有線的方式連接采集器采集振動,但這種方式成本高、同時也會由于傳感器線纜的脫落帶來次生風險,分布式光纖測振系統通過監測高線輸電線纜OPGW內的一根光纖的舞動,可實時測量整條高壓輸電線路幾十公里的舞動狀態。

      系統原理

        光纖在拉制的過程中,由于熱擾動,使原子得到壓縮性的不均勻或壓縮性的起伏,造成密度的不均勻,從而使得傳輸介質的折射率不均勻。這種不均勻性或起伏在冷卻過程中被固定下來,并且這種不均勻結構的尺寸遠小于入射光波長。傳輸介質折射率的不均勻會導致光在光纖中傳輸時發生瑞利散射。此外,光纖中含有多種氧化物,氧化物濃度的不均勻或起伏也會造成傳輸介質折射率的不均勻,這也會產生瑞利散射。瑞利散射在整個介質空間都有功率分布,存在沿光纖軸向向前或向后的散射,沿軸向向后的散射光稱為瑞利后向散射(或背向散射)。光纖背向瑞利散射光的能量非常微弱,大約只有入射光能量的十萬分之一,同時背向瑞利散射光只改變光在光纖中的傳輸方向,不改變光在光纖中的傳輸頻率以及偏振特性等,因而背向瑞利散射光的偏振方向與頻率和入射光在這一散射點的偏振方向與頻率是完全相同的。

        基于相位敏感的光時域反射型(Φ-OTDR)傳感器與傳統型OTDR最大的不同就是采用了具有窄線寬和低頻率漂移特性相干光源,相應極大地提高了空間分辨率(可達1m)和振動強度分辨率。利用這種散射光的相干性設計出的相位敏感型光時域反射系統,光纖本身既是傳輸媒質又是感知元件,光纖上任意一點都是傳感單元,是一種真正意義上的全分布式光纖傳感器,當光纜某位置發生振動時,該位置的光纖會發生應力形變,從而導致該處折射率發生改變,最終導致該處光的相位發生改變。

        因此,返回的發生干涉的瑞利后向散射光光強因為相位的改變而發生改變,通過與未發生振動檢測到的信號進行比較,最終找出光強變化的時間對應振動的確切位置,同時,結合先進的解調算法光纖輸電線路的振動、溫度、應變等多種參量的同時監測,從而減輕輸電線路不必要的重量,減少輸電系統不必要的設備,實現輸電線路減負及運維管理簡便的目的,大幅增強電網感知的深度和廣度,提升電網交互性、自動化和信息化。

      圖 1 系統原理框圖

        本系統就是基于瑞利背向散射的Φ-OTDR,將頻率為f,脈寬為W的激光脈沖注入測試光纖(其中脈沖頻率f由測試光纖長度決定,脈寬W由系統的空間分辨率決定),瑞利背向散射光攜帶有當前位置處的傳感信息返回到環形器處,進入到光電探測系統進行解析,解析后的電信號送入到解調分析系統做出最終的事件裁決,如圖所示,具體原理如下:在不同時刻,光纖反射回的散射光是由不同位置的光纖散射的,它們相距一定的距離,散射光就有一定的相位差。當光纖收到振動后,其折射率和應變隨之變化,相位差也隨時間變化。因此可以采用光光電轉換系統檢測光纖上不同時刻散射光的相位差,就能檢測光纖上的振動特性,如幅值、頻率及相位變化。

      系統構架

      圖2 光纖測振系統部署

      圖3 硬件實物圖

      圖4 利用NI FlexRIO FPGA實現復雜的光纖解調算法得到振動信息

      圖5 軟件展示及系統指標

      系統優勢

        1.非侵入監測方式,對線路無任何影響;
        2.分布式測量,一條光纖可以監控整條線路;
        3.儀器可靠性高,維護簡單;
        4.監測類型豐富,可取代絕大多數常規在線監測裝置;
        5.與市面類似設備對比,高靈敏度(微弱信號)、高分辨率(0.85m),寬頻帶(0.3Hz~300Hz)

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