一种融合光纤复合相线的温度与应变在线监测装置

1.一种融合光纤复合相线的温度与应变在线监测装置，所述装置包括数据测量与管理平台、监控计算机、OPPC光电缆及其接头盒，其特征在于：所述OPPC光电缆为通过所述接头盒的中间接头盒相连的两个OPPC光电缆，其中一个所述OPPC光电缆的另一端与所述接头盒的终端接头盒连接；
所述终端接头盒另一端通过ADSS电缆分别与所述数据测量与管理平台的应力应变测试仪和分布式温度测试仪连接，所述应力应变测试仪和所述分布式温度测试仪的另一端分别与所述数据测量与管理平台的本地数据服务器相连；所述本地数据服务器的另一端与所述监控计算机连接。
2.如权利要求1所述的一种融合光纤复合相线的温度与应变在线监测装置，其特征在于：所述OPPC光电缆为包括光单元、钢芯和铝线的具有温度和应力应变同时感知的OPPC光电缆；
所述光单元包括光纤、光纤的保护管和保护管内填充的油膏；
所述光单元中内置多模光纤和应力应变监测光纤余长系列；
所述钢芯为铝包钢或镀锌钢；所述铝线为铝合金。
3.如权利要求1所述的一种融合光纤复合相线的温度与应变在线监测装置，其特征在于：所述应力应变测试仪是分布式测量光纤受外力发生形变信息的BOTDR光纤传感器件；
分布式温度测试仪是分布式测量光纤温度信息的DTS光纤传感器件。
4.如权利要求1所述的一种融合光纤复合相线的温度与应变在线监测装置，其特征在于：所述本地数据服务器是记录从所述应力应变测试仪和所述分布式温度测试仪中采集到的应力应变数据和温度数据的服务器。
5.如权利要求1所述的一种融合光纤复合相线的温度与应变在线监测装置，其特征在于：所述ADSS光缆空中挂架或穿埋电缆沟中。
6.如权利要求1所述的一种融合光纤复合相线的温度与应变在线监测装置，所述OPPC光电缆可用于10kv至500kv不同等级的电压。

一种融合光纤复合相线的温度与应变在线监测装置 \n技术领域\n[0001] 本实用新型涉及输变电监测领域的监测装置，具体讲涉及一种融合光纤复合相线(OPPC)的温度与应变在线监测装置。 \n背景技术\n[0002] 随着电网结构的不断优化，输电线路覆盖的区域越来越广，线路的安全运行也面临着更多的问题。外力破坏是电力线路运行事故中最重要的方面，主要的因素是线路风舞、线路覆冰、树枝异物挂接导线等。外力破坏事故容易造成输电线路导线断裂断股、金具损伤破坏、杆塔倾斜倒塌等结果，产生永久性故障而长时间中断线路供电，危害电网安全运行，其危害性和经济损失十分巨大。并且目前运行的输电线路，绝大多数仍然沿用的强线路巡视和事故后进行抢修的传统维护方式，没有采用先进的在线监测手段，这种线路维护方式已经不适合现代社会对供电质量的要求，需要研究替代人力维护线路的自动监测技术。 [0003] 高压电缆的负荷大，发热量高，其表面温度能够比较真实的反映电缆的实际运行情况，如过负荷运行、电缆线路绝缘故障等。基于温度信息对线路进行在线运行实时监测，是实现电缆日常检修与维护、电缆故障预警与诊断、线路事故排查与应急的重要手段。同时，通过电缆温度，结合日照、环境温度和风力等的传感器数据，可精确分析计算电缆的最大允许载流量，为合理配置负荷提供科学数据依据。 \n[0004] 输电线路应变在线监测目前通常采用的是点式应变测量方式，主要是在杆塔架、张力塔联塔金具上敷设应变监测片监测金属体的应力应变程度，从而计算出输电线路的受力变化情况和外力破坏程度。但是调研发现现有的输电线路应变监测装置虽然已有应用，但仍未大面积推广应用，存在测量技术、理论计算和工程造价方面问题。而且在实际应用中，现场气象条件与实验室试验的仿真条件之间存在一定差异，在实际应用中存在着一致性问题。而高压电缆包括电缆和架空导线的温度在线监测通常分散安装各种接触式和非接触式传感器，使用无线通信技术传输信号。现场由于电源、绝缘、通信传输等问题，不易实施。 \n发明内容\n[0005] 为克服上述现有技术的不足，本实用新型提出了一种融合光纤复合相线的温度与应变在线监测装置，所述装置包括数据测量与管理平台、监控计算机、OPPC光电缆及其接头盒，其改进之处在于：所述OPPC光电缆为通过所述接头盒的中间接头盒相连的两个OPPC光电缆，其中一个所述OPPC光电缆的另一端与所述接头盒的终端接头盒连接； [0006] 所述终端接头盒另一端通过ADSS电缆分别与所述数据测量与管理平台的应力应变测试仪 和分布式温度测试仪连接，所述应力应变测试仪和所述分布式温度测的另一端分别与所述数据测量与管理平台的本地数据服务器相连；所述本地数据服务器的另一端与所述监控计算机连接。 \n[0007] 进一步的，所述OPPC光电缆为包括光单元、钢芯和铝线的具有温度和应力应变同时感知的OPPC光电缆； \n[0008] 所述光单元包括光纤、光纤的保护管和保护管内填充的油膏； \n[0009] 所述光单元中内置多模光纤和典型光纤余长定值的应力应变监测光纤余长系列； \n[0010] 所述钢芯为铝包钢或镀锌钢；所述铝线为铝合金。 \n[0011] 进一步的，所述本地数据服务器包括存储数据的数据库和计算光纤的应变数据的应力应变计算模块。 \n[0012] 进一步的，所述应力应变测试仪是测试温度和应变信息的BOTDR光纤传感器件；\n分布式温度测试仪是测试温度信息的DTS光纤传感器件。 \n[0013] 进一步的，所述本地数据服务器是记录从所述应力应变测试仪和所述分布式温度测试仪中采集到的应力应变数据和温度数据的服务器。 \n[0014] 进一步的，所述ADSS光缆空中挂架或穿埋电缆沟中。 \n[0015] 进一步的，所述OPPC光电缆可用于10kv至500kv不同等级的电压。 \n[0016] 与现有装置相比，本实用新型达到的有益效果是： \n[0017] （1）实现一根导线完成测温、应力应变、输电、通信功能，提供线路超温、疲劳断股、纤芯受力等故障预警，提高了OPPC应用的综合性能；同时考虑环境温度、日照强度、风速多种因素对OPPC测温的影响，提高输电线路状态监测系统传感器的性能。 \n[0018] （2）利用ROTDR技术实现OPPC线路的分布式温度监测，在BOTDR测量矩阵数据中减去温度数据，从而去除OPPC线路BOTDR应力应变测量数据中温度影响因素，提高了OPPC线路应力应变测量的准确度。 \n[0019] （3）提出了一种具有温度和应力应变同时感知的新型OPPC光电缆，设计的光电缆预绞了多模光纤和单模光纤实现温度与应变同时检测，在充分考虑电缆线路在生产、运输、安装、运行、检修等各个环节的线路形变量的基础上，制定出一组光纤余长系列评估输电线路健康状况。 \n[0020] （4）提出了完全基于光纤传感的输电线路多种状态监测方案，力图在解决输电线路覆冰、疲劳断股、雷击断股、光纤接头盒纤芯受力性能恶化，以及实现输电线路OPGW、OPPC光电缆的线路舞动、风压拉伸、温升拉伸等情况的在线监测。 \n[0021] （5）基于OPPC的线缆具有良好的耐腐蚀性可提高系统的使用寿命；同时具有良好的热稳定性，保证测温结果的可靠与准确。 \n附图说明\n[0022] 图1是融合光纤复合相线温度与应变在线监测装置图； \n[0023] 图2是集成温度与应变传感功能的OPPC光电缆； \n[0024] 图3是测温应变传感的OPPC示意图； \n[0025] 图4是布里渊测量数据温度消除算法图； \n[0026] 附图标记： \n[0027] 1-OPPC光电缆I；2-OPPC光电缆II，3-中间接头盒；4-终端接头盒；5-ADSS电缆；\n6-应力应变测试仪；7-分布式温度测试仪；8-本地数据服务器；9-监控计算机；10-铝包钢线；11-具有光纤余长光单元（OP）；12-铝线；13-测温多模光纤；14-特定光纤余长；15-特定光纤余长；16-特定光纤余长；17-应力应变计算模块。 \n具体实施方式\n[0028] 下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步的详细说明； [0029] 如图1所示，图1为融合光纤复合相线温度与应变在线监测装置图，图中为融合光纤复合相线温度与应变在线监测装置，包括一种具有应力应变传感和温度传感功能的新型OPPC光电缆结构1、BOTDR（布里渊散射光时域反射检测技术）应力应变测试仪6、DTS（光纤分布式温度监测）分布式温度测试仪7、OPPC中间接头盒3、OPPC终端接头盒4、ADSS光缆5、本地数据服务器8及其应力应变计算模块17和用户监测终端9。 \n[0030] 一、装置连接 \n[0031] 监控计算机9连接到应力应变与温度测量数据管理的本地数据服务器8，本地数据服务器8作为BOTDR应力应变测试仪6和DTS分布式温度测试仪7的数据库，记录着采集到的应力应变数据和温度数据，本地数据服务器8包括数据库和应力应变计算模块17。\n本地数据服务器8、BOTDR应力应变测试仪6和DTS分布式温度测试仪7安装在变电站、监测站的通信室中，完成光纤传感信号的发送与接收，本地数据的处理、存储；作为用户终端的远程数据库，并通过复杂的处理过程解析出传感光纤上的事件。终端接头盒4通过ADSS光缆5分别与应力应变测试仪6和分布式温度测试仪7连接。ADSS光缆5的敷设方式有空中挂架和穿埋在电缆沟中两种方式。OPPC光电缆I1和OPPC光电缆II2通过OPPC中间接头盒3相连，OPPC光电缆II2连接OPPC终端接头盒4后与ADSS光缆5相连。 \n[0032] 二、用户终端 \n[0033] 用户监测终端完成数据的图形显示和GPS地理信息位置显示。用户界面的主视图为OPPC光电缆布局图或接线图，显示电缆的分布温度和形象化的展现视图，实时显示线路上的温度分布曲线、各点温度随时间变化曲线。能对测量的OPPC温度数据进行分析，即根据OPPC光纤温度及其他相关数据计算出导体表面运行温度。测温部分可以设置报警阈值，报警数据可在软件中设置，每个区域至少应能设置两种报警类型：最高温度报警、温度上升速率报警，并可对光纤破坏、装置异常等报警，不同的区域应能独立报警。出现报警信号时可切换到报警画面及故障信号所在区域的分布图，并显示故障区域最高温度或其他相关报警指标。报警方式除主控机（包括电缆终端监视站显示器）屏幕显示，音效和发送报警短消息等基本要求外，并提供符合工业标准的报警输出。 \n[0034] 三、光缆接头盒 \n[0035] 光缆接头盒完成OPPC光电部分的分离和光纤通道的接续。光缆接头盒的类型分为中间接头盒和终端接头盒。 \n[0036] 中间接头盒安置在线路中间的耐张塔上，完成两段耐张段线路的光纤接续，工程实施上多采用吊装的方式施工。终端接头盒是线路首端或末端的光电缆的始点，多采用柱式绝缘子接头盒，通过内置的ADSS光缆把OPPC中的光纤线缆续接到引线ADSS线缆上。 [0037] 该技术为架空输电线路分布式应力应变和线路温度的动态监测、输电线路异常受力拉伸的实时报警、输电线路健康状况的评估、输电线路输送容量动态增容等业务功能实现奠定基础。 \n[0038] 四、应变与温度测量OPPC光电缆 \n[0039] 如图2和图3所示，图2和图3分别为是集成温度与应变传感功能的OPPC光电缆图和测温应变传感的OPPC示意图； \n[0040] 集成测温与应力监测功能的OPPC光电缆主要包括三个组成部分：一个或者多个光单元；一层或者多层钢芯（铝包钢或镀锌钢）；一层或者多层铝线（铝合金）组成。光单元由多根光纤和保护管组成；保护管可以是金属和/或非金属材料，它可构成OPPC的承力部分，金属保护材料也可组成OPPC传输电流的部分。光单元是能容纳光纤，且能保护光纤免受环境变化、外力、长期与短期的热效应、潮气等原因引起的损坏。光单元可以包含金属管、塑料管、带槽的骨架或合适的阻水材料作为保护结构，测温OPPC中使用钢管作为光纤保护用。光纤收容保护在不锈钢松套管中，管内填充特种油膏，以起到防水、防潮气或其他有害气体、隔热的作用。 \n[0041] 整个OPPC截面含有不同传导性能的材料，是影响OPPC测温暂态性能的关键。集成测温 光纤的OPPC光电缆可应用在从10kV到500kV不同电压等级，高压架空线（220kV及以上）单相一般采用多分离导线，带来的OPPC和其非OPPC的性能匹配问题，为了保持相同的载流量和三相电气平衡,必须要尽量保证OPPC与配合导线的直径、抗拉强度、重量、直流电阻等相似。 \n[0042] OPPC光单元束管中的测温光纤可以选择50/125或62.5/125μM的多模光纤。多模光纤的损耗系数和散射系数较高，提高散射光的强度，从而提高光探测器的接收信号强度，增强信噪比。探测应力的传感光纤选用国际标准的单模光纤，BOTDR根据测试信号的频移来区分应力应变量的大小，算法的敏感度很高，因此BOTDR采用单模光纤，探测的距离范围也很大，可达100KM。 \n[0043] 光纤复合相线（OPPC）应力应变在线监测部分根据光电缆的形变、光纤余长数值、由光电缆形变引起的光纤应变效应，基于BOTDR技术实现架空输电线路应力应变状态的监测，通过BOTDR直接测量光纤应变量值和光纤余长的额定量，从而评估线路受力发生应变程度。基于BOTDR测量线路应变方案可以评估监测的架空线路的健康状况，为输电线路的风压舞动、温度弧垂、覆冰，以及为输电线路的动态增容提供数据与决策依据。 [0044] 五、光纤传感装置 \n[0045] BOTDR应力应变测试仪6是分布式测量光纤受外力发生形变信息的分布式布里渊传感器，DTS分布式温度测试仪7是分布式测量光纤温度信息的分布式拉曼温度传感器。 [0046] 基于光纤传感的测试仪主要包括激光器、光波分复用、光电转换电路、触发电路、控制芯片、模拟信号处理、模数转换和通信接口。温度测试仪可根据光缆段接续点数量，以及接头盒、引入光缆和测温光缆的光性能传输参数，考虑系统分散性的影响，评估双向衰减,优化调整激光发射源参数，提高测量的温度精度和距离定位精度。 \n[0047] 六、温度与应变数据分离求解计算 \n[0048] 如图1所示，图1为融合光纤复合相线温度与应变在线监测装置图，本地数据服务器8包括计算光纤的应变数据的计算模块的应力应变计算模块17，在分布式布里渊传感器测得的应力应变信息中，剔除分布式拉曼传感器测量的温度信息，计算出光纤上的准确应变。 \n[0049] 如图4所示，图4为布里渊测量数据温度消除算法图；具体实施如下，联合自发拉曼散射和自发布里渊散射进行温度和应变同时测量，并利用自发拉曼散射仅对温度敏感而对应变不敏感的特性,通过分布式拉曼温度传感器测得光纤上的温度信息，在得到光纤的温度信息之后，利用分布式布里渊传感器测得包含温度和应变信息的布里渊频移,然后从布里渊频移量中去除温度的量值，从而计算出光纤上的应变信息。 \n[0050] 拉曼反斯托克斯信号强度对温度的敏感性约0.8％/℃，布里渊反斯托克斯信号强度对温度敏感性约0.3％/℃，因此拉曼比布里渊信号对于温度的变化更敏感。除了拉曼散射信号，瑞利散射信号也是反射光中非常重要的散射信号，分布式拉曼温度传感器通常使用第2个光源来测量瑞利信号的光强，并将瑞利光强与用另一光源测得的拉曼信号光强进行归一化处理，消除光纤损耗、微弯和接头损耗对系统性能的影响。归一化拉曼光强的变化与温度变化的关系可以表示为： \n[0051] \n[0052] 式中，L是传感光纤的长度；ΔTR(上)是位置L处温度的变化；ΔIR(上)ΔIR(L)是位置L处归一化拉曼光强的变化； 是拉曼光强的温度系数。 \n[0053] 布里渊频移变化包含温度和应变信息，从布里渊频移的测量结果中扣除计算出的温度影响，便可得到光纤位置L处应变的变化为： \n[0054] \n[0055] 式中，ΔvB(L)是L处布里渊频移的变化； 是布里渊频移的温度系数； 是布里渊频移的应变系数。布里渊频移的系数 为1.07MHz/℃， 为0.05MHz/μ。 [0056] 最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。