应用于光纤复合架空地线的光纤分布式振动的测量 下载: 1015次
1 引言
中国幅员辽阔,电网建设和运行复杂、多样,高压电线覆冰及舞动对电网造成了严重威胁,特别是目前在电网大量应用于光纤复合架空地线(OPGW)的情况下,当OPGW的覆冰掉落时,可导致OPGW形成类驻波形式的上下跳跃舞动,对杆塔产生极大的冲击力。动、静载荷超过铁塔的设计承载能力是导致倒塔的主要原因,因此OPGW振动信号测量在电力领域具有重要的研究价值。光纤振动检测器分为点式和分布式传感器两种类型[1-3]。点式传感器存在复用容量不够大、大范围布阵困难以及传感器之间信号多串扰等问题,使其在大面积下的实时检测应用受到很大限制。分布式传感器分为干涉式和反射式两类,其中干涉式传感器的干涉仪主要分为迈克耳孙(Michelson)干涉式[4]、Mach-Zehnder干涉式[5]、Sagnac干涉式[6]、双Sagnac[7]、Sagnac-Machelson式[8]等多种复合结构。干涉式传感器对于相位变化具有很高的灵敏度,但不能同时检测多个扰动点,复合式干涉传感器扰动点定位复杂,光路繁琐,易受环境干扰;反射式[9]传感器利用了光纤外部干扰引起的瑞利、拉曼和布里渊散射,其中拉曼散射只用于温度测量,而布里渊散射用于测试应变信号,不适用于快速动态信号的检测。目前基于瑞利散射的光时域反射(OTDR)技术主要包含传统OTDR[10-11]、相敏OTDR(
基于以上问题,本文提出了一种基于后向瑞利散射空间差分干涉的光纤分布式振动检测技术。该技术将含有振动信号的后向瑞利散射信号注入到非平衡迈克耳孙干涉仪中,利用干涉仪的臂长差实现相邻空间段内的后向瑞利散射光干涉,采用3×3耦合器解调技术解调出相位信息,实现振动信号的准确测量。在输电线路舞动实验室进行了OPGW的舞动测试,实现了0.9 Hz舞动、2.3 Hz非舞动的检测。
2 系统工作原理
2.1 后向瑞利散射光的空间差分干涉原理
参考单个脉冲周期内光纤后向瑞利散射光在无扰动情况下振幅的一维脉冲响应模型[17-18],利用分布反馈光纤激光器(DFB-FL)作为光源,通过声光调制器(AOM)后调制为频率为
式中,
式中
式中
图 1. 后向瑞利散射光的空间差分干涉原理图
Fig. 1. Schematic diagram of space difference of Rayleigh backscattering
如(3)~(9)式所示,干涉信号包含由声信号引起的相位差
2.2 3×3光纤耦合器解调原理
系统采用3×3耦合器对光纤干涉信号进行相位解调,将干涉仪输出光
3×3耦合器相位解调方法如
由于
3 实验与结果
由于OPGW舞动的本质是两杆塔间的OPGW受外界影响发生的驻波抖动,而杆塔间距一般均为几十千米,因此舞动振动信号绝大部分是小于2 Hz的低频成分。在此,使用舞动模拟器模拟两杆塔之间发生的舞动的情况,整体结构如
将舞动台输出频率调至已测量好的模拟器舞动频率0.9 Hz,人为地使OPGW线缆发生舞动,从分布式光纤检测仪器读出OPGW线缆区域的时域、频域信息。
将舞动台输出频率调至非舞动频率2.3 Hz,再从分布式光纤检测仪器读出OPGW线缆区域的时域、频域信息,结果如
从上述实验可见,通过分布式光纤检测仪器监控OPGW线缆区域的时域、频域信息,可准确确定舞动是否发生、舞动频率以及舞动振幅,这为接下来的输电线路应急处理提供预警。
4 结论
建立了基于后向瑞利散射信号空间差分干涉技术的光纤分布式振动监测系统,利用干涉仪的臂长差实现相邻空间段的后向瑞利散射光干涉,采用3×3耦合器解调技术解调出相位信息,实现振动信号的准确测量。在输电线路舞动实验室进行了OPGW的舞动测试,实现了0.9 Hz舞动、2.3 Hz非舞动检测,为实际情况中预防OPGW线缆舞动提供了一种直观准确的监测手段。
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