傳感器和光纖傳感器的定義和分類

作? ?者：黃俊華

單? ?位：TOEM常務(wù)專家理事

摘? ? 要：在我國一級骨干電網(wǎng)中工作的OPGW線路，約有一半己接近或達到了服役壽命，需評估這些線路的健康狀態(tài)。本文在概要介紹了傳感器和光纖傳感器的定義和分類后，總結(jié)了近年來用BOTDR/A對部分電壓等級、年限、結(jié)構(gòu)等均不同的OPGW進行的在線分布式檢測的進展。

前言

至2020年，我國各電壓等級的輸電線路總長超過159萬km。骨干電力通信網(wǎng)己投運的OPGW超過88萬km，其中一級骨干網(wǎng)的OPGW超過了8.8萬km。包括ADSS在內(nèi)，骨干通信網(wǎng)的光纜覆蓋率達90%以上，基本實現(xiàn)了220kV及以上電網(wǎng)的光纖光纜全覆蓋。

通常，OPGW的服役壽命保證值為不小于20～25年，在500kV及以上的一級骨干網(wǎng)中，有近58%的OPGW光纜線路始建于2003年。據(jù)從2018年以來的故障統(tǒng)計，這些“老線路”表現(xiàn)為斷芯或傳輸性能劣化的故障共29起，同比增長了約61%，呈明顯上升趨勢。由于故障定位和修復(fù)都比較困難，平均處置時間約13小時，為各類光纜故障處置時長之最。

鑒于一級骨干網(wǎng)在電網(wǎng)中的重要性，評估這些接近或已到達服役壽命的OPGW的健康狀態(tài)是“更換”還是可“延壽”提上了議事日程。

OPGW由金屬部件和光纖組成，對金屬材料的老化或工作壽命可有相對成熟的規(guī)范和試驗方法來分析，而對光纖尚無相應(yīng)的規(guī)范。

一、輸電線路健康狀態(tài)和傳感器

1、輸電線路主要狀態(tài)參數(shù)

輸電線路的健康狀態(tài)參數(shù)分為實時數(shù)據(jù)、離線檢測數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)等三種，具體可分為桿塔、基礎(chǔ)、線纜、金具、絕緣子串和外部環(huán)境等六類。

桿塔方面主要包括位移、應(yīng)力、傾斜、振動等參數(shù)；基礎(chǔ)方面可有滑移、沉降、接地電阻、接地網(wǎng)腐蝕等；在線纜方面，架空線包括溫度、張（應(yīng)）力、弧垂、振（舞）動、風(fēng)偏、覆冰、雷擊等，通信線包括衰減、帶寬、附加（插入）損耗等，電纜包括載流量、溫度、絕緣等；金具方面，包括絕緣串的張力、風(fēng)偏、鹽密、灰密、泄漏電流等和連接/接續(xù)/防護金具的溫度、振動、應(yīng)變等；環(huán)境方面包括風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度、降雨量、氣壓、污染、覆冰和運行中的電流、電壓等。

隨著各類傳感技術(shù)的發(fā)展，輸電線路的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)逐漸自動化和智能化。傳統(tǒng)的人工定期巡檢模式正逐步被在線監(jiān)測所替代，所需監(jiān)測的參量也逐漸增多。

2、傳感器

按GB7665《傳感器通用術(shù)語》，傳感器定義為：能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件指傳感器中直接感受或響應(yīng)被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件指將被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或被測量的電信號部分。

傳感器通常由敏感器件、轉(zhuǎn)換器件和電子線路組成，在有些傳感器中敏感器件和轉(zhuǎn)換器件是合為一體的，如微電子機械系統(tǒng)（MEMS）。如果傳感器輸出的是標(biāo)準(zhǔn)信號，則又被稱為“換能器”或“變送器”。

GB/T36378《傳感器分類及代碼》將傳感器分為物理量傳感器、化學(xué)量傳感器和生物量傳感器三大類，根據(jù)被測量、轉(zhuǎn)換原理和主要特征細分。

按被測量可分為：力學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、化學(xué)、熱學(xué)、生物學(xué)、幾何學(xué)、運動學(xué)等。按工作原理分為：電阻、電容、電感、光電、光柵、熱電、壓電、超聲、紅外、光纖、激光等。按敏感材料分為：半導(dǎo)體、陶瓷、石英、金屬、有機、高分子、光纖等。按輸出量分為：模擬、數(shù)字、脈沖（電、光） 等。按應(yīng)用場合分為：工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍用、醫(yī)用、科研、環(huán)保、減災(zāi)、空間、飛機船艦等。按使用目的分為：計測、分析、監(jiān)控、偵查、診斷等。

各類傳感器的主要特點和發(fā)展方向是微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化。

常見的各種電（子）學(xué)傳感器在輸電線路狀態(tài)監(jiān)測中已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，一般安裝于線路桿塔上，采用無線通信裝置將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測中心。由于傳感器在輸電線路中以點狀布置，雖可代表一個小區(qū)域但并不能代表全線。

電（子）學(xué)傳感器是有源器件，除了現(xiàn)場供電有一定困難外，外場條件下的高溫、高濕、風(fēng)雪和覆冰等惡劣工作環(huán)境往往會影響電子元器件的使用壽命，對數(shù)據(jù)通信與安裝調(diào)試均有特殊的需求。還由于高壓輸電線路周邊存在強電磁干擾，電（子）學(xué)傳感器的適用范圍受到一定限制，穩(wěn)定性與可靠性保障等難以滿足電力系統(tǒng)對實時狀態(tài)監(jiān)測的需求。

3、光纖傳感器

如上所述，光纖傳感器是傳感器大類中的一個門類。

按GB/T18901.1/IEC 65757-1《光纖傳感器》，光纖傳感器（fibre optic sensor）的定義為：為了控制或測量，利用光纖的光學(xué)特性來獲取或轉(zhuǎn)換環(huán)境信息的傳感器。它包括一個光傳感元件或供能元件，也可以包括下列一個或多個部分（圖1和圖2）。

圖1

圖2

按光纖在傳感器中所起的作用，光纖傳感器可分為非功能型光纖傳感器（傳光型）和功能型光纖傳感器（傳感型）兩大類。前者中光纖僅作為信息傳輸介質(zhì)，對外界信息的敏感功能由其它物理性質(zhì)的功能元件完成；后者中光纖不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)也是敏感元件，通過外界物理量的變化對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓庑盘栠M行調(diào)制，使信號光的振幅、相位、頻率、偏振態(tài)或波長等參量發(fā)生變化，通過對調(diào)制信號進行解調(diào)得到被測信號。

光纖傳感器可包括本征光纖傳感器、非本征光纖傳感器、單點光纖傳感器、多點光纖傳感器、擴展型光纖傳感器、分布式光纖傳感器、光源、光傳感/光供能元件、光纖引線、光接口和光接收機。

按主流技術(shù)，目前可主要分為光纖光柵型、干涉型和散射型。

光纖光柵型：在光纖中纖芯中刻寫折射率周期變化的光柵，因周期不同故其反射的光波長也不同。當(dāng)帶有布拉格（Bragg）光柵（FBG）的光纖受到拉伸/壓縮/溫度等發(fā)生變化時，由于其周期發(fā)生的變化改變了反射光的波長。通過測量反射光波長的變化即可得知光纖所受的應(yīng)變或所處的溫度值。

干涉型光纖傳感技術(shù)主要有：麥克爾遜(Michlson)光纖干涉儀、馬赫-澤德(Mach-Zehnder)光纖干涉儀、薩格奈克(sagnac)光纖干涉儀、法布里-珀羅 (Fabry-Perot)光纖干涉儀和裴索（Fizau）光纖干涉儀。干涉型光纖傳感的測量分析系統(tǒng)的機理和技術(shù)己經(jīng)基本成熟，其光學(xué)架構(gòu)是經(jīng)典的，主要區(qū)別是光/電子學(xué)處理和計算方法及一些細節(jié)。

反射型光纖傳感技術(shù)主要包括：瑞利時域反射OTDR、拉曼頻域反射OFDR、拉曼散射DTS、瑞利散射、相干光時域反射COTDR、布里淵散射時域反射BOTDR、布里淵散射頻域反射BOTDA、偏振光時域反射POTDR和長程光干涉技術(shù)等。

按應(yīng)用場合主要可分為點式傳感和分布式傳感兩大類，將多個點傳感串聯(lián)起來可稱為準(zhǔn)分布式傳感。

光纖傳感OFS（Optical Fiber Sensor）是20世紀70年代后期發(fā)展起來的傳感技術(shù)，利用外界物理量引起的光纖中傳播的光的特性參數(shù)（如強度、相位、波長、偏振、散射等）變化，對外界物理量進行測量和數(shù)據(jù)傳輸。具有體積小、重量輕、抗電磁干擾、安全性高（無電火花，可在易燃、易爆環(huán)境下工作），傳感器端無需供電、耐高溫，以及便于組成傳感器網(wǎng)絡(luò)、易融合進物聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點，在極端環(huán)境下能完成傳統(tǒng)傳感器很難甚至不能完成的任務(wù)，擴展了傳統(tǒng)傳感器的功能，得到了廣泛的研究和應(yīng)用。目前世界上已有各類OFS數(shù)百種，伴隨新的機理及特種光纖、專用器件和新技術(shù)不斷問世，其性能指標(biāo)不斷提高，更多的應(yīng)用不斷出現(xiàn)，展示了廣闊的應(yīng)用前景。

OPGW/OPPC中的光纖，既用于信息傳輸也可用于傳感，其潛在應(yīng)用如圖3。

圖3? 輸電線路光纖分布式傳感潛在應(yīng)用示意圖

二、當(dāng)前可用的光纖分布式傳感技術(shù)

1、光纖光柵傳感技術(shù)及應(yīng)用

光纖光柵又稱光纖布拉格光柵FBG（Fiber Bragg Grating）技術(shù)，如用于測量溫度/應(yīng)變，則光纖通道中的FBG布設(shè)得越密，即測量點越多則信息越豐富，但對解調(diào)儀的掃描范圍要求越寬，相應(yīng)的造價就越高。

在輸電線路中，通常最關(guān)心的是兩個變電站出口處和特殊區(qū)域?qū)Ь€的溫度/應(yīng)變；在一個線檔中，通常關(guān)心的是兩個線夾和弧垂最低點的導(dǎo)線溫度/應(yīng)變。FBG監(jiān)測點的采樣數(shù)量和具體位置是無法滿足這樣要求的，F(xiàn)BG位置在實際安裝工程中也不可能辦得到與對應(yīng)釆樣點一致。也就是說，光纖光柵FBG只能是監(jiān)測連續(xù)的固定采樣點、是一種“準(zhǔn)分布式”而不是真正的“分布式”測量。

寫入FBG的光纖已成為傳感光纖，在光纜生產(chǎn)時要求的光纖余長與常規(guī)通信光纖是不同的，在理論上與通信光纖混裝在同一個光單元里是不合理的。

2、拉曼散射技術(shù)及應(yīng)用

基于拉曼散射技術(shù)的分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)DTS（Distributed Temperature Sensoring）可以進行實時、在線、連續(xù)分布式的測溫，可實現(xiàn)沿光纖軸向分布的“溫度—距離”的分布式測量。在DTS系統(tǒng)中，光纖上的任意一個點都是測溫傳感器，只取決于采樣間隔，DTS方案在理論上沒有測量盲區(qū)，就像OTDR一樣，可以沿整條被測光纖給出連續(xù)的溫度分布曲線。若按采樣間隔0.5m，就已經(jīng)可以覆蓋OPGW/OPPC線路中所有感興趣、需要分析的“點”或“區(qū)段”，可以覆蓋所有的線夾和跳線連接處的溫度。

DTS系統(tǒng)測溫時只需要一根光纖，但大多采用大芯徑的多模光纖，監(jiān)測距離較短且不能直接監(jiān)測應(yīng)變。

3、布里淵散射技術(shù)及應(yīng)用

基于布里淵散射的分布式光纖傳感器直接采用常規(guī)通信單模光纖作為傳感器，可實現(xiàn)沿光纖分布的溫度、應(yīng)變的實時測量。

布里淵光纖傳感技術(shù)有光時域反射技術(shù)BOTDR（Brillouin optic time domain reflectometer）和光時域分析技術(shù)BOTDA（Brillouin optical time domain analysis）兩種實現(xiàn)方式。BOTDR為單端測量方式，探測的是微弱的自發(fā)布里淵散射光，難以實現(xiàn)長距離、高精度測量；BOTDA采用雙端結(jié)構(gòu)，探測的是較強的受激布里淵散射光。

4、三種技術(shù)在監(jiān)測系統(tǒng)中的接線分式

三種技術(shù)在監(jiān)測系統(tǒng)中的接線方式以圖4示意。

圖4? 三種技術(shù)在監(jiān)測系統(tǒng)中的接線方式示意圖

三、基于布里淵傳感（BOTDR/A）技術(shù)的分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)及應(yīng)用

1、分布式光纖傳感技術(shù)

光纖分布式傳感DOS（Distributed Optical Sensing）技術(shù)如圖5所示。DOS技術(shù)包括：

● 基于瑞利（Rayleigh）散射的OTDR和（Phase-sensitive optical time-domain reectometry）又稱相位敏感光時域反射計；

● 基于布里淵（Brillouin）散射的BOTDR/A；

● 基于拉曼（Raman）散射的ROTDR（Raman Optical Time-Domain Reflectometry)，又稱拉曼光時域反射計。

圖5? 光纖分布式傳感技術(shù)示意圖

2、BOTDR/A在線監(jiān)測案例

用BOTDA系統(tǒng)對一條全長約為110km的OPGW進行了監(jiān)測，圖6給出其中的兩根光纖（7芯和8芯）的應(yīng)變量分布。

圖6? 100kmOPGW的BOTDA在線監(jiān)測案例

從圖6可見，離監(jiān)測端出現(xiàn)了5個明顯的應(yīng)變異常區(qū)：

●? 在7km（桿塔號P3）附近，光纖應(yīng)變應(yīng)為0.05%；

● 在18km（桿塔號P7）附近，光纖應(yīng)變應(yīng)為0.12%；

● 在37km（桿塔號P13和P14）附近，光纖應(yīng)變應(yīng)為0.186%；

● 在45km（桿塔號P16）附近，光纖應(yīng)變應(yīng)為0.10%；

● 在98km（桿塔號P30）附近，光纖應(yīng)變應(yīng)為125%。

圖7是另兩條OPGW中BOTDR/A頻移量與OTDR的衰減分布曲線對比。

（a）

（b）

圖7? 布里淵頻移與OTDR衰減分布對照

在圖7中：（a）BOTDA顯示該50km線路中的光纖沒有明顯的應(yīng)變異常區(qū)，OTDR顯示出衰減分布正常；（b）BOTDA顯示該110km線路中光纖有4段明顯的應(yīng)變異常區(qū)域（其中區(qū)域1處應(yīng)變較大），而OTDR仍顯示出衰減分布正常。可見：

● 整條線路中各耐張段和的同一根光單元中的光纖力并不完全一致；

● BOTDR/A分辨出的光纖受應(yīng)力情況可作為OPGW健康狀態(tài)提供依據(jù)；

● OTDR往往在光纖附加損耗足夠大或斷纖時才有響應(yīng)，并不能實時分辨光纖的應(yīng)變和提供有效預(yù)警。

3、部分案例分析

根據(jù)相關(guān)資料，表1統(tǒng)計整理給出了用BOTDR/A對23條電壓等級、年限、結(jié)構(gòu)等均不同的OPGW進行的檢測結(jié)果。

表1? BOTDR/A對部分OPGW的檢測統(tǒng)計表

表1中包含了新建線路（2年）和投運年限超過10年、最長為20年的老線路，既有鋼管光單元結(jié)構(gòu)、也有鋁管光單元結(jié)構(gòu)?？梢姡?/p>

● 光纖應(yīng)變與投運年限有一定的關(guān)聯(lián)性；

● 光纖應(yīng)變與OPGW結(jié)構(gòu)有一定的關(guān)聯(lián)性（尤其對鋁管結(jié)構(gòu)）。

根據(jù)國網(wǎng)信通和哈爾濱工業(yè)大學(xué)的報告，在對東北地區(qū)33條OPGW（均為500kV的鋼管結(jié)構(gòu)）用BOTDR/A進行檢測后統(tǒng)計，有9條線路有通信故障明顯應(yīng)變，占比27%。其中：

● 通信故障光纖（中斷或衰減增大）在接續(xù)盒桿塔位置占95.7%，在檔距中位置占4.3%；

● 故障光纖處于非應(yīng)力區(qū)占84.8%，在應(yīng)力區(qū)的占15.2%；

● 應(yīng)力異常段在接續(xù)桿塔（耐張塔、耐張金具、盤留架、接續(xù)盒）附近的占88.46%，在線路檔距中的占11.54%；

● 局部區(qū)域應(yīng)變占73.08%，點應(yīng)變占26.92%。

（a）

（b）

（c）

圖8? 幾種導(dǎo)致光纖應(yīng)變的情況

光纖應(yīng)變還與工程設(shè)計（如光纜結(jié)構(gòu)、金具選型等）、施工（應(yīng)力和弧垂控制等）及運維有關(guān)，將影響OPGW工作壽命。幾種典型情況示于圖8。

在圖8中：（a）耐張懸垂金具兩側(cè)的不平衡張力較大；（b）預(yù)絞絲線夾已損壞；（c）耐張預(yù)絞絲與光纜外層同向。這幾種情況都會導(dǎo)致光纜中光纖的局部區(qū)域或點區(qū)域的應(yīng)力增大。

四、總結(jié)

光纖傳感OFS是20世紀70年代后期發(fā)展起來的傳感技術(shù)，OPGW/OPPC中的光纖，既用于信息傳輸，也可用于傳感，其潛在應(yīng)用包括應(yīng)變、溫度、弧垂、振動、舞動、覆冰等場景的在線分布式監(jiān)測，用于評估輸電線路的健康狀態(tài)。

當(dāng)前可用的技術(shù)和系統(tǒng)包括FBG、DTS、ROTDR、Φ-OTDR、BOTDR、BOTDA等，將光纖分布式傳感技術(shù)應(yīng)用于OPGW/OPPC在線監(jiān)測是一種創(chuàng)新。

近年來，用BOTDR/A系統(tǒng)對部分電壓等級、年限、結(jié)構(gòu)等均不同的OPGW進行了檢測，結(jié)果表明：光纖應(yīng)變與光纜結(jié)構(gòu)和投運年限有一定的關(guān)聯(lián)性；應(yīng)力異常段主要出現(xiàn)在接續(xù)桿塔附近，包括大跨越、大高差和大檔距區(qū)段；整條線路中同一根光單元在不同各耐張段的應(yīng)力表現(xiàn)并不完全一致。

檢測結(jié)果還表明：可用OTDR判斷的通信故障光纖（中斷或衰減增大）主要出現(xiàn)在非應(yīng)力區(qū)的接續(xù)盒桿塔位置，OTDR并不能分辨光纖的應(yīng)變和提供預(yù)警。

光纖應(yīng)變將影響OPGW工作壽命，還與工程設(shè)計（如光纜結(jié)構(gòu)、金具選型等）、施工（兩側(cè)不平衡張力等）及運維有關(guān)。

審核編輯：湯梓紅