Ранняя диагностика различных воздействий на оптические волокна с помощью бриллюэновской рефлектометрии

116

диагностика и мониторинг

статье

рассмотрена

возможность

применения

бриллюэновского

рефлектоме

тра

для

мониторинга

ранней

диагностики

ВОЛС

на

ЛЭП

Приведены

результа

ты

экспериментальных

исследований

влияния

изгибов

различных

типов

опти

ческих

волокон

на

рефлектограммы

полученные

помощью

бриллюэновского

рефлектометра

Представлены

результаты

исследований

влияния

участков

оптических

волокон

измененной

температурой

продольным

натяжением

которые

обнаруживались

помощью

обычного

оптического

рефлектометра

бриллюэновского

рефлектометра

Результаты

исследований

подтвердили

преимущество

бриллюэновского

рефлектометра

для

обнаружения

предаварий

ных

участков

оптических

волокон

Идея

применения

бриллюэновского

рефлек

тометра

направлена

на

совершенствование

мониторинга

ранней

диагностики

ВОЛС

на

ЛЭП

что

позволит

проводить

более

детальный

анализ

их

состояния

Александрова

(

Трухина

)

инженер Службы кор-
поративных и техно ло-
гических АСУ филиала
АО «Россети Тюмень»
Энергокомплекс

Александров

инженер Службы
релейной защиты
и автоматики филиала
АО «Россети Тюмень»
Энергокомплекс

Ранняя диагностика

различных воздействий

на оптические волокна

с помощью бриллюэновской

рефлектометрии

онтроль за состоянием оптических волокон является важным
мероприятием по обеспечению надежной и непрерывной рабо-
ты волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Учитывая разви-
тие электроэнергетики в сторону цифровизации, возникает не-

обходимость модернизации систем мониторинга ВОЛС для снижения
аварийных ситуаций путем своевременного обнаружения «проблем-
ных» участков на линии электропередачи (ЛЭП). К «проблемным» от-
носятся участки с измененными температурой, натяжением, изгибами,
микроизгибами, участки с несанкционированным доступом (НСД) к оп-
тическому волокну (ОВ) и т.п. [1].

Согласно аналитическому отчету о состоянии аварийности в дочер-

них и зависимых обществах ПАО «Россети» основными причинами тех-
нологических нарушений, произошедших из-за природных воздействий,
являются гололедно-изморозевые отложения, пучение грунтов, перепа-
ды температур окружающего воздуха.

Своевременное обнаружение участков ОВ, проложенных на ЛЭП

и имеющих повышенные механические натяжения, измененную темпе-
ратуру или изгибы, позволяет принять необходимые меры по предот-
вращению развития аварийной ситуации.

Обычные оптические импульсные рефлектометры не в состоянии

определить опасные изменения натяжения и температуру ОВ. Для обна-
ружения таких участков в световодах удобно применять брюллюэновские
рефлектометры (Brillouin Optical Time Domain Reﬂ ectometer — BOTDR),
которые могут определить НСД к линии связи, повреждения и неполадки
ОВ до появления аварий на трассе прокладки ВОЛС.

МЕТОД

БРИЛЛЮЭНОВСКОЙ

РЕФЛЕКТОМЕТРИИ

Метод бриллюэновской рефлектометрии применяется в бриллюэнов-
ских оптических импульсных рефлектометрах, принцип работы кото-
рых основан на анализе спектра рассеяния Мандельштама-Бриллю-
эна (СРМБ).

117

Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна приво-

дит  к  образованию  обратной  волны  в  ОВ,  поэтому,
зондируя ОВ короткими импульсами и сканируя не-
сущую  частоту  этих  импульсов,  можно  найти  рас-
пределение спектра РМБ вдоль ОВ и, соответствен-
но,  частоту  максимального  сигнала  в  этом  спектре
(бриллюэновский сдвиг частоты — БСЧ).

На участках ОВ с измененной температурой и на-

тяжением  наблюдается  смещение  СРМБ  по  оси
частот.  Поэтому,  зная  распределение  СРМБ  вдоль
ОВ,  можно  обнаружить  предаварийные  участки  ОВ
и определить их характеристики.

Связь БСЧ с продольным натяжением (



) и тем-

пературой (



Т) ОВ характеризуется линейной зави-

симостью [2]:







где

— БСЧ при комнатной температуре (25ºС)

в свободном состоянии (то есть в отсутствии воз-
действия на ОВ);



— коэффициенты натяжения

в МГц/



, температуры в МГц/ºС БСЧ, соответственно.

Значения коэффициентов натяжения и темпера-

туры для ОВ G.652 при нормальных условиях (при
комнатной температуре и при отсутствии продольно-
го натяжения):



= 493 МГц/% = 0,0493 МГц/



[1],

= 1,06 МГц/ºС [1, 3].

Таким образом, измеряя БСЧ, можно определить

натяжение ОВ и найти аварийный участок, содержа-
щий дефект.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ

ВЛИЯНИЯ

ИЗГИБОВ

ОПТИЧЕСКОГО

ВОЛОКНА

НА

BOTDR-

РЕФЛЕКТОГРАММЫ

Исследования спектра РМБ показали чувствитель-
ность к появлению изгибов ОВ (по сравнению с Рэ-
леевским рассеянием), которое регистрируется оп-
тическим импульсным рефлектометром (Optical Time
Domain Reﬂ ectometer — OTDR).

При изгибе ОВ происходит изменение угла паде-

ния луча на границе сердцевина-оболочка. Угол паде-
ния становится меньше критического угла, что приво-
дит к выходу части электромагнитного излучения из
ОВ. Это создает возможность несанкционированного
съема информации в локализованной области [3].

Изгибы ОВ влияют на их эксплуатационные ха-

рактеристики и вносят большие потери, что приводит
к преждевременному разрушению ОВ в оптическом
кабеле (ОК). Поэтому важно обнаружить возникаю-
щие в ОВ изгибы для предотвращения аварийных
ситуаций.

С целью изучения влияния изгибов различных

разновидностей одномодовых ОВ на бриллюэнов-
ские рефлектограммы были проведены эксперимен-
тальные исследования с BOTDR «Ando AQ 8603».

В приведенных ниже исследованиях изучалось

влияние диаметра изгибов различных типов одномо-
довых ОВ на BOTDR-рефлектограммы. Изгиб пред-
ставлял собой полупетлю определенного диаметра
( ). Диаметр полупетли постепенно уменьшался,
при этом наблюдался СРМБ в области максимума
для исследуемой разновидности ОВ при минималь-
ном шаге по частоте. В результате на бриллюэнов-

ской рефлектограмме распределения СРМБ вдоль
ОВ наглядно наблюдалось влияние диаметра изги-
ба на уровень обратно отраженного сигнала.

На рисунке 1 представлена BOTDR-реф лек то-

грам ма одномодового ОВ G.652, на которой демон-
стрируется  изменение  распределения  СРМБ  вдоль
ОВ  при  уменьшении  диаметра  изгиба  от  40  мм
(начальная  область  —  F1)  до  10  мм  (конечная  об-
ласть — F2).

На рисунке 2 приведена BOTDR-рефлектограмма

ОВ G.655 — «Corning LEAF» с ненулевой смещенной
дисперсией (NZDSF) при изменении диаметра изги-
ба от 30 мм до 9 мм.

Исследование влияния диаметра изгибов было

проведено для ОВ «Panda» (разновидность — «PS887-
A270318») с повышенной устойчивостью к изгибам.

BOTDR-рефлектограмма ОВ «Panda» при умень-

шении диаметра изгиба от 35 мм до 5 мм приведена
на рисунке 3.

Аналогичный эксперимент был проведен для ОВ

с меньшей чувствительностью к изгибам (G.657).

Рис

. 3. BOTDR-

рефлектограмма

изгибов

ОВ

«Panda»

Рис

. 2. BOTDR-

рефлектограмма

изгибов

ОВ

G.655 —

«Corning LEAF» (NZDSF)

17 мм

16 мм

15 мм

9 мм

14 мм

18 мм

20 мм

24– 27 мм

21 мм

19 мм

Рис

. 1. BOTDR-

рефлектограмма

изгибов

ОВ

G.652

25 мм

22 мм

20 мм

10 мм

12 мм

40 мм – 30 мм

11 мм

15 мм

18 мм

13 мм

12 мм

10 мм

5 мм

14 мм

15 мм

35 мм

25 мм

20 мм

№

6 (69) 2021

118

BOTDR-рефлектограмма ОВ G.657 при уменьше-

нии диаметра изгиба от 40 мм до 6 мм приведена на
рисунке 4.

Полученные из BOTDR-рефлектограмм харак-

теристики исследуемых разновидностей ОВ све-
дены в таблицу 1 (

, дБ — это дополнительное

затухание в области изгиба в зависимости от диа-
метра полупетли) [3]. Из таблицы следует, что для
большинства разновидностей ОВ изменения на
BOTDR-реф лек то граммах начинают наблюдаться
при диаметре изгиба 20–25 мм. Наименьшая чув-
ствительность к подобным изгибам обнаружилась
в ОВ «Panda», а наибольшая — в ОВ G.655
(NZDSF) и стандартном G.652.

По результатам проведенных испытаний

можно  сделать  вывод,  что  рефлектометр
BOTDR  смог  обнаружить  незначительный
изгиб  ОВ  и  определить  место  воздействия
для всех исследуемых ОВ.

РАННЯЯ

ДИАГНОСТИКА

ВЛИЯНИЯ

ТЕМПЕРАТУРЫ

НАТЯЖЕНИЯ

ОПТИЧЕСКОГО

ВОЛОКНА

Не  только  изгибы  ОВ  могут  привести  к  се-
рьезным экономическим потерям, но и повы-
шенные механические напряжения и участки
ОВ с измененной температурой. Поэтому не-
обходимо своевременно и точно обнаружить
«проблемные»  участки  ОВ  с  целью  сниже-
ния  потерь  и  обеспечения  бесперебойной
работы ВОЛС.

Проложенные под землей или по опорам ЛЭП

оптические  кабели  подвергаются  механическим
напряжениям,  возникающим  из-за  небольших  де-
формаций грунта (просадки канализационных ком-
муникаций,  инженерных  сооружений),  истирания
изоляции  и  т.п.  [4,  5].  Повышенное  натяжение  ОВ
приводит  к  ухудшению  характеристик  ОК,  что  со-
кращает срок его эксплуатации. Поэтому для обес-
печения долголетней работы ВОЛС необходимо от-
сутствие механических напряжений в ОВ.

На долговечность и эффективность работы ВОЛС

влияют и температурные изменения в ОВ. Повыше-
ние температуры участка ВОЛС может наблюдаться
при прорыве теплотрассы в месте прокладки ОК.
В зимнее время наблюдается понижение темпера-
туры участков ВОЛС вследствие гололедно-изморо-

зевых отложений при прокладке ОК по опорам воз-
душной линии, при «оголении» ОК из-за появления
трещин в почве или иных разрушений защитных эле-
ментов на трассе прокладки ВОЛС [5, 6].

В связи с наличием вышеперечисленных проб лем

возникает необходимость в получении достоверной
информации о механических натяжениях и измене-
ниях температуры в ОК.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ

ВЛИЯНИЯ

ТЕМПЕРАТУРЫ

НАТЯЖЕНИЯ

ОПТИЧЕСКОГО

ВОЛОКНА

НА

BOTDR-

РЕФЛЕКТОГРАММЫ

Для исследования влияний температуры и натяже-
ния были получены рефлектограммы OTDR («EXFO
FTB-400») и BOTDR («Ando AQ 8603»), снятые для

одного  и  того  же  участка  ОВ  (G.652,  дли-
на  1,22  км),  который  подвергался  нагреву
и  продольному  растяжению  [7].  OTDR-
рефлектограмма для участка ОВ, нагрето-
го до +100°С, представлена на рисунке 5.

В приведенных OTDR-рефлектограммах

изменений в ОВ не наблюдается, кроме от-
ражения, характерного для конца ОВ.

На рисунке 6 показана BOTDR-реф-

лектограмма для того же участка ОВ.

На рисунке 7 показана соответствую-

щая картина распределения натяжения
вдоль ОВ при 100°С.

При измерении BOTDR нагретый уча-

сток ОВ становится заметным при на-
греве до +35°С и для более высоких

Рис

. 4. BOTDR-

рефлектограмма

изгибов

ОВ

G.657

40– 30 мм

12 мм

13 мм

14 мм

10 мм

8 мм

6 мм

18 мм

15 мм

25 мм

20 мм

Табл. 1. Характеристики

исследуемых разновидностей оптического волокна (ОВ)

Вид ОВ G.652 G.652

LBL

G.652

Ultra

LEAF

(NZDSF)

G.655

(NZDSF) «Panda» G.657

, ГГц

10,85 10,84 10,82

10,65

10,63

10,56

10,79

Некото-

рая за-

метность

изгиба

Замет-

ность

изгиба

, дБ

0,5

1,0

2,0

Рис

. 5. OTDR-

рефлектограмма

при

+100°

ДИАГНОСТИКА

И МОНИТОРИНГ

119

температур отличается только масштабом
смещения максимума СРМБ в область более
высоких частот (F2) [7].

При охлаждении до –10°С того же участка

ОВ наблюдается смещение максимума СРМБ
в область более низких частот (F1), как пока-
зано на рисунке 8. Охлажденный участок об-
наруживается уже при температуре +15°С.

На рисунке 9 представлена соответствую-

щая картина распределения натяжения вдоль
ОВ при –10°С.

Для исследования влияния продольного

натяжения  на  ОВ  были  проанализированы
рефлектограммы,  снятые  для  ОВ1,  сварен-
ного  с  другим  ОВ2.  На  расстоянии  2  м  от
сварки на ОВ1 действовала продольная рас-
тягивающая сила (в виде гирь) [7].

BOTDR-рефлектограмма для участка ОВ

при воздействии продольной растягивающей
силы 3 Н (300 г) представлена на рисунке 10.

Из экспериментальных исследований

влияния продольного натяжения на ОВ вид-
но,  что  с  увеличением  продольной  растяги-
вающей  силы  изменения  спектра  РМБ  про-
являются  сильнее  в  месте  растяжения.  При
воздействии силы 3 Н за растягиваемым ме-
стом  наблюдается  падение  мощности  отра-
женного сигнала, что связано с асимметрией
воздействия.

При увеличении нагрузки до 5 Н обнаружи-

вается превышение критического значения
натяжения (0,2%).

В проведенных экспериментах обычный

OTDR не смог определить воздействия на ис-
следуемые участки ОВ, в то время как BOTDR
смог обнаружить участок как с измененной
температурой, так и с продольной растягива-
ющей силой, воздействующих на ОВ.

РАННЯЯ

ДИАГНОСТИКА

РАЗЛИЧНЫХ

ВОЗДЕЙСТВИЙ

НА

ЛИНИЯХ

ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

ПОМОЩЬЮ

БРИЛЛЮЭНОВСКОГО

РЕФЛЕКТОМЕТРА

Экспериментальные результаты показывают,
что бриллюэновский оптический импульсный
рефлектометр  является  ценным  инструмен-
том  для  обнаружения  не  только  оптических
дефектов в ОВ, но и участков с механически-
ми  натяжениями  и  с  измененной  температу-
рой,  что  улучшает  защищенность  и  надеж-
ность работы ВОЛС.

Для некоторых предприятий не актуаль-

на  информация  о  повышенном  натяжении
и изменении температуры в ОК, поэтому для
них  достаточно  использовать  традиционный
OTDR.  Однако  предприятия,  которые  заин-
тересованы  в  обнаружении  таких  «проблем-
ных»  участков  ОВ,  могут  применить  BOTDR
в стационарной (в системе мониторинга) или
портативной версии.

BOTDR может использоваться в разных

объектах инфраструктуры. Например, для

Рис

. 6. BOTDR-

рефлектограмма

для

участка

ОВ

при

100°

Смещение спектра РМБ

на нагреваемом участке ОВ

Нагретый

участок ОВ

Рис

. 7.

Картина

распределения

натяжения

вдоль

ОВ

при

100°

Рис

. 9.

Картина

распределения

натяжения

вдоль

ОВ

при

–10°

Охлажденный

участок

Рис

. 10.

Рефлектограмма

BOTDR

при

воздействии

растягива

ющей

силы

(300

)

Без

гири

Место

растяжения

Стык (сварка)

Нет смещения

Смещение

спектра РМБ

Максимум спектра РМБ

ОВ 2

ОВ 1

10,75 ГГц

11,14 ГГц

Рис

. 8. BOTDR-

рефлектограмма

для

участка

ОВ

при

–10°

Смещение (СБР)

на охлажденном участке

СБР на рас-

стоянии 1,2 км

Профиль

Конец ОВ

10,7 ГГц

11,0 ГГц

№

6 (69) 2021

120

определения  механической  деформации  трубо-
провода,  «проблемного»  участка  в  оптической
сети  связи,  выявления  деформаций  грунтовых
осно ваний.

В сфере энергетики применение BOTDR позво-

лит проводить раннюю диагностику ЛЭП с целью
обнаружения локального перегрева, обледенения
или перенатяжения ОК.

Существует три варианта прокладки ОВ по ли-

ниям электропередачи:

– в самонесущем оптическом кабеле (ОКСН);

– в ОК, встроенном в грозозащитный трос (ОКГТ);

– в ОК, встроенном в фазный провод (ОКФП).

Детектирование участков с гололедно-изморо-

зевыми отложениями и механическими натяжени-
ями с помощью бриллюэновского рефлектометра
осуществляется в ОКГТ или ОКФП.

Перспективным и наиболее точным вариантом

для мониторинга и ранней диагностики ЛЭП явля-
ется размещение ОВ в фазном проводе.

Участки ОВ с измененной температурой, изгиба-

ми и повышенными механическими натяжениями ре-
гистрируются на рефлектограммах. Например, при
возникновении гололедно-изморозевых отложений
будет изменяться сила натяжения ОВ и линии в це-
лом, что отобразится на рефлектограмме. По полу-
ченным данным можно определить место обледене-
ния и предпринять мероприятия по предотвращению
развития аварийной ситуации.

Исходя из концепции развития электроэнергети-

ки  в  сторону  цифровизации,  необходимо  создавать
единую цифровую среду, которая позволит анализи-
ровать состояние оборудования и прогнозировать ве-
роятность и последствие отказов. По ВОЛС возможна
передача данных в автоматизированный пункт управ-
ления  для  визуализации  и  анализа  эксплуатируемо-
го оборудования, оповещения персонала об обнару-
женных  аварийных  событиях  и  для  дистанционного
управления (телеуправления) энергооборудованием.

Развитие систем связи способствует совершен-

ствованию способов защиты ВОЛС, обнаружению
не только оптических параметров ОВ, но и натя-

жений,  изгибов  и  температур  ОВ  в  ОК.  Поэтому
использование BOTDR позволит повысить работо-
способность  ВОЛС  и,  как  следствие,  надежность
электроэнергетических  систем,  в  состав  которых
входят ОВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экспериментальные  исследования  влияния  из-
гибов, температуры и продольного натяжения ОВ
на  BOTDR-рефлектограммы,  позволяют  сделать
вывод,  что  бриллюэновский  рефлектометр  смог
обнаружить  участки  ОВ  с  незначительными  изги-
бами,  с  измененной  температурой  и  продольны-
ми натяжениями и определить место воздействия
для всех исследуемых ОВ.

Модуль BOTDR поможет спрогнозировать в ди-

намике  времени  ухудшение  характеристик  ОВ,
связанных  с  воздействием  на  него  внутренних
и  внешних  факторов,  для  дальнейшего  техниче-
ского обслуживания ВОЛС. Таким образом, «проб-
лемный» участок ОВ, выявленный в предыдущем
обслуживании, будет являться сигналом для даль-
нейшего  учащенного  диагностирования  данного
участка  ВОЛС.  Это  позволит  бригаде  ремонтного
персонала локально выезжать на плановое обсле-
дование и измерение таких участков ОВ.

Применение BOTDR будет полезно не только

для обеспечения надежной работы ВОЛС в сфере
связи, но и для обнаружения различных воздей-
ствий на ЛЭП в электроэнергетике.

По  итогам  VII  Всероссийского  конкурса  «Новая
идея-2020»  на  лучшую  научно-техническую  разра-
ботку  среди  молодежи  предприятий  и  организаций
топливно-энергетического  комплекса  специалисты
филиала  АО  «Россети  Тюмень»  Энергокомплекс
Александрова  Анастасия  Ивановна  и  Александров
Александр  Андреевич  заняли  1  место  на  секции
«Электроэнергетика, теплоэнергетика» в номинации
«Лучшая  инновационная  идея»  с  работой  «Ранняя
диагностика различных воздействий на ЛЭП с помо-
щью бриллюэновской рефлектометрии ВОЛС».

ЛИТЕРАТУРА
1. Богачков И.В. Совершенствование

алгоритмов  определения  натяже-
ния  оптических  волокон  с  помо-
щью  бриллюэновских  рефлекто -
метров // Динамика систем, меха-
низмов  и  машин,  2019,  т.  7,  №  4.
С. 178–184.

2. Zou W., He Z., Hotate K. Complete

discrimination of strain and tempera-
ture  using  Brillouin  frequency  shift
and  birefringence  in  a  polarization-
maintaining  ﬁ ber.  Opt.  Express  17,
2009,  pp.  1248-1255.  URL:  https://
www.researchgate.net/publication/
23973039.

3. Богачков И.В., Трухина А.И. Изуче-

ние влияния изгибов оптических
волокон на бриллюэновские реф-

лектограммы / Сб. Всерос. Конф.
«Оптическая рефлектометрия –
2018». Пермь, 2018. С. 77–79.

4. Bogachkov I.V., Trukhina A.I., Gorlov

N.I. Research of the features of Man-
delstam – Brillouin backscattering in
optical ﬁ bers of various types. IEEE
2019 International Siberian Confer-
ence on Control and Communica-
tions (SIBCON–2019), Tomsk, 2019.
Institute of Electrical and Electronics
Engineers Inc., p. 8729640.

5. Bogachkov I.V., Trukhina A.I., Gor-

lov N.I. Improvement of the Monitor-
ing  Systems  of  Fiber  Optical  Com-
munication  Lines.  IEEE  2018  14th
International  Conference  on  Actual
Problems  of  Electronic  Instrument

Engineering Proceedings, Novosi-
birsk, 2018, v. 1, pp. 192-197.

6. Богачков И.В., Александрова А.И.

Выявление  температурных  воз-
действий  на  оптические  волокна
по  бриллюэновским  рефлекто-
граммам  /  Сб.  тр.  IX  Междунар.
конф.  по  фотонике  и  информаци-
онной  оптике.  М.:  НИЯУ  МИФИ,
2020. С. 583–584.

7. Богачков И.В., Горлов Н.И. Со-

вместные  испытания  оптических
импульсных рефлектометров раз-
личных видов для ранней диагно-
стики  и  обнаружения  «проблем-
ных»  участков  в  оптических  во-
локнах // Вестник СибГУТИ, 2017,
вып. 1(37). С. 75–82.

ДИАГНОСТИКА

И МОНИТОРИНГ

Оригинал статьи: Ранняя диагностика различных воздействий на оптические волокна с помощью бриллюэновской рефлектометрии

Читать онлайн

В статье рассмотрена возможность применения бриллюэновского рефлектометра для мониторинга и ранней диагностики ВОЛС на ЛЭП. Приведены результаты экспериментальных исследований влияния изгибов различных типов оптических волокон на рефлектограммы, полученные с помощью бриллюэновского рефлектометра. Представлены результаты исследований влияния участков оптических волокон с измененной температурой и продольным натяжением, которые обнаруживались с помощью обычного оптического рефлектометра и бриллюэновского рефлектометра. Результаты исследований подтвердили преимущество бриллюэновского рефлектометра для обнаружения предаварийных участков оптических волокон. Идея применения бриллюэновского рефлектометра направлена на совершенствование мониторинга и ранней диагностики ВОЛС на ЛЭП, что позволит проводить более детальный анализ их состояния.