摘要：高压架空输电线路塔基的隐蔽性损伤易引发倒塔事故，而传统点式监测方法存在空间覆盖率低、抗干扰能力差等瓶颈。本文提出一种基于分布式光纤传感技术（DFOS）的塔基全方位在线监测方法，通过融合布里渊散射、拉曼散射与瑞利散射的多物理场解调机制，实现应变、温度及振动信号的分布式感知。针对塔基结构特性，设计螺旋缠绕与正交网格复合的光纤布设方案，结合LSTM动态阈值预警模型，提升复杂环境下的异常识别精度。实验表明：系统空间分辨率达0.5m，应变监测误差小于±5με，边坡滑移定位精度优于2m，较传统方法监测覆盖率提升85%以上。案例证明，该方法可有效预警冻融形变、桩基微裂缝扩展等隐患，为输电线路智能化运维与地质灾害主动防控提供技术支撑。

​​关键词：分布式光纤传感技术；高压架空输电线路；塔基监测；多物理场融合；

引言

高压架空输电线路是电网输送电能的核心载体，其安全稳定运行直接关系到电力系统的可靠性。作为输电线路的支撑结构，杆塔塔基长期承受机械荷载、环境侵蚀及地质灾害等多重威胁，一旦发生失稳将引发倒塔、断线等恶性事故。传统塔基监测手段（如倾角传感器、应变片）受限于点式测量原理，存在监测盲区大、抗电磁干扰能力弱、长期稳定性不足等问题，难以满足复杂地质环境下塔基全生命周期健康状态的实时感知需求。

近年来，分布式光纤传感技术凭借长距离覆盖、空间连续测量及多参数解耦等优势，为输电设备状态监测提供了新思路。基于瑞利散射、布里渊散射等原理的DFOS技术已在桥梁、管道等基础设施的应变与温度监测中得到应用，但其在输电塔基监测中的适用性仍面临挑战：一方面，塔基结构-土壤相互作用导致力学响应复杂，需构建多维度传感网络；另一方面，野外恶劣环境对光纤布设工艺与信号解算精度提出了更高要求。国内外学者已针对DFOS在杆塔倾斜监测、电缆测温等领域展开研究，但面向塔基全断面力学状态的全方位在线监测方法仍缺乏系统性解决方案。

本文提出一种基于DFOS的高压架空输电线路塔基全方位在线监测方法，通过优化光纤拓扑布局与多物理场数据融合算法，实现塔基应变场、温度场及振动信号的高精度分布式感知。该方法可突破传统点式监测的空间局限性，为塔基结构健康状态的实时评估与地质灾害预警提供可靠数据支撑，对提升输电线路智能化运维水平具有重要意义。

一、分布式光纤传感技术（DFOS）理论基础​​

​​1. DFOS基本原理​​

分布式光纤传感技术以光纤作为传感与传输媒介，通过分析光波在光纤中的散射效应实现空间连续测量。当脉冲光在光纤中传输时，会与介质分子发生相互作用，产生瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射三种典型散射现象。其中：

●​​瑞利散射​​由光纤折射率微观不均匀性引起，其强度与光纤局部应变或温度变化呈线性关系，常用于振动监测；

●​​拉曼散射​​反映分子振动能级变化，其反斯托克斯光强对温度敏感，适用于分布式温度监测；

●​​布里渊散射​​由声子与光子相互作用产生，其频移量和功率受应变与温度共同调制，可通过BOTDA（布里渊光时域分析）或BOTDR（布里渊光时域反射）技术实现应变-温度双参量解耦。

通过测量散射光的时域反射信号，DFOS可定位散射事件的位置信息，结合频域信号解调算法，最终实现沿光纤长度方向的空间连续测量，分辨率可达厘米级，测量距离超过数十公里。

​​2. DFOS技术优势​​

相较于传统点式传感器，DFOS在输电塔基监测中具有显著优势：一、全分布式感知二、多参数融合；三、强抗干扰能力；四、长期稳定性。

​​3. DFOS在塔基监测中的适用性分析​​

高压架空输电线路塔基通常由混凝土桩基、钢构承台及周边土体组成，其失效模式包括不均匀沉降、冻胀变形、边坡滑移等，具有隐蔽性强、影响因素复杂的特点。DFOS技术通过以下方式满足塔基监测需求：

●​​力学状态监测​​：沿桩基轴向布设传感光纤，利用布里渊频移解算应变分布，可识别桩身微弯、裂缝等损伤；

●​​温度场监测​​：通过拉曼散射测温，监测混凝土水化热、冻土区温度梯度对塔基稳定性的影响；

●​​动态响应监测​​：基于瑞利散射的振动感知能力，可捕获塔基周边施工振动、滑坡前兆等异常事件。此外，光纤可嵌入塔基结构内部或表面，通过拓扑优化设计（如螺旋缠绕、网格布局），实现塔基全断面力学状态的立体化感知，为全方位在线监测提供理论支撑。

二、全方位在线监测系统设计​​

本系统基于DFOS构建，涵盖传感网络布设、数据解调传输与智能分析三大核心模块，旨在实现高压输电塔基的全方位、多参数在线监测。系统设计兼顾工程实用性与监测精度，通过硬件部署与算法优化的协同，确保复杂环境下的长期稳定运行。

​​1. 系统总体架构​​

系统采用“感知-传输-分析”三层架构。感知层由紧套铠装光缆组成，根据塔基结构特点，在桩基表面螺旋缠绕（螺距20cm）、承台底部正交网格铺设（间距30cm×30cm），并沿边坡潜在滑移面设计“S”形走线，形成覆盖塔基全域的传感网络。传输层集成BOTDA解调仪与4G/光纤双通道通信模块，实时采集应变与温度数据（频移精度±1MHz，测温精度±0.5℃），并通过加密传输协议将数据上传至云端。分析层部署多源数据融合平台，采用小波降噪、LSTM时序预测等算法，生成塔基健康状态的可视化报告与分级预警信号。

​​2. 关键技术实现​​

（1）​​光纤布设与信号优化​​：针对桩基-土体相互作用导致的应力集中问题，采用螺旋缠绕光纤增强对弯曲应变的敏感性；在承台底部正交网格中嵌入温度补偿光纤，消除混凝土热膨胀引起的测量误差。

（2）​​多物理场协同解算​​：通过BOTDA解析布里渊频移获得应变分布，结合DTS拉曼散射信号实现温度补偿，同时利用DAS技术捕捉边坡振动事件，实现应变、温度、振动三者的时空关联分析。

（3）​​动态阈值预警模型​​：基于历史数据训练LSTM网络，预测塔基应变变化趋势，设定动态阈值（均值±3σ），当实时数据偏离预测区间时触发预警，避免固定阈值对突发事件的漏报。

系统功能模块覆盖数据可视化、风险预警与运维决策支持。全景监控界面通过GIS地图与三维模型动态展示塔基应变热力图、温度梯度及振动事件位置；预警模块根据风险等级（正常/关注/告警/紧急）推送报警信息，并支持历史数据回溯，辅助定位结构损伤演化路径。测试表明，系统对桩基微应变分辨力达±2με，边坡振动事件定位误差小于2米，可满足输电塔基安全监测的工程需求。

​​三、实验与案例分析​​

为验证基于DFOS的塔基监测系统性能，本研究在实验室与现场分别开展测试。实验室模拟塔基典型荷载工况，现场选取某山区220kV输电线路的冻土区塔基进行长期监测，结合数据对比分析系统的可靠性。

1.实验室模拟试验​​

搭建1：10缩尺塔基模型，桩基采用C30混凝土浇筑，表面按螺距20cm螺旋缠绕传感光纤，同时安装电阻应变片作为对照。通过液压加载系统施加逐级递增的轴向压力（0～200kN），记录DFOS与应变片的应变数据。实验表明：DFOS测得的桩身应变分布与理论计算结果吻合（误差<±5%），且在桩基中部应力集中区域，DFOS成功捕捉到应变突变（峰值应变达325με），而应变片因布点稀疏未能识别局部异常。

2.现场实测与长期稳定性​​

在某冻土区输电塔基的承台底部布设正交光纤网格（间距30cm×30cm），边坡区域采用“S”形光纤覆盖潜在滑移面。系统连续运行6个月，期间经历冻融循环与暴雨冲刷。监测数据显示：冻融期承台底部最大温度波动达15℃，导致局部应变偏移约50με，经DTS温度补偿后应变误差稳定在±10με以内；暴雨后边坡区域光纤振动信号异常（频率>50Hz），定位滑移面位移3.2cm，与无人机巡检结果一致。系统成功预警一次因施工振动导致的桩基微裂缝扩展事件，较传统人工巡检提前14天发现隐患。

​​3. 与传统方法对比

将DFOS系统与倾角传感器、电阻应变片进行对比：

1）监测范围​​：DFOS实现塔基全域覆盖（监测点密度>20点/米），而传统方法仅能布置12个离散测点；

2）精度​​：DFOS应变测量误差±5με，优于应变片的±15με；

3）抗干扰性​​：在强电磁干扰环境下，光纤信号波动<2%，倾角传感器数据漂移达8%；

4）维护成本​​：DFOS系统半年内零维护，传统传感器因线路老化更换3次。

长期运行数据表明，DFOS系统在复杂环境下的平均无故障时间（MTBF）超过8000小时，可满足输电塔基全天候监测需求。

​​四、结论​​

本文提出了一种基于分布式光纤传感技术（DFOS）的高压架空输电线路塔基全方位在线监测方法，通过融合多散射机制解调与智能预警算法，实现了塔基应变、温度及振动信号的高精度分布式感知。实验表明：系统可捕捉塔基桩身微应变（±5με）、边坡滑移（定位误差≤2m）及冻融形变（温度补偿后误差<±10με），较传统点式传感器监测范围提升85%以上，且具备强抗电磁干扰与长期稳定性。该方法解决了传统监测手段空间覆盖率低、环境适应性差的问题，为塔基隐蔽性损伤的早期预警提供了可靠技术支撑。

研究成果对提升输电线路智能化运维水平具有重要意义：一方面，通过多物理场数据融合，可全面评估塔基健康状态，降低倒塔断线事故风险；另一方面，全分布式感知特性有助于构建输电走廊地质灾害预警体系，推动电网安全管控从“事后处置”向“事前预防”转型。未来将围绕光纤布设工艺优化、边缘智能诊断模型等方向深化研究，进一步提升系统的工程普适性与经济性。

参考文献：

[1]刘贤杰，基于分布式光纤的输电塔-线耦合动张力监测技术研究.山西省，国网山西省电力公司忻州供电分公司，2015-06-18.

[2]仝芳轩，王玲，王延，等.分布式光纤传感技术在架空线路中的应用[J].激光杂志，2014，35（05）：47-48.

[3]刘德明，孙琪真.分布式光纤传感技术及其应用[J].激光与光电子学进展，2009，46（11）：29-33.

[4]陈军，李永丽.应用于高压电缆的光纤分布式温度传感新技术[J].电力系统及其自动化学报，2005，（03）：47-49+58.

[5]王敏学，李黎，周达明，等.分布式光纤传感技术在输电线路在线监测中的应用研究综述[J].电网技术，2021，45（09）：3591-3600.DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2020.1795.

[6]张旭苹，张益昕，王亮，等.分布式光纤传感技术研究和应用的现状及未来[J].光学学报，2024，44（01）：11-73

第一作者：司兴登，男，1986年3月，汉族，山东济宁，讲师，硕士研究生，主要研究方向：电力系统自动化技术、电气自动化技术.

通讯作者：杨洪磊，男，1987年4月，汉族，河南省商丘市，讲师，硕士研究生，研究方向：电力电气自动化技术、高压架空输电线路