基于BOTDR的雨天輸電線纜溫度變化研究

劉小燕+張學(xué)典

摘要： 為保證輸電線路的安全運(yùn)行，對(duì)高壓輸電線路的實(shí)時(shí)運(yùn)行溫度進(jìn)行了研究。采用光纖復(fù)合架空地線作為傳感器和通信通道，并利用布里淵光時(shí)域反射技術(shù)對(duì)輸電線路在下雨過程中的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。根據(jù)實(shí)際測(cè)實(shí)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在雨后溫度回升的過程中，留在線纜上的雨水因重力作用而向中間匯集，使得桿塔的溫度回升速度高于中間，輸電線纜桿塔處的溫度會(huì)高于兩個(gè)桿塔中間線路的溫度，因而出現(xiàn)溫差。

關(guān)鍵詞： 溫度； 光纖復(fù)合架空地線； 布里淵頻移； 在線監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)： TP 212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.008

文章編號(hào)： 1005-5630（2016）05-0416-07

引 言

隨著科技的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，智能化輸電線路在高壓輸電線路領(lǐng)域的研究和應(yīng)用越來越廣泛。其中輸電線路的工作溫度是反映輸電線路運(yùn)行狀態(tài)中的一項(xiàng)重要參數(shù)，對(duì)其的監(jiān)測(cè)和管理具有非常重要的意義。目前對(duì)輸電線路溫度的監(jiān)測(cè)主要是在線路的關(guān)鍵部位布設(shè)點(diǎn)式傳感器[1]，這種方式雖可以有效監(jiān)控關(guān)鍵位置的溫度參數(shù)，但是對(duì)于整個(gè)線路上的線纜溫度卻沒有明確的監(jiān)控，尤其是在雨天，因雨水的原因線路每個(gè)檔距上兩端與中間的位置會(huì)出現(xiàn)溫度差。本文采用布里淵光時(shí)域反射技術(shù)（BOTDR）[2]，利用光纖復(fù)合架空地線（OPGW）上現(xiàn)有的光纖對(duì)線路的溫度分布進(jìn)行監(jiān)控，從而監(jiān)測(cè)整條線路的溫度狀態(tài)，由此獲取下雨天輸電線路上的溫度分布狀況。

2 溫度監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究

2.1 溫度監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

為了研究光纖布里淵頻移與溫度的關(guān)系，搭建了如圖3所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在光纖距離末端約50 m的位置，將30 m光纖盤繞成環(huán)狀，放置于恒溫有機(jī)溶液槽中，用溫度計(jì)測(cè)量恒溫槽的溫度，光纖的起始端接BOTDR設(shè)備。將恒溫槽的溫度以2 ℃的間隔從-18 ℃逐步升高到70 ℃，在每個(gè)溫度之上保持15 min，同時(shí)用水銀溫度計(jì)記錄恒溫槽的溫度，BOTDR設(shè)備始終采集光纖的布里淵頻移變化。

由于在實(shí)驗(yàn)過程中，溫度計(jì)的示數(shù)與恒溫槽的溫度存在±0.2 ℃的差別，我們以溫度計(jì)的示數(shù)作為光纖的實(shí)際溫度，繪制了溫度與光纖的布里淵頻移之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。

橫坐標(biāo)代表溫度，縱坐標(biāo)代表30 m光纖的頻移均值。從圖中可以看出，溫度計(jì)的示數(shù)與BOTDR設(shè)備的讀數(shù)擬合結(jié)果基本一致。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明布里淵頻移對(duì)溫度的靈敏度系數(shù)為1.16 MHz/℃，基礎(chǔ)頻移為10.581 GHz（0 ℃的位置），這個(gè)結(jié)果與理論值（約1.1 MHz/℃）相符合。另外，光纖的基礎(chǔ)頻移與光纖的類型有關(guān)，不同類型的甚至同一類型不同批次的光纖，其基礎(chǔ)頻移都有所差別，但是靈敏度的差別很小。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了光纖的布里淵頻移與溫度具有良好的線性關(guān)系，頻移值直接反映了光纖所受溫度的變化過程。因此，通過測(cè)量光纖的布里淵頻移值就可以得到光纖的溫度。

2.2 實(shí)際線路溫度監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選擇了一條實(shí)際運(yùn)行的電纜線路。電纜線路長(zhǎng)度為35 km，線路上使用OPGW作為地線，同時(shí)使用OPGW中的光纖作為通訊用光纜，并將其引至電纜線路兩端的變電站內(nèi)。將分布式溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備置于變電站機(jī)房?jī)?nèi)，將被測(cè)線路的OPGW一芯光纖通過光纖與監(jiān)測(cè)設(shè)備連接。如圖5所示為實(shí)驗(yàn)示意圖。

BOTDR設(shè)備實(shí)時(shí)采集線路上的數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)被傳遞到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與信息處理單元，經(jīng)信息處理和輸出，顯示出全線線路的溫度監(jiān)測(cè)值。實(shí)驗(yàn)選擇距離監(jiān)測(cè)設(shè)備光纖端口8 km至14 km處的一段電纜線作為樣本，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2015年5月4日為晴天，當(dāng)晚19：00采集到的OPGW在正常天氣下的頻率曲線如圖6 所示。

通過多組參數(shù)核算生成所選線路正常天氣下的溫度曲線，如圖7所示。

下雨時(shí)段的頻率曲線取2015年5月9日17：00在雨中測(cè)得的數(shù)據(jù)，如圖8所示。

核算得出其溫度數(shù)據(jù)如圖9所示。

雨后的頻率曲線取2015年5月11日14：00的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)如圖10所示。

核算成溫度數(shù)據(jù)如圖11所示。

4 結(jié) 論

本文基于BOTDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了OPGW線路分布式溫度的在線監(jiān)測(cè)。經(jīng)對(duì)下雨過程前后的線纜溫度進(jìn)行全面的監(jiān)控，獲得有效的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)可以比較明顯地看出，在晴天以及下雨過程中輸電線纜上的線路溫度較為一致，而在雨停之后桿塔的溫度明顯會(huì)比中間的溫度要高。其原因是雨后留在線纜上的雨水因重力作用而向中間匯集，使得在雨后溫度回升的過程中桿塔的溫度回升速度高于中間，因而出現(xiàn)溫差。

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