輸電線(xiàn)路和光纜多功能故障精確定位及診斷系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

謝凱 任鵬亮 李明 呂濱 宋高麗

摘 要：本文提出了一種基于全光纖測(cè)試技術(shù)的輸電線(xiàn)路和光纜多功能故障精確定位及診斷技術(shù)，該技術(shù)可有效識(shí)別、定位線(xiàn)路和光纜舞動(dòng)、微風(fēng)振動(dòng)及外破等主要故障現(xiàn)象，具有功能多樣、分布式測(cè)量、分辨率高和安裝方便的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)國(guó)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——輸電線(xiàn)路線(xiàn)路舞動(dòng)防治技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：輸電線(xiàn)路;光纜;全光纖測(cè)試

中圖分類(lèi)號(hào)：TM75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）19-0144-03

Abstract： This paper proposed a multi-function fault location and diagnosis technology for transmission lines and optical cables based on all-fiber testing technology. This technology can effectively identify and locate major fault phenomena such as line and cable galloping， breeze vibration and external breakage， etc， and has the advantages of versatility， distributed measurement， high resolution and easy installation. The effectiveness and feasibility of the method were verified by the practical application of the State Grid Key Laboratory-Power Transmission Line Galloping Prevention and Controlling Technology Laboratory.

Keywords： transmission line;fiber optic cable;all-fiber testing technology

1 研究背景

研究顯示，近年來(lái)線(xiàn)路和光纜故障的原因主要包括外破、舞動(dòng)等因素[1-3]。2015年，國(guó)網(wǎng)公司500kV線(xiàn)路跳閘事件中，外力破壞達(dá)330次，占比21.7%;2018年1月，國(guó)網(wǎng)公司系統(tǒng)湖北省、安徽省、江西省、湖南省等省份共計(jì)577條110kV及以上線(xiàn)路出現(xiàn)覆冰，其中135條110kV及以上線(xiàn)路發(fā)生舞動(dòng)，導(dǎo)致33條線(xiàn)路跳閘或停運(yùn)。

目前，輸電線(xiàn)路和光纜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)種類(lèi)較多，包括視頻、舞動(dòng)、覆冰等，并已經(jīng)在電力系統(tǒng)中取得廣泛應(yīng)用。但這些設(shè)備在大規(guī)模應(yīng)用的同時(shí)也暴露出一些問(wèn)題：①功能單一;②覆蓋面?。▎吸c(diǎn)測(cè)量）;③精度難以保證;④可靠性差。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，對(duì)線(xiàn)路和光纜的監(jiān)測(cè)技術(shù)有了進(jìn)一步發(fā)展?；诶⑸涞姆植际綔囟葌鞲屑夹g(shù)[4，5]、基于瑞利散射的相位敏感光時(shí)域反射傳感技術(shù)[6，7]等全光纖測(cè)試技術(shù)的出現(xiàn)，改變了通信光纜單一的通信功能，使其進(jìn)一步具有了測(cè)試功能。本文提出了一種基于全光纖測(cè)試技術(shù)的輸電線(xiàn)路和光纜多功能故障精確定位及診斷技術(shù)，可有效識(shí)別和定位線(xiàn)路與光纜舞動(dòng)、微風(fēng)振動(dòng)及外破等主要故障現(xiàn)象。

2 系統(tǒng)組成

輸電線(xiàn)路和光纜多功能故障精確定位及診斷系統(tǒng)主要包括2個(gè)部分：一是基于光纖拉曼散射的光纖分布式溫度測(cè)量系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)輸電線(xiàn)路和光纜溫度;二是基于瑞利散射的光纖分布式測(cè)振系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)輸電線(xiàn)路和光纜的振動(dòng)狀態(tài)。

2.1 基于光纖拉曼散射的光纖分布式溫度測(cè)量系統(tǒng)

該子系統(tǒng)利用了光纖受激拉曼散射的放大原理、光纖的反斯托克斯拉曼散射波強(qiáng)度受光纖溫度調(diào)制的原理和光時(shí)域反射原理。

其工作流程如下，泵浦光纖激光器經(jīng)過(guò)泵浦-信號(hào)光纖波分復(fù)用器之后作信號(hào)放大處理，通過(guò)一個(gè)與1×2光纖雙向耦合器將信號(hào)分成兩部分：一部分與傳感光纖相連作為傳感部分;另一部分與光纖光柵窄帶反射濾波器連接，再與高隔離度的斯托克斯散射光和反斯托克斯拉曼散射光的濾波器連接，通過(guò)光電雪崩二極管把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)之后并做放大處理，最后通過(guò)比較器對(duì)兩種電信號(hào)作比對(duì)，所得信息即為光纖內(nèi)各個(gè)位置處的溫度信息。

2.2 基于瑞利散射的光纖分布式測(cè)振系統(tǒng)

基于相位敏感型光時(shí)域反射技術(shù)（Φ-OTDR）的線(xiàn)路和光纜振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)輸電線(xiàn)路和光纜的振動(dòng)狀態(tài)，包括舞動(dòng)、微風(fēng)振動(dòng)和外破等。

利用散射光的相干性設(shè)計(jì)出的相位敏感型光時(shí)域反射系統(tǒng)，光纖本身既是傳輸媒質(zhì)又是感知元件，光纖上任意一點(diǎn)都是傳感單元。當(dāng)光纜某位置發(fā)生振動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致該處折射率發(fā)生改變，最終導(dǎo)致該處光的相位發(fā)生改變。因此，返回的發(fā)生干涉的瑞利后向散射光光強(qiáng)因?yàn)橄辔坏母淖兌l(fā)生改變，通過(guò)與未發(fā)生振動(dòng)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行比較，最終找出光強(qiáng)變化的時(shí)間對(duì)應(yīng)振動(dòng)的確切位置。

2.3 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如下。測(cè)試通道：1通道（可擴(kuò)展）;測(cè)試距離：80km;空間分辨率：0.85～50m，分辨率可調(diào);溫度分辨率：1℃;測(cè)試頻率：0.3～300Hz;更新時(shí)間：0.1s。

3 在實(shí)際中的應(yīng)用

研制完成的輸電線(xiàn)路和光纜多功能故障精確定位及診斷系統(tǒng)經(jīng)河南省計(jì)量科學(xué)研究院檢定，其溫度測(cè)量系統(tǒng)的精度小于1℃。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和有效性，該裝置應(yīng)用在國(guó)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——輸電線(xiàn)路舞動(dòng)防治技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的真型試驗(yàn)線(xiàn)路上。輸電線(xiàn)路舞動(dòng)防治技術(shù)實(shí)驗(yàn)室是國(guó)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，建有真型試驗(yàn)線(xiàn)路、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)站，線(xiàn)路全長(zhǎng)3 715m，10基桿塔。

3.1 真型試驗(yàn)線(xiàn)路溫度試驗(yàn)

試驗(yàn)中分別使用#3～#9的氣象傳感器和DTS系統(tǒng)對(duì)檔距間輸電線(xiàn)路進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度測(cè)量，進(jìn)過(guò)溫度數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證DTS系統(tǒng)的可靠性。

選取2017年11月1日的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，將上述試驗(yàn)所得三組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于同一位置不同時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，溫度隨時(shí)間變化的總體趨勢(shì)一致，幅值差別原因是氣象傳感器與桿塔預(yù)留OPGW導(dǎo)線(xiàn)的位置不同以及DTS與氣象傳感器的標(biāo)定不一致。

對(duì)于同一時(shí)間不同位置，利用DTS測(cè)量結(jié)果如圖2所示，各桿塔位置處的導(dǎo)線(xiàn)溫度高于其附近位置導(dǎo)線(xiàn)的溫度，這是由于每一桿塔上都預(yù)留一定長(zhǎng)度盤(pán)繞成圈分布的OPGW導(dǎo)線(xiàn)，預(yù)留OPGW導(dǎo)線(xiàn)受風(fēng)力影響小于桿塔之間OPGW導(dǎo)線(xiàn)，因此溫度較高。

3.2 真型試驗(yàn)線(xiàn)路振動(dòng)測(cè)試

真型試驗(yàn)線(xiàn)路的導(dǎo)線(xiàn)上安裝了模擬冰，以便于線(xiàn)路在合適的自然風(fēng)條件下發(fā)生舞動(dòng)。在不同振動(dòng)狀態(tài)下，系統(tǒng)顯示如圖3至圖5所示。

從圖3至圖5可以看出：微風(fēng)振動(dòng)頻率集中在5～10Hz;次檔距振蕩頻率集中在2～3Hz;舞動(dòng)頻率集中在0.25～0.5Hz。因此，根據(jù)頻率信息，很容易區(qū)分出線(xiàn)路的故障狀態(tài);同時(shí)，根據(jù)圖中的頻率強(qiáng)度圖譜，可以判斷出該故障發(fā)生的位置。

4 分析與討論

相比現(xiàn)在應(yīng)用的輸電線(xiàn)路和光纜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備，本系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)。①功能多樣：可同時(shí)監(jiān)測(cè)、定位線(xiàn)路與光纜溫度、舞動(dòng)、微風(fēng)振動(dòng)及外破等主要故障現(xiàn)象;②分布式測(cè)量：一條光纖可以監(jiān)測(cè)整條線(xiàn)路，測(cè)試距離可達(dá)80km;③分辨率高：空間分辨率最小達(dá)0.85m;④安裝方便、維護(hù)簡(jiǎn)單：只需要在任何包含光纖的線(xiàn)纜終端（如變電站或通信中繼站）接入本系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)，不影響線(xiàn)路的正常運(yùn)行。

雖然系統(tǒng)具有上述優(yōu)點(diǎn)，但系統(tǒng)仍需要在提升量程、完善模式識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)等方面做進(jìn)一步優(yōu)化，以更好地滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維的需要。

5 結(jié)論

通過(guò)在國(guó)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室輸電線(xiàn)路舞動(dòng)防治技術(shù)實(shí)驗(yàn)室真型輸電線(xiàn)路上的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證了輸電線(xiàn)路和光纜多功能故障精確定位及診斷系統(tǒng)的可行性和有效性。該系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)有效地監(jiān)測(cè)輸電線(xiàn)路和光纜的狀態(tài)，便于有針對(duì)性地開(kāi)展運(yùn)維工作，能提高電網(wǎng)線(xiàn)路和光纜的安全水平，減少因電網(wǎng)事故帶來(lái)的損失，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的推廣應(yīng)用前景。

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