電力OPGW光纜覆冰性能研究及在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

陳拽霞 王穎 姜輝

摘 ?要： 本文基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)和運行事件查找運行風(fēng)險點，開展通信線路覆冰情況統(tǒng)計分析，為提升電力通信系統(tǒng)干線光纜運維水平奠定理論基礎(chǔ)。通過對曾經(jīng)遭受覆冰影響的光纜區(qū)段進行BOTDR在線監(jiān)測，切實掌握運行年限較長光纜的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，為解決干線光纜運行性能問題提供科學(xué)方法和依據(jù)，為提升電力通信系統(tǒng)安全水平提供科學(xué)保障。

關(guān)鍵詞： OPGW光纜;覆冰;性能分析;BOTDR;在線監(jiān)測

中圖分類號： TN913.31 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.033

本文著錄格式：陳拽霞，王穎，姜輝，等. 電力OPGW光纜覆冰性能研究及在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用[J]. 軟件，2020，41（01）：152155

【Abstract】： Based on the statistical data and operation events， this paper finds out the operation risk points， carries out the statistical analysis of the icing situation of the communication lines， and lays the theoretical foundation for improving the operation and maintenance level of the main optical cable in the power communication system. Through the on-line monitoring of BOTDR on the optical cable section that has been affected by icing， the stress-strain data of the optical cable with long service life can be grasped， which provides scientific methods and basis for solving the operation performance problems of the optical cable in the trunk line and provides scientific guarantee for improving the safety level of the power communication system.

【Key words】： OPGW; Line icing; Performance analysis; BOTDR; On-line monitoring

0 ?引言

目前，國網(wǎng)一級骨干通信系統(tǒng)（以下簡稱“一干網(wǎng)”）OPGW光纜總里程已達8萬余公里，且近60%的OPGW光纜運行年限已超過15年。同時，由于電力OPGW光纜特有的架設(shè)方式，運行過程中

將不可避免地受季節(jié)性覆冰、風(fēng)沙等極端天氣影響，同時由于高空懸掛會引發(fā)引力、張力等拉伸作用，可能造成電力線路桿塔傾斜或倒塌，導(dǎo)致電力導(dǎo)線、地線及光纖復(fù)合架空地線（OPGW）荷載增大、甚至斷裂，這些均將不同程度影響OPGW光纜的可靠運行，成為威脅電網(wǎng)安全生產(chǎn)可控、能控、在控的痛點和難點問題[1-4]。

目前，國網(wǎng)公司系統(tǒng)內(nèi)以及南方電網(wǎng)公司在覆冰厚度監(jiān)測、線路融冰等方面都做了一定程度的研究與應(yīng)用，包括圖像監(jiān)測法[5]、懸鏈法[6]、直流融冰技術(shù)[7]、光纜設(shè)計及選型[8-12]。針對經(jīng)受過覆冰的光纜，即便未發(fā)生中斷，仍然難以保證其弧垂、應(yīng)力、余長等不發(fā)生變化，因此亦有針對光纜余長控制的相關(guān)研究[13]。在運維工作中，除傳統(tǒng)的利用OTDR進行光纜衰耗檢測外，應(yīng)開展光纜性能深層次檢測，加強對光纜性能的實時掌握，目前已有利用BOTDR/BOTDA開展光纜應(yīng)變的實驗仿真[14-15]，但尚未有針對在運OPGW光纜開展的BOTDR監(jiān)測。

基于上述研究，本文首先基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)和運行事件查找運行風(fēng)險點，開展通信線路覆冰情況統(tǒng)計分析，通過對曾經(jīng)遭受覆冰影響的光纜區(qū)段進行BOTDR在線監(jiān)測，切實掌握運行年限較長光纜的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，為解決干線光纜運行性能問題提供科學(xué)方法和依據(jù)，確保提前發(fā)現(xiàn)光纜運行中存在的隱患。

1 ?電力OPGW光纜覆冰情況概述

OPGW通信光纜隨電力線路架設(shè)，可依據(jù)投運時間、所屬區(qū)域、光纜纖芯數(shù)、所屬線路電壓等級等多個維度進行覆冰情況的統(tǒng)計分析，但是覆冰現(xiàn)象主要與時間和區(qū)域特征有關(guān)，覆冰引發(fā)的風(fēng)險主要取決于實際覆冰厚度與設(shè)計值的比例，以及同等氣候、地形和光纜物理規(guī)格條件下，桿塔之間的塔距和高差，為此本文重點從時間、區(qū)域、覆冰荷載能力等方面開展了研究。

為確保數(shù)據(jù)樣本的全面性和典型場景的可追溯性，本文特選用近三年國網(wǎng)一級骨干通信系統(tǒng)（以下簡稱“一干網(wǎng)”）OPGW光纜運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)，即2016年冬季至2017年春季、2017年冬季至2018年春季、2018年冬季至2019年春季三個時間段的數(shù)據(jù)，為便于描述，本文采用2016年度、2017年度、2018年度分別對應(yīng)上述3個時段。

2 ?電力OPGW光纜覆冰性能研究

2.1 ?按年度統(tǒng)計分析

針對近三年一干網(wǎng)OPGW光纜的覆冰情況，本文從覆冰天數(shù)、影響范圍、單日覆冰光纜數(shù)、覆冰厚度等維度進行了統(tǒng)計分析，得出如下結(jié)論。

（1）累計覆冰時間逐年增長。相比于2016年度一干網(wǎng)OPGW累計覆冰天數(shù)，2017年度同比上升20.69%，2018年度同比增加15.71%以上。

（2）覆冰影響范圍逐年擴大。一方面是影響的省份增多，2016年僅3省出現(xiàn)一干網(wǎng)OPGW光纜覆冰，2017年度和2018年度則分別上升至9省和7省。另一方面是單日覆冰光纜數(shù)最大值增幅顯著，2016年度僅為5條，2017年度和2018年度則分別上升500%和300%。

（3）覆冰對業(yè)務(wù)的影響逐年加大。一方面是覆冰最大厚度值與設(shè)計值的對比值逐年增大，2016年度覆冰最大厚度值為設(shè)計值的50%，2017年達到100%，2018年則達到250%;另一方面是線路受災(zāi)情況逐年嚴重，2016年度一干網(wǎng)未發(fā)生倒塔災(zāi)害，2017年度一干網(wǎng)有2條線路發(fā)生倒塔，2018年度有2個省區(qū)內(nèi)發(fā)生光纜因覆冰中斷事件。

綜上，近三年一干網(wǎng)累計覆冰時間逐年增長，覆冰影響范圍逐年擴大，覆冰對業(yè)務(wù)的影響逐年加大，光纜覆冰形勢日趨嚴峻。

2.2 ?按月度統(tǒng)計分析

由近三年覆冰情況數(shù)據(jù)按月統(tǒng)計分析可得出。

（1）歲末年初，形勢緊張。總體而言1月份光纜覆冰線路最多，其次是2月份，是光纜安全運行的風(fēng)險高發(fā)期。

（2）極端天氣，規(guī)律難測。2017年度和2018年度，單日覆冰條數(shù)、覆冰最大厚度值超過設(shè)計值50%的線路數(shù)量均出現(xiàn)突然增長的現(xiàn)象;經(jīng)核實，極端天氣特別是山區(qū)、沿江地區(qū)的微氣候復(fù)雜多變，規(guī)律難以預(yù)測。

綜上，歲末年初正是覆冰現(xiàn)象高發(fā)期，而且微氣候復(fù)雜多變，需要進一步強化相關(guān)業(yè)務(wù)的風(fēng)險防控和應(yīng)急保障。

2.3 ?按區(qū)域統(tǒng)計分析

依據(jù)一干網(wǎng)OPGW光纜覆冰區(qū)域相關(guān)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，可得出如下結(jié)論。

（1）從累計覆冰天數(shù)統(tǒng)計，某省所轄范圍內(nèi)的一干網(wǎng)OPGW光纜覆冰時間最長，且多條線路連續(xù)3年遭受覆冰。

（2）某兩省雖然累計覆冰天數(shù)較短，但是2018年度覆冰情況較為嚴重。經(jīng)核實，其中一省境內(nèi)有線路部分區(qū)段出現(xiàn)最大覆冰厚度達到設(shè)計值的250%的情況;另一省境內(nèi)發(fā)生光路因光纜受覆冰中斷。

（3）線路覆冰受線路走廊微氣候影響大。經(jīng)核查，各省區(qū)域覆冰線路大多位于山區(qū)、沿江、濕度大的走廊，不同省份也有各自地域特征，如屬于高海拔地帶或山區(qū)多且沿江走廊多等。

綜上，覆冰現(xiàn)象呈現(xiàn)明細的區(qū)域特征，受線路所經(jīng)走廊的微氣候影響顯著。

2.4 ?按覆冰載荷能力統(tǒng)計分析

針對近三年實際覆冰厚度超過線路設(shè)計值90%的受災(zāi)狀況進行統(tǒng)計分析可知。

（1）部分省份境內(nèi)覆冰受災(zāi)線路由于覆冰設(shè)計值較低（10 mm-20 mm），導(dǎo)致極端天氣情況下覆冰厚度遠超設(shè)計值，甚至覆冰厚度曾達到了設(shè)計值的250%，存在較大的覆冰斷線隱患。

（2）線路覆冰厚度/設(shè)計值的最大值一定程度上反映了線路設(shè)計值能否應(yīng)對近三年內(nèi)的極端天氣情況。A省境內(nèi)的大部分光纜的覆冰設(shè)計值普遍較高（30 mm-50 mm），即使覆冰厚度最大值時，仍未超過設(shè)計值的90%。但是，B省境內(nèi)的大部分受災(zāi)光纜由于覆冰設(shè)計值偏?。?0 mm-20 mm），有6天條線路的最大覆冰值超過了設(shè)計值的90%，覆冰保障壓力較大。

綜上，近三年覆冰厚度超過線路設(shè)計值90%的受災(zāi)線路區(qū)段所在省份境內(nèi)，均多次出現(xiàn)覆冰最大厚度值遠超設(shè)計值的區(qū)段，反映出設(shè)計值已經(jīng)難以應(yīng)對極端天氣，需要屬地單位高度關(guān)注并盡快完成技術(shù)改造。

3 ?在運OPGW光纜應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

本文使用可探測長達幾十公里甚至一百公里以上任意一點的溫度和應(yīng)變等信息的布里淵時域分析光纖分布式系統(tǒng)（BOTDR），同時對光纜的溫度、應(yīng)力和損傷進行測量、狀態(tài)診斷和評估，對相關(guān)的運維和消缺工作提供數(shù)據(jù)支撐，提升發(fā)現(xiàn)和化解風(fēng)險隱患的能力。

3.1 ?BOTDR技術(shù)原理

BOTDR（Brillouin Optical Time-Domain Refractometer），是通過檢測光纖中背向布里淵散射光的頻移，實現(xiàn)光纖軸向所受應(yīng)力和溫度的測量及定位（公式（1）），它屬于分布式傳感技術(shù)的范疇。目前，該技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于公路、橋梁的應(yīng)力傳感測量，以及石油管道應(yīng)力溫度檢測、城區(qū)光纜防外破等場景。在電力系統(tǒng)中，浙江公司2018年利用該技術(shù)檢測冬季OPGW光纜覆冰區(qū)段的應(yīng)力變化，開展OPGW光纜的覆冰檢測工作。

3.2 ?應(yīng)變安全閾值

光纖壽命與光纖的初始強度、疲勞強度特性以及所受應(yīng)力大小之間的關(guān)系為。

其中： 為應(yīng)力作用下光纖的壽命; 為篩選試驗中光纖的受力時間; 為應(yīng)力下光纖的破斷概率;Np為篩選試驗中每千米光纖破斷數(shù);L為光纖長度;n為疲勞指數(shù);m為反映光纖低強度分部的參數(shù); 分別為篩選試驗中和應(yīng)力作用下光纖的應(yīng)變。經(jīng)計算，光纖應(yīng)變與壽命關(guān)系如下表所示。

由上表1可知，當纖芯應(yīng)變達到并超過0.25%時，纖芯嚴重劣化，可用性大幅下降，當超過0.35%時，纖芯不可用。

4 ?在運光纜應(yīng)力現(xiàn)場檢測及分析

2019年，由開展BOTDR儀表研制工作較深入的兩家單位，分別完成了為期30天的檢測工作，共開展兩段光纜（分別命名為“區(qū)段1”、“區(qū)段2”）、10根纖芯的應(yīng)力應(yīng)變檢測及分析。

4.1 ?檢測結(jié)果有效性

兩家廠商所有檢測數(shù)據(jù)的對比分析可知，對于同一測試纖芯，兩家廠商檢測數(shù)據(jù)高度一致，證明檢測結(jié)果的有效性，以及纖芯應(yīng)力存在的真實性、客觀性。

4.2 ?區(qū)段1光纜在線檢測及分析

區(qū)段1（兩端站分別為A、B站）的OPGW光纜全長94.4公里，對4根空余纖芯開展應(yīng)力檢測工作。檢測發(fā)現(xiàn)三處應(yīng)力異常區(qū)段，具體位置見下表。

其中第一區(qū)段為應(yīng)力最大且接近纖芯性能不可用閾值（0.35%），通過現(xiàn)場實地踏勘，具體位置為距區(qū)段1的A站約14.5公里處耐張桿塔掛點處，該桿塔型式為J2，且為拐角點，同時該區(qū)段為此光纜段內(nèi)唯一存在桿塔呼高差距大、線路檔距遠等特點的區(qū)段。已組織相關(guān)運維單位結(jié)合停電檢修計劃登塔開展后續(xù)的隱患排查工作，隱患徹底消除前，并建議在季節(jié)變化、大風(fēng)和覆冰等情況下對此區(qū)段重點關(guān)注，做好應(yīng)急預(yù)案。

4.3 ?區(qū)段2光纜在線檢測及分析

區(qū)段2（兩端站分別為C、D站）的OPGW光纜全長63公里，共有6根空余纖芯（2根故障纖芯，4根可用纖芯），其中兩根故障纖芯斷點為距區(qū)段2的C站點3.9公里及18公里。檢測首先使用OTDR對故障纖芯進行故障定位，其次使用BOTDR對其余4根空余纖芯進行應(yīng)力檢測，重點觀察可用纖芯在故障點處的應(yīng)力變化，同時使用OTDR觀察可用纖芯的衰耗變化。檢測發(fā)現(xiàn)：可用空閑纖芯在故障點處均發(fā)生不同程度的應(yīng)力突變情況（應(yīng)變最大值均小于劣化閾值0.25%，如下圖所示），而所有可用纖芯的衰耗值均正常。

檢測結(jié)果反映了雖然可用纖芯在故障斷點處的衰耗未產(chǎn)生明顯變化，但通過BOTDR檢測已發(fā)現(xiàn)對應(yīng)位置處實際存在一定程度的應(yīng)變，只是在未達到劣化閾值時，尚未對纖芯傳輸性能產(chǎn)生影響。因此，使用BOTDR檢測技術(shù)，可實現(xiàn)提早發(fā)現(xiàn)運行中的潛在風(fēng)險隱患。

綜上，通過對在運OPGW光纜開展應(yīng)變監(jiān)測，提出如下運維建議。

（1）開展針對投運年限較短或新投運光纜的應(yīng)變抽測工作，掌握光纜投運初期的應(yīng)變情況。

（2）通過實時與定期檢測相結(jié)合的方式開展現(xiàn)網(wǎng)OPGW光纜應(yīng)變檢測：針對一干網(wǎng)重要區(qū)段（承載重要業(yè)務(wù)和覆冰嚴重等區(qū)段）開展在運光纜實時監(jiān)測;其他區(qū)段光纜在春秋季檢查中增加BOTDR應(yīng)變定期檢測，最終實現(xiàn)在運OPGW光纜應(yīng)變檢測全覆蓋。

（3）針對遭受嚴重覆冰的光纜段，需結(jié)合檢修工作開展BOTDR檢測，以排查覆冰對光纖運行帶來的隱患。

5 ?結(jié)論

本文基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)和運行事件查找運行風(fēng)險點，開展電力OPGW光纜覆冰性能研究，為提升電力通信系統(tǒng)干線光纜運維水平奠定理論基礎(chǔ)。通過開展智能化監(jiān)測，提出運維提升建議，為強化通信系統(tǒng)本質(zhì)安全水平提供科學(xué)保障。

參考文獻

[1] 賈雷亮， 穆廣祺. 架空復(fù)合光纜（OPGW）覆冰斷線分析[J]. 電力設(shè)備， 2008， 9（8）： 64-66.

[2] 冀晉川， 高義斌， 董勇軍， 等. OPGW覆冰斷線原因分析[J]. 華北電力技術(shù)， 2008（7）： 15-17.

[3] 高德荃， 閆龍川， 龐九鳳， 等. 電力OPGW光纜覆冰特征統(tǒng)計分析及反事故措施[C]// 2016電力行業(yè)信息化年會論文集. 2016.

[4] 戚力彥， 王鵬， 趙大平. 光纖復(fù)合架空地線（OPGW）覆冰安全性能試驗研究[J]. 電信科學(xué)， 2010（S3）： 145-148.

[5] 胡建華， 倪旭明. OPGW光纖通道在輸電線路覆冰實時監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 機電信息， 2010（30）： 126+139.

[6] 滕玲. OPGW光纜覆冰性能研究[J]. 電力系統(tǒng)通信， 2010， 31（1）： 8-12.

[7] 孟志高. 光纖復(fù)合架空地線（OPGW）直流融冰過程與模型研究[D].

[8] 李海全， 路浩， 謝書鴻. 重冰區(qū)線路的OPGW光纜設(shè)計及應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)通信， 2007， 28（3）： 33-37.

[9] 繆春燕， 趙厚鵬， 繆晶晶， 等. 一種可融冰OPGW的研制[J]. 電力信息與通信技術(shù)， 2015（9）： 52-56.

[10] 樊紅君， 李曉琴， 龍勝亞， 等. 光纖應(yīng)變域?qū)拸V的OPGW研制[J]. 電力信息與通信技術(shù)， 2016（2）： 81-86.

[11] 曹珊珊， 王震， 徐海濤， 等. 小直徑大模場抗彎結(jié)構(gòu)設(shè)計光纖的性能研究[J]. 電力信息與通信技術(shù)， 2019（8）： 42-49.

[12] 謝書鴻， 金海峰. 重覆冰地區(qū)OPGW光纜的選擇[J]. 電力系統(tǒng)通信， 2005， 26（3）.

[13] 劉濤， 馮學(xué)斌， 劉彬， 等. OPGW光纖余長控制及壽命影響分析[J]. 電力信息與通信技術(shù)， 2017（9）： 8-12.

[14] 楊坤， 郝蘊琦， 葉青， 等. 基于BOTDR傳感技術(shù)的架空光纜覆冰監(jiān)測研究[J]. 激光雜志， 2018， 39（8）： 43-45.

[15] 李浩泉， 涂勤昌， 劉航杰， 等. 布里淵光纖傳感器BOTDA和電力架空光纜在線監(jiān)測應(yīng)用技術(shù)研究[J]. 光電產(chǎn)品與資訊， 2013， 4（3）.