長(zhǎng)距離超高壓輸電線路覆冰期地線溫度監(jiān)測(cè)

袁華璐 朱一峰 田霖 周黎明 程凌浩

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)有限公司超高壓輸電公司 廣東省廣州市 510000）

（2.暨南大學(xué)光子技術(shù)研究院 廣東省廣州市 510632）

光纖復(fù)合架空地線（OPGW）是我國(guó)電力通信傳輸網(wǎng)中廣泛采用的特種光纜。OPGW集成輸電線路的地線（避雷線）和電力通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)載體功能，具有通信容量大、通信距離長(zhǎng)和不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。我國(guó)南方地區(qū)的輸電線路，覆冰是影響輸電線路安全運(yùn)行的重大隱患之一[3-4]。覆冰會(huì)使導(dǎo)線和OPGW增加負(fù)重、隨風(fēng)舞動(dòng)，這會(huì)嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，造成巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)損失。

交直流融冰是解決線路覆冰災(zāi)害的主要方法[5-10]。根據(jù)南方電網(wǎng)的OPGW直流融冰作業(yè)規(guī)范，融冰過(guò)程中的主要監(jiān)測(cè)手段有：OTDR監(jiān)測(cè)光纜、融冰監(jiān)測(cè)終端(OPGW表面溫度和電流)、人工和視頻觀測(cè)脫冰等。OTDR監(jiān)測(cè)方法，不能有效的提前告警，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)OPGW內(nèi)部光纖溫度的變化；融冰監(jiān)測(cè)終端，只能夠提供OPGW表面的溫度和通過(guò)的電流。輸電線路上僅在少數(shù)桿塔安裝了融冰監(jiān)測(cè)終端，且不能監(jiān)測(cè)內(nèi)部光纖溫度的變化及不能監(jiān)測(cè)桿塔間的光纜；人工和視頻觀測(cè)脫冰，只能針對(duì)桿塔附近位置進(jìn)行覆冰告警[11-13]。

近年來(lái)，布里淵時(shí)域反射（BOTDR）技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于電網(wǎng)輸電線路監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[14]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了當(dāng)覆冰造成的拉力大于60%RTS時(shí)，OPGW內(nèi)部的光纖將開(kāi)始承擔(dān)覆冰的壓力而被伸長(zhǎng)。文獻(xiàn)[4]研究了覆冰后內(nèi)部光纖的溫度變化相比較未覆冰的溫度變化的不同關(guān)系，將這種關(guān)系應(yīng)用于預(yù)測(cè)覆冰的識(shí)別，該模型對(duì)復(fù)雜的微環(huán)境因素做了簡(jiǎn)化，在實(shí)際應(yīng)用中將會(huì)受到限制。文獻(xiàn)[9]在湖南雪峰山應(yīng)用BOTDR實(shí)驗(yàn)測(cè)量了單個(gè)點(diǎn)在融冰過(guò)程的溫度變化，在融冰脫冰時(shí)由于熱傳導(dǎo)介質(zhì)的變化，繼續(xù)通流將使光纖溫度有階躍性的變化。該階躍變化可以用于識(shí)別脫冰的過(guò)程。文獻(xiàn)[15]采用BOTDR技術(shù)監(jiān)測(cè)了現(xiàn)網(wǎng)中16公里的溫度情況，但是沒(méi)有融冰過(guò)程監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)有的BOTDR技術(shù)多應(yīng)用于覆冰識(shí)別和少數(shù)模擬融冰實(shí)驗(yàn)。暨南大學(xué)團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)[16]實(shí)現(xiàn)了基于拉曼放大技術(shù)的超長(zhǎng)距離BOTDR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感距離接近100公里。本文應(yīng)用BOTDR技術(shù)到超高壓輸電線路中，通過(guò)監(jiān)測(cè)OPGW直流融冰過(guò)程和分析數(shù)據(jù)，研究基于BOTDR的超高壓直流線路OPGW融冰過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)。

1 OPGW沿線溫度變化分析

本文對(duì)“西電東送”500千伏桂山乙線線路開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究。桂山線全長(zhǎng)318公里，中途沒(méi)有中繼站點(diǎn)。為了盡量延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)距離，采用了基于分布式光纖拉曼放大輔助的BOTDR傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下可實(shí)現(xiàn)近100公里的傳感距離[16]。在實(shí)際的桂山線上，由于線路較多的熔接點(diǎn)帶來(lái)較大的光路損耗，傳感距離有一定損失，可以實(shí)現(xiàn)70至80公里的傳感，完成一次全程監(jiān)測(cè)約耗時(shí)10秒。桂山線20號(hào)桿塔安裝了融冰監(jiān)測(cè)終端，提供融冰電流和監(jiān)測(cè)OPGW表面溫度信息。93號(hào)桿塔位于線路的重覆冰區(qū)，安裝了覆冰監(jiān)測(cè)裝置，能夠提供桿塔位置的微環(huán)境、等值覆冰信息和視頻監(jiān)控信息。

為了給線路上的溫度變化提供基準(zhǔn)，我們同時(shí)測(cè)量了機(jī)房外開(kāi)闊位置的24小時(shí)溫度變化和第20號(hào)桿塔的溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果，結(jié)果如圖1所示，站內(nèi)室外24小時(shí)平均溫度4.81度，溫度變化標(biāo)準(zhǔn)差(STD)為1.34度；第20號(hào)桿塔的平均溫度為4.36度，溫度變化均方差為0.28度。由數(shù)值可見(jiàn)桿塔頂部(OPGW)的溫度變化顯著小于地面上氣溫的變化，白天氣溫的升高顯著低于地面室外升溫。該段時(shí)間內(nèi)OPGW最低溫度在4度左右，線路沒(méi)有覆冰。

為了研究OPGW光纖全線路的特征，我們首先對(duì)線路進(jìn)行了24小時(shí)的溫度在線監(jiān)測(cè)。2018年12月11日到12月12日，我們每間隔1個(gè)小時(shí)進(jìn)行分布式的測(cè)量采集，測(cè)量結(jié)果疊加顯示為圖2中上部曲線和左側(cè)坐標(biāo)軸。圖中顯示了BOTDR對(duì)OPGW線路前35公里的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，空間分辨率為50米。其中，代表第20號(hào)桿塔的測(cè)量點(diǎn)位于圖中10公里處。圖2左側(cè)坐標(biāo)軸顯示的是BOTDR測(cè)量到的光纖布里淵散射信號(hào)中心頻率值（布里淵頻率）。由于布里淵頻率隨溫度線性變化，變化率約為1 MHz/℃，因此BOTDR所測(cè)得的布里淵頻率就反映了光纖的溫度變化。在實(shí)際測(cè)量中，BOTDR所接收到的光纖布里淵散射信號(hào)在進(jìn)行射頻信號(hào)處理時(shí)，經(jīng)過(guò)了頻率下變換，以降低信號(hào)頻率利于后續(xù)的信號(hào)處理。因此，圖2中顯示的是經(jīng)過(guò)下變頻后的中心頻率(MHz)。本文中，下變頻的本振頻率為10.6 GHz，因此實(shí)際的布里淵頻率約為10.8 GHz。

由圖2所示，所測(cè)量線路有多處布里淵頻率的跳變點(diǎn)，將線路分割成多段。該線路經(jīng)歷了多次維護(hù)和施工，采用了多個(gè)廠家和批次的光纖。這些光纖表現(xiàn)出不同的特征布里淵頻率，即在同一溫度下表現(xiàn)出不同的布里淵頻率，從而使得測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn)出這類分段的情形。理論上，OPGW內(nèi)部的光纖處于松弛狀態(tài)，不受應(yīng)變，在環(huán)境溫度基本一致的情況下，各光纖段內(nèi)的布里淵頻率應(yīng)該基本相同，即表現(xiàn)為一段基本水平的曲線。但是圖2中，布里淵頻率在一些光纖段中隨光纖距離表現(xiàn)出了較大的斜率，比如20～32公里的區(qū)段?？紤]到溫度的地區(qū)變化較難表現(xiàn)出單調(diào)上升或單調(diào)下降的趨勢(shì)，這種隨距離上升或下降的布里淵頻率，有可能暗示該段光纖受到了一定應(yīng)變，具體造成的原因，還需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)才能確定。

圖1：24小時(shí)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比20號(hào)桿塔監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖2：桂山線OPGW在2018年冬季24小時(shí)BOTDR結(jié)果

圖3：桂山線OPGW在2019年夏天24小時(shí)BOTDR結(jié)果

圖4：OPGW融冰過(guò)程的BOTDR結(jié)果

圖5：24小時(shí)溫度監(jiān)測(cè)與融冰期間溫度變化標(biāo)準(zhǔn)差的比較

測(cè)量曲線的波動(dòng)范圍反映了溫度的波動(dòng)范圍。由圖2可看出，線路各處在24小時(shí)內(nèi)的溫度變化范圍主要在4到5℃左右。為了量化線路各處的溫度波動(dòng)情況，圖2中的下部曲線和右側(cè)坐標(biāo)軸統(tǒng)計(jì)了線路各處的布里淵頻率波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差與線路各處標(biāo)準(zhǔn)差平均值的比值。實(shí)測(cè)線路各處標(biāo)準(zhǔn)差平均值約為0.9 MHz。從圖中可見(jiàn)線路中多數(shù)位置的布里淵頻率波動(dòng)位于0.75至1.25倍平均標(biāo)準(zhǔn)差之間，但是有少數(shù)幾個(gè)特別突出的尖峰位置，這些位置的波動(dòng)達(dá)到了1.8倍的平均標(biāo)準(zhǔn)差，其絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值達(dá)到了1.6 MHz，相當(dāng)于1.6 ℃的溫度波動(dòng)。這些位置在24小時(shí)時(shí)段范圍內(nèi)的最高溫度數(shù)值和溫度的波動(dòng)范圍均遠(yuǎn)大于站內(nèi)室外和第20號(hào)桿塔位置的數(shù)值。

如圖3所示，我們?cè)?019年夏季(2019/06/25)也進(jìn)行了24小時(shí)的分布式監(jiān)測(cè)。整體上，夏季全天氣溫的平均波動(dòng)范圍在16度左右。OPGW沿線的波動(dòng)分布仍然存在不均勻現(xiàn)象，但是主要的分布都在0.75到1.25倍標(biāo)準(zhǔn)差均值之間。沒(méi)有出現(xiàn)如圖2中2018年冬季(2018/12/12)非常尖銳的不均勻的波動(dòng)尖峰，并且整體上變化的趨勢(shì)也與冬季的現(xiàn)象不一致。說(shuō)明在冬季2018/12/12全天溫度波動(dòng)尖峰，并不是簡(jiǎn)單的由OPGW本身特有的因素影響所導(dǎo)致的，而是由于線路當(dāng)時(shí)所處的地域性的多種微環(huán)境（溫度、濕度、風(fēng)力、光照等）因素綜合導(dǎo)致的。

2 直流融冰過(guò)程對(duì)OPGW沿線溫度變化的影響

2018年12月12日收到了93號(hào)桿塔(位于重覆冰區(qū))的覆冰二級(jí)告警，下午16點(diǎn)開(kāi)展OPGW直流融冰。我們對(duì)該融冰過(guò)程進(jìn)行了持續(xù)的分布式監(jiān)測(cè)。圖4的上部曲線和左側(cè)縱坐標(biāo)疊加顯示了直流融冰通流期間監(jiān)測(cè)得到的線路溫度分布曲線。在監(jiān)測(cè)開(kāi)始時(shí)，線路上通流已經(jīng)進(jìn)行了7分鐘，線纜已經(jīng)基本達(dá)到了最高溫度，顯示為圖4中最上面的幾條曲線。通流停止后，圖4顯示線路溫度逐漸下降，溫度分布曲線逐漸下移，最終回落至環(huán)境溫度。比較融冰前的圖2和融冰后的圖4，可以看到在環(huán)境溫度相差不大時(shí)，測(cè)量結(jié)果具有較好的重復(fù)性。但是在融冰升溫期間，線纜各處的溫升并不一致。

由于告警的93號(hào)桿塔位于距監(jiān)測(cè)站點(diǎn)45公里的位置，因此距監(jiān)測(cè)站點(diǎn)35公里范圍內(nèi)的線路屬于未覆冰或者輕微覆冰的區(qū)域，也是最容易因?yàn)橹绷魅诒鶎?dǎo)致升溫過(guò)快的區(qū)域。從圖4數(shù)據(jù)分析得出，整個(gè)融冰過(guò)程中，35公里范圍內(nèi)，溫度升高最高達(dá)到了53度，最小溫度升高約為10度。如果融冰電流和通流時(shí)間繼續(xù)增加，溫升較高位置的OPGW光纖將會(huì)受到較大的安全威脅。從實(shí)測(cè)結(jié)果并對(duì)比24小時(shí)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果，融冰完成冷卻后的OPGW所表現(xiàn)出的溫度是比較均一的，說(shuō)明環(huán)境溫度在35公里范圍內(nèi)差別不大，環(huán)境溫度對(duì)溫升幅度的影響應(yīng)該很小。因此，可以推測(cè)造成各處溫升幅度較大差異的主要因素可能來(lái)自于散熱速率的不同。OPGW所處地域的風(fēng)速、光照、覆冰狀況等都是影響散熱速率的重要因素。因此，OPGW各個(gè)位置處的溫升不一致與各處所處的環(huán)境氣候應(yīng)該有很大關(guān)系。

我們對(duì)融冰期間各處溫度變化的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。圖4中的下部曲線和右側(cè)縱坐標(biāo)顯示了線路各處溫度波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差與標(biāo)準(zhǔn)差均值的比值。與圖2中的曲線比較，可以看到，通流過(guò)程中溫度變化更加劇烈，有更多位置的溫度變化標(biāo)準(zhǔn)差超過(guò)了1.25倍標(biāo)準(zhǔn)差均值。圖5比較了24小時(shí)溫度監(jiān)測(cè)與融冰期的溫度變化標(biāo)準(zhǔn)差曲線，二者的尖峰之間有較強(qiáng)的相關(guān)性。由于標(biāo)準(zhǔn)差曲線的尖峰代表了溫度劇烈變化的位置，因此這種一致性，使得我們可以通過(guò)日常的溫度監(jiān)控，來(lái)預(yù)知具有潛在威脅的位置，從而在融冰過(guò)程中予以重點(diǎn)關(guān)注。

融冰過(guò)程中，根據(jù)OPGW的實(shí)時(shí)溫度情況，動(dòng)態(tài)的控制通流電流大小，從而在保證OPGW安全的前提下，順利實(shí)現(xiàn)融冰，這是實(shí)施OPGW在線實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要作用。為此，我們對(duì)融冰期間的OPGW溫度變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程予以了監(jiān)測(cè)。圖6從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中選取了三個(gè)典型地點(diǎn)，給出了這三處融冰過(guò)程中隨時(shí)間的溫度變化曲線。在第47分鐘時(shí)，融冰結(jié)束，融冰電流停止，此時(shí)電纜上各處溫度均開(kāi)始快速下降。溫度下降過(guò)程持續(xù)約10分鐘左右，然后恢復(fù)到環(huán)境溫度。其中前5分鐘溫度下降最為迅速，溫度降幅可達(dá)90%。在停止融冰之前，電纜上各處的溫度變化隨時(shí)間表現(xiàn)出一定的波動(dòng)。圖中顯示，這種波動(dòng)可達(dá)到接近20℃的水平。其中，在11776米處，電纜溫度整體呈緩慢上升的趨勢(shì)；在13312米處，則呈緩慢下降的趨勢(shì)；而在21555.2米處，則整體表現(xiàn)平緩。溫度隨時(shí)間不同的變化趨勢(shì)，反映出電纜所處微環(huán)境的不同。同時(shí)，這種微環(huán)境隨著時(shí)間也在動(dòng)態(tài)改變，使得OPGW的溫度并非簡(jiǎn)單的線性變化。這也凸顯出在線實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)的重要意義，即能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路上溫度過(guò)熱的區(qū)域并作出預(yù)警，從而對(duì)通流電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控以適應(yīng)OPGW所處環(huán)境的變化。

圖6：OPGW融冰過(guò)程中三處位置溫度隨時(shí)間的變化

3 結(jié)論

我們對(duì)500千伏超高壓輸電線路進(jìn)行了基于BOTDR技術(shù)的直流融冰過(guò)程的OPGW實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)在覆冰前階段性溫度的變化與融冰過(guò)程溫度的變化具有一定的一致性，這種一致性能夠提供融冰過(guò)程重點(diǎn)關(guān)注預(yù)警的作用。融冰通流經(jīng)過(guò)的OPGW不同位置的溫度變化具有較大的不均勻性，這種不均勻性將對(duì)線路構(gòu)成較大的安全威脅。通過(guò)基于BOTDR技術(shù)的分布式傳感長(zhǎng)距離溫度傳感技術(shù)，則可以實(shí)現(xiàn)快速在線的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)融冰通流電流的實(shí)時(shí)反饋控制，保障融冰過(guò)程的安全可靠運(yùn)行。