110kV線路相導線綜合測溫技術實現研究

北京電力經濟技術研究院 舒 彬 張 穎 于紅麗 張亞富 歐陽曉梅

北京市電力公司 朱占巍

華北電力科學研究院有限公司 王 輝

1.引言

光纖通信由于其容量大、保密性好、不易受電磁干擾等優點，被廣泛應用于電力系統通信中，在要求越來越高的電力系統通信中發揮著重要的作用。

根據最新統計數據，截止2010年底，華北電網運行的OPGW光纜、ADSS光纜和其他類型電力特種光纜共計18217km（110kV及以上）。500kV和220kV變電站光纖覆蓋率約為100%，110kV變電站光纖覆蓋率約100%。

為了推進新技術應用，在張山營智能輸變電工程中，對光纖復合導線（OPPC）在110kV同塔雙回線路上的應用進行了系統研究。研究將先進的光纖通信、傳感技術與輸電技術進行高度融合和集成，既是將光纖嵌入高壓相線中，形成由光纖、傳感器、輸電導線組成的光纖復合導線，為智能電網的信息化、智能化、互動化提高通道和技術支撐。

光纖復合導線(Optical phase conductor，以下簡稱OPPC)是在傳統的導線結構中嵌入光纖單元的一種新型特種電力特種光纜。二十世紀80年代，在歐美國家首先出現OPPC的設計理念，目前OPPC技術在國外已經應用多年，應用于35千伏至420千伏的線路上，盡管國外在OPPC的應用已有一些實際經驗，但是將OPPC與光纖測溫技術融合在一起并投入實際運行的技術至今未見到報道。90年代初，國內就已經對OPPC的應用進行了關注和研究，并在10kV、35kV中壓線路上得到應用。

2.光纖復合導線的結構及特點

2.1 光纖復合導線結構

圖1 光纖復合導線結構示意圖

光纖復合導線是具有傳統架空導線和通信能力的導線，是在傳統的導線結構中嵌入光纖單元的一種新型特種電力特種光纜，通常OPPC是將傳統輸電導線中的一根或多根鋼絲用不銹鋼管光單元進行替換，使鋼管光單元與（鋁包）鋼線、鋁（合金）線共同絞合。

2.2 光纖復合導線特點

目前普遍采用的電力特種光纜主要有光纖復合架空地線OPGW和全介質自承式光纜ADSS，OPPC擴大了電力通信媒介的選擇余地，同時在某種程度上解決了OPGW光纜、ADSS光纜不能解決或難以解決的技術問題，具有如下技術特點：

1）OPPC技術是OPGW、ADSS技術的應用延伸和有益補充

我國目前在110kV～500kV線路主干網廣泛采用OPGW、ADSS進行通信，但對于一些難以選用OPGW、ADSS光纜的線路就需要考慮其它特種光纜，在10－35kV線路，因原線路沒有架空地線，所以無法使用OPGW，使用OPPC更為適宜。OPPC就是OPGW、ADSS光纜的補充產品，可以實現傳輸電能與光纖通信的完美融合。

2）OPPC可有效避免OPGW雷擊斷股問題

目前，由雷擊導致的斷股是OGPW光纜應用中的主要問題，安裝在架空輸電線上部的光纖復合架空地線作為保護導線，起到避雷線作用，所以它較易受雷擊。雷擊的直接后果是OPGW光纜的斷股，嚴重時內部光纖也會受到損害，這不但影響輸電線路的可靠運行，甚至可能導致通信的中斷。全國發生了幾十起OPGW遭雷擊斷芯斷股事故，2008年-2009年華北電網更換500kV萬順線與房保線OPGW光纜，共花費資金約400萬元。

3）OPPC可解決OPGW能量損耗問題

OPGW光纜采用逐基塔接地的方式，產生環流能量損耗問題，電壓等級越高，損耗越嚴重。110kV輸電線路地線百公里年電能損耗約為0.5-2萬kW·h，220kV輸電線路地線百公里年電能損耗約為5-10萬kW·h，330kV輸電線路地線百公里年電能損耗約為60萬kW·h，500kV輸電線路地線百公里年電能損耗約為140萬kW·h，750kV輸電線路地線百公里年電能損耗約為218萬kW·h采用光纖復合導線，輸電線路避雷線采用分段和開環等方法可以減小避雷線上的電流，進而減小避雷線上電能損耗。

4）OPPC可解決ADSS電腐蝕問題

目前，ADSS光纜應用中的主要障礙是電腐蝕現象。處于強電場中的ADSS光纜與導線和大地之間的電容耦合，會在光纜表面產生一定的空間電位。空間電位導致接地漏電流并在光纜表面形成干燥帶，當干燥帶兩端的電位足夠高時就產生了放電，形成了干帶電弧。電弧產生的熱量會使光纜外護套松弛融化直至脫落，進而腐蝕芳綸紗，最后導致光纜的斷裂。OPPC光纖與導線處于同一電位，不存在電腐蝕問題。

5）充分利用輸電線路資源

非桿塔附加型產品，沒有給原有桿塔或線路附加額外機械負荷，不會降低輸電線路的安全性和可靠性。

6）具有良好的熱穩定性，保證光通信不受影響

我國輸電導線設計長期使用溫度為70℃，短期為90℃。而光纖長期使用溫度可為100℃，光纖油膏、纜膏的滴點均大于200℃，鋁包鋼線、鋁線的120℃高溫熱穩定性也很好，因此，傳輸電能和光纖通信均不受影響。

7）有絕對的防盜優勢

因OPPC導線與接頭盒上均有高電壓，有絕對的防盜優勢。

3.導線實時溫度測量系統研究

實現對導線溫度的實時監測，可以為輸電線路融冰、輸電狀態、動態增容提供了實時、準確的重要依據，實現信息了互動化，對于提高電網安全運行水平，提高電網輸電能力與效益具有重大意義。

導線測溫目前主要有三種方法，即接觸式測溫法、紅外測溫法和光纖測溫法，其中光纖測溫法分為分布式光纖測溫法和光柵測溫法。

3.1 接觸式測溫法

接觸式測溫法主要采取接觸式溫度傳感器，包括熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器和集成溫度傳感器等。系統是利用多個接觸式測溫探頭和溫度轉換、溫度傳輸部件構成，其輸出信號由后臺機處理。在需要監測的輸電線路導線上安裝測溫單元，負責實時采集導線的溫度，經過處理后通過小功率射頻模塊將數據無線上傳至塔上監測主機。各輸電線路的相應桿塔上安裝一塔上主機，鐵塔上的監測主機一方面接收本塔所轄各測溫單元無線上傳的導線及金具溫度數據，塔上監測主機負責將導線溫度及環境氣象參數等所有數據壓縮打包后通過無線通訊方式將數據傳往監測中心。目前已開發產品的供電實現電源無源化，是采用一次側抽能方式，并用特殊的電路設計以保證在一次側電流大幅變化條件下測溫器仍能可靠工作。實現了測溫單元設備免維護的要求。此種測溫方式只是用于線路某點測試，并且需要使用社會公共無線網絡傳送，然后基站后臺處理。

3.2 紅外測溫法

紅外非接觸測溫技術是利用物體產生的紅外輻射能量的強度與物體溫度的關系來確定物體的表面溫度，該技術比較成熟，在工業上應用較為廣泛，但該技術應用于導線和金具溫度測量時存在兩方面的問題：一是總是擺脫不了目標的輻射吸收率變化對測量精度的影響，標定起來較為復雜；二是測溫精度受探測距離、被測物表面狀況等諸多因素影響，安裝調試非常麻煩，而且測量精度和長期測量的穩定性也難以滿足要求，另外目前紅外測溫均使用現有成套設備，需要人工地面操作，無法實現在線監測。又因為遠距離測試，導線面積小、有晃動很難對準，并受到背景環境影響，測量精度基本無法保證。

3.3 光纖光柵測溫法

光纖光柵測溫方式是通過紫外照射的方法，在纖芯內形成一段折射率不同的周期性分布的光柵。由于纖芯的折射率不同，會使光纖的頻譜響應特性發生變化，當寬譜輸入光源從一端輸入光纖時，光纖光柵會對特定波長的光形成明顯的反射，光纖光柵傳感器測溫正是利用了光柵對特定波長的反射原理。當光纖光柵的溫度發生變化時，光柵的周期隨之發生變化，由此帶來反射波長的變化，通過測量反射波長的變化，即可得到溫度變化。由于測量的是反射波長，因此這種方法可以在單端進行測試。光纖光柵測溫系統使用特制光纖，反射信號強，穩定性好。其劣勢在于必須使用特殊的光纖光柵，測量的點數有限制，不能夠進行導線連續測溫。

3.4 分布式光纖測溫法

分布式光纖測溫(Distributed Temperature Sensing)(DTS)技術最早示范成功是在1981年，Southampton大學在通訊光纖上測試成功。DTS系統同時利用單根光纜實現溫度監測和信號傳輸，綜合利用光纖拉曼散射效應(Raman scattering)和光時域反射測量技術（Optical Time-Domain Reflectometry，簡稱OTDR）來獲取空間溫度分布信息。其中光纖拉曼散射效應用于實現溫度測量，光時域反射測量技術用于實現溫度定位，它能夠連續測量光纖沿線的溫度分布情況，空間定位精度達到米的數量級，能夠進行不間斷的自動測量，特別適宜于需要短距離、大范圍多點測量的應用場合。

3.5 方案比較

通過表一分析，采用分布式光纖測溫法技術先進，系統穩定可靠，免于維護，運行成本低，本項目試驗線段為19公里，宜采用拉曼測溫法進行導線測溫，并采用接觸式測溫方法進行校對方案可行性最高。

4.光纖復合導線光纖保護及耐熱性能技術研究

光纖復合導線在工程中應用時，是將三相導線中的一相（或一根）更換為光纖復合導線光纜，使其即滿足線路輸電的要求，同時滿足系統對通信信號的要求。其中涉及到導線間的機械性能與電氣性能的配合、光纖保護、長期耐熱性等關鍵技術。

4.1 與導線技術參數匹配

光纖復合導線需滿足線路輸送容量的要求，保證持續耐熱；其次，光纖復合導線的電氣特性和機械特性應與其余兩相導線匹配，以保證三相導線的張力弧垂特性一致，光纖復合導線的直流電阻應與其余兩相導線接近，以避免遠端電壓變化并保持三相平衡。因此光纖復合導線光纜的各種參數要與其他兩相的導線接近。

4.2 光纖的保護

采用激光焊接不銹鋼帶形成無縫鋼管將光纖納入其中形成光單元，光單元應具有良好的機械保護，保證其中光纖不受擠壓，為防止潮氣侵入而影響光纖的使用壽命，不銹鋼管中需填充油膏。光纖單元中的光纖應有一定的余長，以保證光纖在導線運行中不會受到拉伸。對光纖復合導線來說，由于存在放線、過滑輪、緊線造成的結構伸長及運行過程中的溫度升高產生的膨脹伸長及塑性變形產生的蠕變伸長，因此對光纖余長控制工藝要求非常嚴格。

4.3 長期耐熱性能

OPPC光纜結構型式類似于（鋁包）鋼芯鋁（合金）絞線，載流運行溫度為70℃-90℃。70℃-90℃的長期運行溫度對鋁、鋼材料性能無影響，材料組織結構不會遭受破壞，不會引起不可逆的塑性變形。OPPC所使用的光纖油膏具有良好的溫度特性（化學特性的穩定性）。OPPC光纜本身的長期耐熱性能通過持續通流試驗，附加光衰減試驗結果滿足試驗要求。因此，OPPC的光纜機械電氣性能和運行中的長期耐熱性能可以滿足實際運行要求。

5.光纖復合導線接續研究

光纖復合導線不能使用常規壓接接續，目前只能是通過接頭盒在耐張桿塔上連接起來，在接頭盒中采用高壓隔離絕緣技術和光電分離技術，安全可靠地隔離高電壓和通信信號，將傳輸通信信號的光纖接續起來，或連接到零電位水平，保證通訊等信號傳輸；電力導線也在此處電氣接續，并且為了保證線路的負荷輸送，在中間接頭盒兩側高壓導線處附加一同型號導線，導線用楔形線夾連接固定，保證線路安全運行。接頭盒的設計充分考慮輸電線路實際情況，力求做到結構簡潔合理、性能穩定并且施工簡便，滿足現場運行條件的需要。

接頭盒的設計充分考慮輸電線路實際情況，力求做到結構簡潔合理、性能穩定并且施工簡便，滿足現場運行條件的需要。研制了六種接頭盒形式：二種終端接頭盒，一種支柱式、一種懸掛式；四種中間接頭盒，一種支柱式、三種懸掛式，懸掛式中間接頭盒分為自帶絕緣子、不帶絕緣子（此種接頭盒處也可用普通常規絕緣子懸掛）和帶引下光纖三種形式。

圖2 接頭盒內部示意圖

表1 測溫方案比較

110kV等級及以下線路桿塔間隙小，可以延續采用傳統支柱式接頭盒安裝在桿塔側面支架上。也可采用新型懸掛式接頭盒，可以在輸電線路任意一相應用。本項目為110kV同塔雙回線路，因此選用懸掛式接頭盒接續比較適宜。

以前的接頭盒結構不能夠預留不銹鋼管，不方便施工和今后維護。本課題研制的接頭盒從盒體的側面進線，不銹鋼管以其自然狀態盤繞在盒內，解決OPPC線路在接續點不能預留過多導線帶來的問題，也為今后的維護準備了余量。

在接頭盒的端部采用科學的防水、導流、排水結構，保證雨水不會沿OPPC的層絞間的縫隙進入接頭盒。對接頭盒的進出纜線夾進行了加長，在運行過程中，由于OPPC的末端是其易損的薄弱點，線夾加長后對OPPC的握著長度增加，降低了OPPC損壞的風險(如圖2所示)。

6.結論

對光纖復合導線（OPPC）在110kV同塔雙回線路上的應用進行系統研究。導線測溫可以采用分布式光纖測溫法，并采用接觸式測溫方法進行校對，穩定可靠，免于維護，運行成本低，可行性最高，為輸電線路狀態監測、動態增容提供了新的技術手段。并從復合導線光纖保護、耐熱性及導線接續等方面研究，在110kV同塔雙回線路上應用光纖復合導線（OPPC），將先進的光纖通信、傳感測溫技術與輸電技術進行高度融合和集成，可以解決目前電力特種光纜OPGW及ADSS光纜遇到的電腐蝕、雷擊、線損等問題。