輸電線路和光纜多功能故障精確定位及診斷系統研發與應用

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試技術的輸電線路和光纜多功能故障精確定位及診斷技術，該技術可有效識別、定位線路和光纜舞動、微風振動及外破等主要故障現象，具有功能多樣、分布式測量、分辨率高和安裝方便的優點。通過國網重點實驗室——輸電線路線路舞動防治技術實驗室的實際應用，驗證了該方法的有效性和可行性。

關鍵詞：輸電線路;光纜;全光纖測試

中圖分類號：TM75 文獻標識碼：A 文章編號：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，近年來線路和光纜故障的原因主要包括外破、舞動等因素[1-3]。2015年，國網公司500kV線路跳閘事件中，外力破壞達330次，占比21.7%;2018年1月，國網公司系統湖北省、安徽省、江西省、湖南省等省份共計577條110kV及以上線路出現覆冰，其中135條110kV及以上線路發生舞動，導致33條線路跳閘或停運。

目前，輸電線路和光纜在線監測技術種類較多，包括視頻、舞動、覆冰等，并已經在電力系統中取得廣泛應用。但這些設備在大規模應用的同時也暴露出一些問題：①功能單一;②覆蓋面小（單點測量）;③精度難以保證;④可靠性差。

隨著計算機技術、傳感器技術的不斷發展進步，對線路和光纜的監測技術有了進一步發展。基于拉曼散射的分布式溫度傳感技術[4，5]、基于瑞利散射的相位敏感光時域反射傳感技術[6，7]等全光纖測試技術的出現，改變了通信光纜單一的通信功能，使其進一步具有了測試功能。本文提出了一種基于全光纖測試技術的輸電線路和光纜多功能故障精確定位及診斷技術，可有效識別和定位線路與光纜舞動、微風振動及外破等主要故障現象。

2 系統組成

輸電線路和光纜多功能故障精確定位及診斷系統主要包括2個部分：一是基于光纖拉曼散射的光纖分布式溫度測量系統，用于監測輸電線路和光纜溫度;二是基于瑞利散射的光纖分布式測振系統，用于監測輸電線路和光纜的振動狀態。

2.1 基于光纖拉曼散射的光纖分布式溫度測量系統

該子系統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度受光纖溫度調制的原理和光時域反射原理。

其工作流程如下，泵浦光纖激光器經過泵浦-信號光纖波分復用器之后作信號放大處理，通過一個與1×2光纖雙向耦合器將信號分成兩部分：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，通過光電雪崩二極管把光信號轉換成模擬電信號之后并做放大處理，最后通過比較器對兩種電信號作比對，所得信息即為光纖內各個位置處的溫度信息。

2.2 基于瑞利散射的光纖分布式測振系統

基于相位敏感型光時域反射技術（Φ-OTDR）的線路和光纜振動狀態監測系統，用于監測輸電線路和光纜的振動狀態，包括舞動、微風振動和外破等。

利用散射光的相干性設計出的相位敏感型光時域反射系統，光纖本身既是傳輸媒質又是感知元件，光纖上任意一點都是傳感單元。當光纜某位置發生振動時，導致該處折射率發生改變，最終導致該處光的相位發生改變。因此，返回的發生干涉的瑞利后向散射光光強因為相位的改變而發生改變，通過與未發生振動檢測到的信號進行比較，最終找出光強變化的時間對應振動的確切位置。

2.3 系統技術指標

系統技術指標如下。測試通道：1通道（可擴展）;測試距離：80km;空間分辨率：0.85～50m，分辨率可調;溫度分辨率：1℃;測試頻率：0.3～300Hz;更新時間：0.1s。

3 在實際中的應用

研制完成的輸電線路和光纜多功能故障精確定位及診斷系統經河南省計量科學研究院檢定，其溫度測量系統的精度小于1℃。為了驗證系統的可行性和有效性，該裝置應用在國網重點實驗室——輸電線路舞動防治技術實驗室的真型試驗線路上。輸電線路舞動防治技術實驗室是國網重點實驗室，建有真型試驗線路、在線監測系統及監測站，線路全長3 715m，10基桿塔。

3.1 真型試驗線路溫度試驗

試驗中分別使用#3～#9的氣象傳感器和DTS系統對檔距間輸電線路進行實時溫度測量，進過溫度數據對比，驗證DTS系統的可靠性。

選取2017年11月1日的溫度數據進行對比，將上述試驗所得三組數據進行對比，對于同一位置不同時間數據對比結果如圖1所示。從圖1可以看出，溫度隨時間變化的總體趨勢一致，幅值差別原因是氣象傳感器與桿塔預留OPGW導線的位置不同以及DTS與氣象傳感器的標定不一致。

對于同一時間不同位置，利用DTS測量結果如圖2所示，各桿塔位置處的導線溫度高于其附近位置導線的溫度，這是由于每一桿塔上都預留一定長度盤繞成圈分布的OPGW導線，預留OPGW導線受風力影響小于桿塔之間OPGW導線，因此溫度較高。

3.2 真型試驗線路振動測試

真型試驗線路的導線上安裝了模擬冰，以便于線路在合適的自然風條件下發生舞動。在不同振動狀態下，系統顯示如圖3至圖5所示。

從圖3至圖5可以看出：微風振動頻率集中在5～10Hz;次檔距振蕩頻率集中在2～3Hz;舞動頻率集中在0.25～0.5Hz。因此，根據頻率信息，很容易區分出線路的故障狀態;同時，根據圖中的頻率強度圖譜，可以判斷出該故障發生的位置。

4 分析與討論

相比現在應用的輸電線路和光纜在線監測設備，本系統具有如下優點。①功能多樣：可同時監測、定位線路與光纜溫度、舞動、微風振動及外破等主要故障現象;②分布式測量：一條光纖可以監測整條線路，測試距離可達80km;③分辨率高：空間分辨率最小達0.85m;④安裝方便、維護簡單：只需要在任何包含光纖的線纜終端（如變電站或通信中繼站）接入本系統即可實現監測，不影響線路的正常運行。

雖然系統具有上述優點，但系統仍需要在提升量程、完善模式識別數據庫等方面做進一步優化，以更好地滿足現場運維的需要。

5 結論

通過在國網重點實驗室輸電線路舞動防治技術實驗室真型輸電線路上的現場測試，驗證了輸電線路和光纜多功能故障精確定位及診斷系統的可行性和有效性。該系統通過實時有效地監測輸電線路和光纜的狀態，便于有針對性地開展運維工作，能提高電網線路和光纜的安全水平，減少因電網事故帶來的損失，具有重要的現實意義和廣闊的推廣應用前景。

參考文獻：

[1]孫珍茂.輸電線路舞動分析及防舞技術研究[D].杭州：浙江大學，2010.

[2]邵德軍，尹項根，陳慶前，等.2008年冰雪災害對我國南方地區電網的影響分析[J].電網技術，2009（5）：38-43.

[3]王建.輸電線路氣象災害風險分析與預警方法研究[D].重慶：重慶大學，2016.

[4]Lees G P，Leach A P，Hartog A H，et al. 1.64 /spl mu/m pulsed source for a distributed optical fibre Raman temperature sensor[[J]]. Electronics Letters，2002（19）：1809-1810.

[5]張在宣，王劍鋒，劉紅林，等，遠程分布光纖拉曼溫度傳感器系統光電子激光，2004（10）：1174-1177.

[6]黃尚廉.分布式光纖傳感器現狀與動向[J].光電工程，2000（3）：57-62.

[7]Ten C W， Tang Y. Electric Power： Distribution Emergency Operation[M]. CRC Press，2018.