長距離超高壓輸電線路覆冰期地線溫度監測

袁華璐 朱一峰 田霖 周黎明 程凌浩

（1.中國南方電網有限公司超高壓輸電公司 廣東省廣州市 510000）

（2.暨南大學光子技術研究院 廣東省廣州市 510632）

光纖復合架空地線（OPGW）是我國電力通信傳輸網中廣泛采用的特種光纜。OPGW集成輸電線路的地線（避雷線）和電力通信網網絡載體功能，具有通信容量大、通信距離長和不受電磁干擾等優點[1-2]。我國南方地區的輸電線路，覆冰是影響輸電線路安全運行的重大隱患之一[3-4]。覆冰會使導線和OPGW增加負重、隨風舞動，這會嚴重影響電力系統安全運行，造成巨大的社會和經濟損失。

交直流融冰是解決線路覆冰災害的主要方法[5-10]。根據南方電網的OPGW直流融冰作業規范，融冰過程中的主要監測手段有：OTDR監測光纜、融冰監測終端(OPGW表面溫度和電流)、人工和視頻觀測脫冰等。OTDR監測方法，不能有效的提前告警，不能實時監測OPGW內部光纖溫度的變化；融冰監測終端，只能夠提供OPGW表面的溫度和通過的電流。輸電線路上僅在少數桿塔安裝了融冰監測終端，且不能監測內部光纖溫度的變化及不能監測桿塔間的光纜；人工和視頻觀測脫冰，只能針對桿塔附近位置進行覆冰告警[11-13]。

近年來，布里淵時域反射（BOTDR）技術開始應用于電網輸電線路監測。文獻[14]通過實驗研究了當覆冰造成的拉力大于60%RTS時，OPGW內部的光纖將開始承擔覆冰的壓力而被伸長。文獻[4]研究了覆冰后內部光纖的溫度變化相比較未覆冰的溫度變化的不同關系，將這種關系應用于預測覆冰的識別，該模型對復雜的微環境因素做了簡化，在實際應用中將會受到限制。文獻[9]在湖南雪峰山應用BOTDR實驗測量了單個點在融冰過程的溫度變化，在融冰脫冰時由于熱傳導介質的變化，繼續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別脫冰的過程。文獻[15]采用BOTDR技術監測了現網中16公里的溫度情況，但是沒有融冰過程監測?，F有的BOTDR技術多應用于覆冰識別和少數模擬融冰實驗。暨南大學團隊在文獻[16]實現了基于拉曼放大技術的超長距離BOTDR技術，實現傳感距離接近100公里。本文應用BOTDR技術到超高壓輸電線路中，通過監測OPGW直流融冰過程和分析數據，研究基于BOTDR的超高壓直流線路OPGW融冰過程實時監測技術。

1 OPGW沿線溫度變化分析

本文對“西電東送”500千伏桂山乙線線路開展現場實測研究。桂山線全長318公里，中途沒有中繼站點。為了盡量延長監測距離，采用了基于分布式光纖拉曼放大輔助的BOTDR傳感系統，該系統在實驗室環境下可實現近100公里的傳感距離[16]。在實際的桂山線上，由于線路較多的熔接點帶來較大的光路損耗，傳感距離有一定損失，可以實現70至80公里的傳感，完成一次全程監測約耗時10秒。桂山線20號桿塔安裝了融冰監測終端，提供融冰電流和監測OPGW表面溫度信息。93號桿塔位于線路的重覆冰區，安裝了覆冰監測裝置，能夠提供桿塔位置的微環境、等值覆冰信息和視頻監控信息。

為了給線路上的溫度變化提供基準，我們同時測量了機房外開闊位置的24小時溫度變化和第20號桿塔的溫度監測結果，結果如圖1所示，站內室外24小時平均溫度4.81度，溫度變化標準差(STD)為1.34度；第20號桿塔的平均溫度為4.36度，溫度變化均方差為0.28度。由數值可見桿塔頂部(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。該段時間內OPGW最低溫度在4度左右，線路沒有覆冰。

為了研究OPGW光纖全線路的特征，我們首先對線路進行了24小時的溫度在線監測。2018年12月11日到12月12日，我們每間隔1個小時進行分布式的測量采集，測量結果疊加顯示為圖2中上部曲線和左側坐標軸。圖中顯示了BOTDR對OPGW線路前35公里的溫度監測數據，空間分辨率為50米。其中，代表第20號桿塔的測量點位于圖中10公里處。圖2左側坐標軸顯示的是BOTDR測量到的光纖布里淵散射信號中心頻率值（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所測得的布里淵頻率就反映了光纖的溫度變化。在實際測量中，BOTDR所接收到的光纖布里淵散射信號在進行射頻信號處理時，經過了頻率下變換，以降低信號頻率利于后續的信號處理。因此，圖2中顯示的是經過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，因此實際的布里淵頻率約為10.8 GHz。

由圖2所示，所測量線路有多處布里淵頻率的跳變點，將線路分割成多段。該線路經歷了多次維護和施工，采用了多個廠家和批次的光纖。這些光纖表現出不同的特征布里淵頻率，即在同一溫度下表現出不同的布里淵頻率，從而使得測量結果呈現出這類分段的情形。理論上，OPGW內部的光纖處于松弛狀態，不受應變，在環境溫度基本一致的情況下，各光纖段內的布里淵頻率應該基本相同，即表現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出了較大的斜率，比如20～32公里的區段?？紤]到溫度的地區變化較難表現出單調上升或單調下降的趨勢，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變，具體造成的原因，還需要結合現場檢測才能確定。

圖1：24小時溫度監測結果對比20號桿塔監測結果

圖2：桂山線OPGW在2018年冬季24小時BOTDR結果

圖3：桂山線OPGW在2019年夏天24小時BOTDR結果

圖4：OPGW融冰過程的BOTDR結果

圖5：24小時溫度監測與融冰期間溫度變化標準差的比較

測量曲線的波動范圍反映了溫度的波動范圍。由圖2可看出，線路各處在24小時內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情況，圖2中的下部曲線和右側坐標軸統計了線路各處的布里淵頻率波動的標準差與線路各處標準差平均值的比值。實測線路各處標準差平均值約為0.9 MHz。從圖中可見線路中多數位置的布里淵頻率波動位于0.75至1.25倍平均標準差之間，但是有少數幾個特別突出的尖峰位置，這些位置的波動達到了1.8倍的平均標準差，其絕對標準差數值達到了1.6 MHz，相當于1.6 ℃的溫度波動。這些位置在24小時時段范圍內的最高溫度數值和溫度的波動范圍均遠大于站內室外和第20號桿塔位置的數值。

如圖3所示，我們在2019年夏季(2019/06/25)也進行了24小時的分布式監測。整體上，夏季全天氣溫的平均波動范圍在16度左右。OPGW沿線的波動分布仍然存在不均勻現象，但是主要的分布都在0.75到1.25倍標準差均值之間。沒有出現如圖2中2018年冬季(2018/12/12)非常尖銳的不均勻的波動尖峰，并且整體上變化的趨勢也與冬季的現象不一致。說明在冬季2018/12/12全天溫度波動尖峰，并不是簡單的由OPGW本身特有的因素影響所導致的，而是由于線路當時所處的地域性的多種微環境（溫度、濕度、風力、光照等）因素綜合導致的。

2 直流融冰過程對OPGW沿線溫度變化的影響

2018年12月12日收到了93號桿塔(位于重覆冰區)的覆冰二級告警，下午16點開展OPGW直流融冰。我們對該融冰過程進行了持續的分布式監測。圖4的上部曲線和左側縱坐標疊加顯示了直流融冰通流期間監測得到的線路溫度分布曲線。在監測開始時，線路上通流已經進行了7分鐘，線纜已經基本達到了最高溫度，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，最終回落至環境溫度。比較融冰前的圖2和融冰后的圖4，可以看到在環境溫度相差不大時，測量結果具有較好的重復性。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號桿塔位于距監測站點45公里的位置，因此距監測站點35公里范圍內的線路屬于未覆冰或者輕微覆冰的區域，也是最容易因為直流融冰導致升溫過快的區域。從圖4數據分析得出，整個融冰過程中，35公里范圍內，溫度升高最高達到了53度，最小溫度升高約為10度。如果融冰電流和通流時間繼續增加，溫升較高位置的OPGW光纖將會受到較大的安全威脅。從實測結果并對比24小時溫度監測結果，融冰完成冷卻后的OPGW所表現出的溫度是比較均一的，說明環境溫度在35公里范圍內差別不大，環境溫度對溫升幅度的影響應該很小。因此，可以推測造成各處溫升幅度較大差異的主要因素可能來自于散熱速率的不同。OPGW所處地域的風速、光照、覆冰狀況等都是影響散熱速率的重要因素。因此，OPGW各個位置處的溫升不一致與各處所處的環境氣候應該有很大關系。

我們對融冰期間各處溫度變化的標準差進行了統計。圖4中的下部曲線和右側縱坐標顯示了線路各處溫度波動的標準差與標準差均值的比值。與圖2中的曲線比較，可以看到，通流過程中溫度變化更加劇烈，有更多位置的溫度變化標準差超過了1.25倍標準差均值。圖5比較了24小時溫度監測與融冰期的溫度變化標準差曲線，二者的尖峰之間有較強的相關性。由于標準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，使得我們可以通過日常的溫度監控，來預知具有潛在威脅的位置，從而在融冰過程中予以重點關注。

融冰過程中，根據OPGW的實時溫度情況，動態的控制通流電流大小，從而在保證OPGW安全的前提下，順利實現融冰，這是實施OPGW在線實時溫度監測的一個重要作用。為此，我們對融冰期間的OPGW溫度變化的動態過程予以了監測。圖6從監測數據中選取了三個典型地點，給出了這三處融冰過程中隨時間的溫度變化曲線。在第47分鐘時，融冰結束，融冰電流停止，此時電纜上各處溫度均開始快速下降。溫度下降過程持續約10分鐘左右，然后恢復到環境溫度。其中前5分鐘溫度下降最為迅速，溫度降幅可達90%。在停止融冰之前，電纜上各處的溫度變化隨時間表現出一定的波動。圖中顯示，這種波動可達到接近20℃的水平。其中，在11776米處，電纜溫度整體呈緩慢上升的趨勢；在13312米處，則呈緩慢下降的趨勢；而在21555.2米處，則整體表現平緩。溫度隨時間不同的變化趨勢，反映出電纜所處微環境的不同。同時，這種微環境隨著時間也在動態改變，使得OPGW的溫度并非簡單的線性變化。這也凸顯出在線實時溫度監測的重要意義，即能夠及時發現線路上溫度過熱的區域并作出預警，從而對通流電流進行動態調控以適應OPGW所處環境的變化。

圖6：OPGW融冰過程中三處位置溫度隨時間的變化

3 結論

我們對500千伏超高壓輸電線路進行了基于BOTDR技術的直流融冰過程的OPGW實時監測。研究發現在覆冰前階段性溫度的變化與融冰過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程重點關注預警的作用。融冰通流經過的OPGW不同位置的溫度變化具有較大的不均勻性，這種不均勻性將對線路構成較大的安全威脅。通過基于BOTDR技術的分布式傳感長距離溫度傳感技術，則可以實現快速在線的實時溫度監測，從而可以實現對融冰通流電流的實時反饋控制，保障融冰過程的安全可靠運行。