OPGW直流融冰過程對通信光纖的影響

龍波，喻圓祥

（云南電網(wǎng)有限責任公司昭通供電局，云南 昭通 657000）

0 前言

極端凝凍災害的頻發(fā)，為了避免OPGW光纜斷線等嚴重事故，OPGW融冰是必然。近年來，南方電網(wǎng)將直流融冰技術應用于架空地線和OPGW，并進行系統(tǒng)性的研究，成功解決地線和OPGW無法融冰的技術問題，也為覆冰地區(qū)通信OPGW光纜的可靠運行提供了新的技術手段。但在地線融冰的應用中出現(xiàn)了融冰線路OPGW光纜纖芯由于溫度過高被損壞故障，導致通信通道中斷，嚴重影響繼保、安穩(wěn)等生產(chǎn)實時控制業(yè)務的安全運行。為了確保OPGW光纜的融冰安全，近年來相關單位開展了較多研究[1-3]，除開展允許的最高融冰電流、最高溫升、最長融冰時間等基礎性研究以外，在融冰過程狀態(tài)監(jiān)測的研究主要包括以下兩個方向。第一，OPGW光纜相關研究[1]。融冰過程不僅會使OPGW光纜溫度升高，可能超過OPGW光纜允許溫升，另一方面，OPGW光纜覆冰脫落時會使纜線產(chǎn)生振動，振動會增大光纜的受力，可能超過OPGW光纜的允許張力范圍，由此，相關研究機構開展過融冰過程OPGW溫度、應力相關研究，確保OPGW光纜融冰過程的安全。第二，OPGW光纜內(nèi)部光纖相關的研究[2]。融冰過程的高溫及脫冰時的振動同樣會影響內(nèi)部光纖，也有研究單位開展過融冰過程的光纖溫度及應力監(jiān)測[3]。還包括融冰高溫對光纖衰減、光纖涂覆層、光纖膏的影響等基礎性研究[4]。無論是OPGW光纜因覆冰發(fā)生的溫度、應力變化；內(nèi)部光纖發(fā)生的溫度、應力變化；還是光纖高溫對涂覆層及油膏的影響。最終對通信影響與否的判斷標準依然是光纖衰耗。本文將展示分析融冰通流過程光纖測試信號，探討OPGW直流融冰過程對通信光纖的影響。

1 OPGW直流融冰過程對通信光纖產(chǎn)生的影響

1.1 溫度造成的影響

OPGW光纜具有接地、通信雙重功能。在通信功能應用中，需要滿足通信運行條件，要求使用溫度要控制在零下40℃~零上70℃之間。根據(jù)實踐表明，通信光纖長期在85℃的環(huán)境中運行，平均使用壽命為20年。所以，溫度使用環(huán)境對光纖使用壽命起到了決定性的作用[5]。

目前已有融冰溫度研究指出，如果融冰時對OPGW的表面溫度控制按照載流公式計算，實際的OPGW內(nèi)部的光纖溫度要高于表面溫度，而且這個差值隨著OPGW表面溫度升高而增大。最終會出現(xiàn)的問題是：雖然OPGW表面溫度滿足線路設計最高要求，但內(nèi)部光纖環(huán)境溫度可能已遠遠超過其安全使用溫度。OPGW如果長期經(jīng)受高溫環(huán)境會導致光纖涂覆層加速老化，降低其對外力影響的緩存作用，影響光纖的長期壽命及光纖衰減[4]。

1.2 張力作用造成的影響

OPGW覆冰后，弧垂會隨覆冰厚度增加而增大，可能造成與導線距離過近引發(fā)接地事故，有時可能低于導線垂度，甚至發(fā)生斷線事故。OPGW在進行結構余長、光纖余長設計時充分考慮了線路覆冰情況[6]，理論上講，只要OPGW不斷線，內(nèi)部光纖不會因為覆冰而產(chǎn)生額外張力。但融冰過程就更為復雜，融冰時，OPGW光纜上覆冰會快速融化，但檔距內(nèi)各位置覆冰融化程度可能不一樣，不均勻脫冰可能會使光纜產(chǎn)生不規(guī)律震動，不規(guī)律震動可能會使內(nèi)部光纖產(chǎn)生張力變化，從而影響光纖傳輸。OPGW弧垂就比導線更低。是因為OPGW直徑更小，在同樣覆冰環(huán)境拉升會更長。

2 OPGW直流融冰過程光纖參數(shù)分析

2.1 電力通信測量

光纖是電力通信通道中重要的載體，肩負著生產(chǎn)運營過程中的電力通信的重要任務。在OPGW融冰過程中光纖參數(shù)監(jiān)控、測量則是非常重要的工作內(nèi)容，落實融冰過程光纖測量，對于確保電力通信通道的安全性與可靠性具有重要意義。目前，南方電網(wǎng)各局對于OPGW融冰過程光纖參數(shù)測量已有明確要求，要求每15 min測量一組數(shù)據(jù)，并同時測量光纜表面溫度，形成測量記錄表，以及形成分析報告。

2.2 數(shù)據(jù)分析

對某500 kV變電站融冰裝置對某220 kV線路進行了直流融冰。本次融冰最大通流值：150 A。本次融冰線路全線實測最高溫度：7℃（未達到200 A）。

在融冰前、融冰過程中、融冰后分別對第13號纖芯進行了信號測試，圖1、圖2、圖3分別是融冰前、融冰過程中、融冰后的測試曲線。

圖1 融冰前光纖測試信號

圖2 融冰過程光纖測試信號

圖3 融冰后光纖測試信號

融冰前線路總衰耗為13.041 dB，融冰過程總衰耗為15.25 dB，融冰后線路總衰耗為13.929 dB。OPGW光纜光衰耗變化正常，融冰過程總損耗有所增加，但融冰后總損耗回歸正常，未發(fā)現(xiàn)其他異常。

融冰前、中、后事件點損耗統(tǒng)計表如表1所示。融冰前、中、后事件點損耗對比分析如圖4所示。融冰前線路事件點一共9個，融冰中和融冰后事件點均為13個，但事件點位置分布略有差異，如表1所示。其中全線路有6個事件點位置一致，其衰耗如表2所示。其中4個事件點在融冰過程中衰耗最高，融冰過程事件點衰耗最高占比66.7%。

表1 融冰前、中、后事件點損耗統(tǒng)計

圖4 融冰前、中、后事件點衰耗對比分析

表2 全線路位置一致事件點衰耗統(tǒng)計

通過數(shù)據(jù)截圖可以看到融冰前后整體衰耗雖然沒有太大變化，但融冰過程衰耗還是有明顯增加，并且融冰后事件點數(shù)量也有所增加。雖然短時間內(nèi)對通信傳輸沒有影響，但多年融冰累計影響也不容忽視，但目前缺乏更多的數(shù)據(jù)支撐說明融冰過程對通信光纖的影響。需要進一步收集更多數(shù)據(jù)開展研究。

3 OPGW直流融冰過程監(jiān)測方案

3.1 系統(tǒng)結構

OTDR作為光纖參數(shù)測量儀器，能夠在融冰時測量光纖基本參數(shù)，但開展OPGW直流融冰過程對通信光纖的影響需要更多的數(shù)據(jù)支撐，以及更高效智能的手段。在OTDR的基礎上，結合COTDR系統(tǒng)優(yōu)勢，可實現(xiàn)線路桿塔定位及高效智能的光纖測量。本文介紹的技術方案最終可實現(xiàn)在辦公室遠程監(jiān)控融冰通流過程的光纖狀態(tài)。系統(tǒng)的總體架構分為3層。最底層是變電站數(shù)據(jù)采集終端，完成融冰通流過程的測試功能，測試硬件具備1~36條纖芯數(shù)量可調(diào)的測試方式。中間層是后臺服務器層，包括數(shù)據(jù)庫、后臺控制程序。后臺服務器完成數(shù)據(jù)的管理、測試控制、告警分析、數(shù)據(jù)管理、消息分發(fā)、資源和告警的同步。評估系統(tǒng)的最上層是客戶端，用戶通過客戶端連接到評估系統(tǒng)服務器，完成界面表現(xiàn)和實現(xiàn)系統(tǒng)的各項操作功能。客戶端并不支持操作遠端數(shù)據(jù)采集終端，而通過后臺分配執(zhí)行，避免多客戶端同時操作引起硬件資源沖突。這種基于客戶端和服務器的方案使用簡單，控制有效，并便于系統(tǒng)升級。系統(tǒng)示意圖如圖5所示[7]。

圖5 系統(tǒng)示意圖

通過非相干和相干激光源發(fā)出探測光信號，探測光信號經(jīng)環(huán)形器傳入監(jiān)測光纖，散射回來的光纖信號經(jīng)偏振器把數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)轉換器，數(shù)據(jù)轉換器把數(shù)據(jù)傳輸給計算機進行處理，計算機對數(shù)據(jù)進行處理、存儲、展示，通過內(nèi)部網(wǎng)絡，用戶可訪問實時數(shù)據(jù)。智能系統(tǒng)可采集光纜中多芯光纖參數(shù)，更易于綜合分析論證。

3.2 系統(tǒng)功能特點設計說明

1）對光纜融冰通流的全程全網(wǎng)監(jiān)控：利用OTDR進行光纖融冰測試時，每根測試光纖都需要人手工接入，并每15 min測試一次，不能全面掌握融冰全過程光纖狀態(tài)，并且每次需要安排技術人員到變電站蹲守測試。本融冰監(jiān)測、評估系統(tǒng)利用網(wǎng)絡和多路復用技術，可以將用戶遍布各變電站的光纜都納入到監(jiān)控系統(tǒng)中，用戶足不出戶就可對全網(wǎng)融冰光纜進行測試。

2）自動測試和分析：融冰通流系統(tǒng)對接入監(jiān)控范圍的光纜不僅能在融冰通流過程實現(xiàn)高頻率數(shù)據(jù)監(jiān)測，還能定期進行自動測試，采集測試結果并自動進行分析比較，將維護人員從大量的手工測試工作中解放出來。同時系統(tǒng)能提供高頻度的自動測試，有利于加強重點保障線路的維護，其測試的效果是人工無法達到的。

3）專業(yè)化的分析：系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫能夠比 OTDR存儲更多的測試數(shù)據(jù)，并提供比OTDR更靈活和強大的分析界面，輔助用戶進行性能分析。同時系統(tǒng)內(nèi)部集成了專家分析數(shù)據(jù)庫和一些成熟的性能判斷指標，即使不是經(jīng)驗豐富的維護人員也能借助系統(tǒng)進行性能分析。系統(tǒng)根據(jù)分析結果的異?？勺詣映龉饫|中斷和性能劣化的實時告警，提醒用戶及時處理故障。

4）測試和資源的緊密結合：用戶的資源是由光纜、光纜段、管道段、地標、熔接和連接點構成。而光纜的測試結果是以測試曲線，曲線上的反射點和非反射點來反映，除了少數(shù)一線的維護人員，一般用戶尤其是主管領導很難將具體的光纜段、地標和測試結果的信息對應。光纜監(jiān)控系統(tǒng)通過結合光纜資源和測試信息，能讓用戶很清楚地了解到光纜網(wǎng)絡當前的性能狀況。

5）故障桿塔定位讓故障定位更準確：傳統(tǒng)OTDR故障定位的是故障點距離變電站的光纖距離，而本系統(tǒng)給出的定位是具體線路桿塔，方便搶修人員快速到達故障點。

4 結束語

通過上面的研究可以明確，OPGW直流融冰過程對通信光纖產(chǎn)生的影響進行研究是非常必要的。通過實際線路試驗發(fā)現(xiàn)融冰過程光纖衰耗有所變化。但目前研究僅僅局限于短時間、少量試驗數(shù)據(jù)的研究，對于每年都需要進行多次融冰操作的線路，經(jīng)過多次融冰高溫、融冰振動積少成多的影響，不可忽視。通過本文的方案建立監(jiān)測系統(tǒng)收集更多實際融冰過程數(shù)據(jù)，以便進一步分析直流融冰對通信光纖的影響。