长距离超高压输电线路覆冰期地线温度监测

袁华璐 朱一峰 田霖 周黎明 程凌浩

（1.中国南方电网有限公司超高压输电公司 广东省广州市 510000）

（2.暨南大学光子技术研究院 广东省广州市 510632）

光纤复合架空地线（OPGW）是我国电力通信传输网中广泛采用的特种光缆。OPGW集成输电线路的地线（避雷线）和电力通信网网络载体功能，具有通信容量大、通信距离长和不受电磁干扰等优点[1-2]。我国南方地区的输电线路，覆冰是影响输电线路安全运行的重大隐患之一[3-4]。覆冰会使导线和OPGW增加负重、随风舞动，这会严重影响电力系统安全运行，造成巨大的社会和经济损失。

交直流融冰是解决线路覆冰灾害的主要方法[5-10]。根据南方电网的OPGW直流融冰作业规范，融冰过程中的主要监测手段有：OTDR监测光缆、融冰监测终端(OPGW表面温度和电流)、人工和视频观测脱冰等。OTDR监测方法，不能有效的提前告警，不能实时监测OPGW内部光纤温度的变化；融冰监测终端，只能够提供OPGW表面的温度和通过的电流。输电线路上仅在少数杆塔安装了融冰监测终端，且不能监测内部光纤温度的变化及不能监测杆塔间的光缆；人工和视频观测脱冰，只能针对杆塔附近位置进行覆冰告警[11-13]。

近年来，布里渊时域反射（BOTDR）技术开始应用于电网输电线路监测。文献[14]通过实验研究了当覆冰造成的拉力大于60%RTS时，OPGW内部的光纤将开始承担覆冰的压力而被伸长。文献[4]研究了覆冰后内部光纤的温度变化相比较未覆冰的温度变化的不同关系，将这种关系应用于预测覆冰的识别，该模型对复杂的微环境因素做了简化，在实际应用中将会受到限制。文献[9]在湖南雪峰山应用BOTDR实验测量了单个点在融冰过程的温度变化，在融冰脱冰时由于热传导介质的变化，继续通流将使光纤温度有阶跃性的变化。该阶跃变化可以用于识别脱冰的过程。文献[15]采用BOTDR技术监测了现网中16公里的温度情况，但是没有融冰过程监测。现有的BOTDR技术多应用于覆冰识别和少数模拟融冰实验。暨南大学团队在文献[16]实现了基于拉曼放大技术的超长距离BOTDR技术，实现传感距离接近100公里。本文应用BOTDR技术到超高压输电线路中，通过监测OPGW直流融冰过程和分析数据，研究基于BOTDR的超高压直流线路OPGW融冰过程实时监测技术。

1 OPGW沿线温度变化分析

本文对“西电东送”500千伏桂山乙线线路开展现场实测研究。桂山线全长318公里，中途没有中继站点。为了尽量延长监测距离，采用了基于分布式光纤拉曼放大辅助的BOTDR传感系统，该系统在实验室环境下可实现近100公里的传感距离[16]。在实际的桂山线上，由于线路较多的熔接点带来较大的光路损耗，传感距离有一定损失，可以实现70至80公里的传感，完成一次全程监测约耗时10秒。桂山线20号杆塔安装了融冰监测终端，提供融冰电流和监测OPGW表面温度信息。93号杆塔位于线路的重覆冰区，安装了覆冰监测装置，能够提供杆塔位置的微环境、等值覆冰信息和视频监控信息。

为了给线路上的温度变化提供基准，我们同时测量了机房外开阔位置的24小时温度变化和第20号杆塔的温度监测结果，结果如图1所示，站内室外24小时平均温度4.81度，温度变化标准差(STD)为1.34度；第20号杆塔的平均温度为4.36度，温度变化均方差为0.28度。由数值可见杆塔顶部(OPGW)的温度变化显著小于地面上气温的变化，白天气温的升高显著低于地面室外升温。该段时间内OPGW最低温度在4度左右，线路没有覆冰。

为了研究OPGW光纤全线路的特征，我们首先对线路进行了24小时的温度在线监测。2018年12月11日到12月12日，我们每间隔1个小时进行分布式的测量采集，测量结果叠加显示为图2中上部曲线和左侧坐标轴。图中显示了BOTDR对OPGW线路前35公里的温度监测数据，空间分辨率为50米。其中，代表第20号杆塔的测量点位于图中10公里处。图2左侧坐标轴显示的是BOTDR测量到的光纤布里渊散射信号中心频率值（布里渊频率）。由于布里渊频率随温度线性变化，变化率约为1 MHz/℃，因此BOTDR所测得的布里渊频率就反映了光纤的温度变化。在实际测量中，BOTDR所接收到的光纤布里渊散射信号在进行射频信号处理时，经过了频率下变换，以降低信号频率利于后续的信号处理。因此，图2中显示的是经过下变频后的中心频率(MHz)。本文中，下变频的本振频率为10.6 GHz，因此实际的布里渊频率约为10.8 GHz。

由图2所示，所测量线路有多处布里渊频率的跳变点，将线路分割成多段。该线路经历了多次维护和施工，采用了多个厂家和批次的光纤。这些光纤表现出不同的特征布里渊频率，即在同一温度下表现出不同的布里渊频率，从而使得测量结果呈现出这类分段的情形。理论上，OPGW内部的光纤处于松弛状态，不受应变，在环境温度基本一致的情况下，各光纤段内的布里渊频率应该基本相同，即表现为一段基本水平的曲线。但是图2中，布里渊频率在一些光纤段中随光纤距离表现出了较大的斜率，比如20～32公里的区段。考虑到温度的地区变化较难表现出单调上升或单调下降的趋势，这种随距离上升或下降的布里渊频率，有可能暗示该段光纤受到了一定应变，具体造成的原因，还需要结合现场检测才能确定。

图1：24小时温度监测结果对比20号杆塔监测结果

图2：桂山线OPGW在2018年冬季24小时BOTDR结果

图3：桂山线OPGW在2019年夏天24小时BOTDR结果

图4：OPGW融冰过程的BOTDR结果

图5：24小时温度监测与融冰期间温度变化标准差的比较

测量曲线的波动范围反映了温度的波动范围。由图2可看出，线路各处在24小时内的温度变化范围主要在4到5℃左右。为了量化线路各处的温度波动情况，图2中的下部曲线和右侧坐标轴统计了线路各处的布里渊频率波动的标准差与线路各处标准差平均值的比值。实测线路各处标准差平均值约为0.9 MHz。从图中可见线路中多数位置的布里渊频率波动位于0.75至1.25倍平均标准差之间，但是有少数几个特别突出的尖峰位置，这些位置的波动达到了1.8倍的平均标准差，其绝对标准差数值达到了1.6 MHz，相当于1.6 ℃的温度波动。这些位置在24小时时段范围内的最高温度数值和温度的波动范围均远大于站内室外和第20号杆塔位置的数值。

如图3所示，我们在2019年夏季(2019/06/25)也进行了24小时的分布式监测。整体上，夏季全天气温的平均波动范围在16度左右。OPGW沿线的波动分布仍然存在不均匀现象，但是主要的分布都在0.75到1.25倍标准差均值之间。没有出现如图2中2018年冬季(2018/12/12)非常尖锐的不均匀的波动尖峰，并且整体上变化的趋势也与冬季的现象不一致。说明在冬季2018/12/12全天温度波动尖峰，并不是简单的由OPGW本身特有的因素影响所导致的，而是由于线路当时所处的地域性的多种微环境（温度、湿度、风力、光照等）因素综合导致的。

2 直流融冰过程对OPGW沿线温度变化的影响

2018年12月12日收到了93号杆塔(位于重覆冰区)的覆冰二级告警，下午16点开展OPGW直流融冰。我们对该融冰过程进行了持续的分布式监测。图4的上部曲线和左侧纵坐标叠加显示了直流融冰通流期间监测得到的线路温度分布曲线。在监测开始时，线路上通流已经进行了7分钟，线缆已经基本达到了最高温度，显示为图4中最上面的几条曲线。通流停止后，图4显示线路温度逐渐下降，温度分布曲线逐渐下移，最终回落至环境温度。比较融冰前的图2和融冰后的图4，可以看到在环境温度相差不大时，测量结果具有较好的重复性。但是在融冰升温期间，线缆各处的温升并不一致。

由于告警的93号杆塔位于距监测站点45公里的位置，因此距监测站点35公里范围内的线路属于未覆冰或者轻微覆冰的区域，也是最容易因为直流融冰导致升温过快的区域。从图4数据分析得出，整个融冰过程中，35公里范围内，温度升高最高达到了53度，最小温度升高约为10度。如果融冰电流和通流时间继续增加，温升较高位置的OPGW光纤将会受到较大的安全威胁。从实测结果并对比24小时温度监测结果，融冰完成冷却后的OPGW所表现出的温度是比较均一的，说明环境温度在35公里范围内差别不大，环境温度对温升幅度的影响应该很小。因此，可以推测造成各处温升幅度较大差异的主要因素可能来自于散热速率的不同。OPGW所处地域的风速、光照、覆冰状况等都是影响散热速率的重要因素。因此，OPGW各个位置处的温升不一致与各处所处的环境气候应该有很大关系。

我们对融冰期间各处温度变化的标准差进行了统计。图4中的下部曲线和右侧纵坐标显示了线路各处温度波动的标准差与标准差均值的比值。与图2中的曲线比较，可以看到，通流过程中温度变化更加剧烈，有更多位置的温度变化标准差超过了1.25倍标准差均值。图5比较了24小时温度监测与融冰期的温度变化标准差曲线，二者的尖峰之间有较强的相关性。由于标准差曲线的尖峰代表了温度剧烈变化的位置，因此这种一致性，使得我们可以通过日常的温度监控，来预知具有潜在威胁的位置，从而在融冰过程中予以重点关注。

融冰过程中，根据OPGW的实时温度情况，动态的控制通流电流大小，从而在保证OPGW安全的前提下，顺利实现融冰，这是实施OPGW在线实时温度监测的一个重要作用。为此，我们对融冰期间的OPGW温度变化的动态过程予以了监测。图6从监测数据中选取了三个典型地点，给出了这三处融冰过程中随时间的温度变化曲线。在第47分钟时，融冰结束，融冰电流停止，此时电缆上各处温度均开始快速下降。温度下降过程持续约10分钟左右，然后恢复到环境温度。其中前5分钟温度下降最为迅速，温度降幅可达90%。在停止融冰之前，电缆上各处的温度变化随时间表现出一定的波动。图中显示，这种波动可达到接近20℃的水平。其中，在11776米处，电缆温度整体呈缓慢上升的趋势；在13312米处，则呈缓慢下降的趋势；而在21555.2米处，则整体表现平缓。温度随时间不同的变化趋势，反映出电缆所处微环境的不同。同时，这种微环境随着时间也在动态改变，使得OPGW的温度并非简单的线性变化。这也凸显出在线实时温度监测的重要意义，即能够及时发现线路上温度过热的区域并作出预警，从而对通流电流进行动态调控以适应OPGW所处环境的变化。

图6：OPGW融冰过程中三处位置温度随时间的变化

3 结论

我们对500千伏超高压输电线路进行了基于BOTDR技术的直流融冰过程的OPGW实时监测。研究发现在覆冰前阶段性温度的变化与融冰过程温度的变化具有一定的一致性，这种一致性能够提供融冰过程重点关注预警的作用。融冰通流经过的OPGW不同位置的温度变化具有较大的不均匀性，这种不均匀性将对线路构成较大的安全威胁。通过基于BOTDR技术的分布式传感长距离温度传感技术，则可以实现快速在线的实时温度监测，从而可以实现对融冰通流电流的实时反馈控制，保障融冰过程的安全可靠运行。