光纖測溫系統在OPPC中的應用

高玉珍，郝旭東

(1.深圳市特發信息股份有限公司 深圳518057；2.華北電科院 北京100000)

1 引言

目前，在世界范圍內，導線的溫度測量一般采用非接觸式的紅外測量技術，它的操作受氣象條件、地理條件及人工執行的影響，連續地測量導線內部的真實溫度（時時在線測量）在世界范圍內的實用線路中都沒有登錄或記載。2008年春節前后的南方特大冰雪災害，使我們意識到，在電網輸電導線中加入測溫技術的重大意義，隨后對OPPC測溫技術進行了科研立項，展開了對相關技術的深入研究和實驗。

我國第一條OPPC線路由深圳特發研制，并于2005年11月1日在深圳寶安老虎坑垃圾發電廠—松崗北變投入正式運營。在近5年的時間，國內幾家電力光纜廠都在OPPC的項目上投入了一定的研發和市場推廣。

截至2009年6月，市場所推出的線路都在10 kV與35 kV的線路上應用，導線截面一般在120～240 mm2之間,光纖芯數一般在12～24芯之間。

2009年6月26日，華北電網有限公司與深圳市特發信息股份有限公司攜手合作，在華北電網唐山供電公司玉田縣境內的虹橋變電站至窩洛沽變電站110 kV線路 （簡稱虹—窩線），全長24.5 km，架設了光纖復合架空相線，至今安全運行。

2010年3月，華北電網有限公司與深圳市特發信息股份有限公司又啟動了在220 kV線路上的項目，該項目不僅在電壓等級上有所提高，更重要的是增加了分布式光纖測溫技術及視頻監控技術。

近年來，有關OPPC的論述已有很多，本文重點介紹光纖測溫在OPPC線路中的應用。

2 線路設計

（1）220 kV線路介紹

張家口地區220 kV白龍山變電站至鹿原變電站 （白龍山開關站—鹿原變電站），位于張家口壩上地區的北部，線路總長度26.193 km，鐵塔69基，本線路工程共分6盤，其中有2盤超過5 km，單盤重量超過5噸的有4盤，超過7噸的有2盤。

本工程是新建線路，將原設計的220 kV線路中的B相線更換為OPPC，原線路設計的OPGW仍然保留，與OPPC在信息通信方面互為備用。

從變電站出線架構至通信機房的導引光纜（非金屬材料）采用ADSS光纜，具有耐電痕外護套（AT護套）、層絞式結構并具有阻燃（或不延燃）、防水、防潮、防蟲蛀、抗拉、抗壓等性能，易敷設于管道中、電纜溝、電纜井和室內。

為了使OPPC與其他兩相的弧垂匹配，經計算OPPC的最大使用張力安全系數N=2.5，平均運行張力不大于額定抗拉強度的24.7%。

（2）OPPC光纜選型

OPPC光纜是將三相導線中的一相 （或一根）更換為OPPC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，涉及導線間的機械性能與電氣性能的配合、光纖部分通信信號的傳輸、纜線的熔接、光電信號的隔離、絕緣金具的配合使用、與其余通信線路（OPGW、ADSS等）的信號互通等關鍵技術。

220 kV（白龍山開關站—鹿原變電站）原線路導線設計的是LGJ-400/35，為了做到盡可能地接近另外2根導線的電氣特性，在OPPC光纜中用1根相同尺寸的不銹鋼管（光纖單元）代替其中1根相同尺寸的鋁包鋼線，導線單絲采用與相鄰導線一樣的電工鋁線。光纜型號為TOPPC-16B1+8TB1-400/35。

由表1可知，TOPPC和導線在直徑、截面積、單位質量、拉斷力等方面的機械特性等基本一致，又由于本結構中心加強部分采用的是鋁包鋼單絲，因為電流的集膚效應，使鋁包鋼芯加強部分也承載部分電流，從而在同樣負載的情況下，本相的電路密度和溫升均小于另外兩相，從而在保證導線機械性能的同時也使電氣特性更接近、更優越。

表1 TOPPC與導線結構參數比較

3 TOPPC測溫系統概述

3.1 光纖測溫原理（光纖光柵）

1989年，美國聯合技術研究中心的G.Meltz等人利用摻鍺光纖的紫外光敏特性，用244 nm波長的紫外激光干涉條紋側面照射纖芯，將任意工作波長的光柵寫進了纖芯，形成纖芯內光柵光纖，使光纖光柵的制作技術實現了突破性的進展，光纖光柵靈活地大批量制作成為可能，光纖光柵逐步實現了實用化。

目前，光纖測溫主要有兩種方法：一種方法是利用拉曼反射；另一種方法是利用光纖刻錄特殊的光柵對溫度敏感性進行測溫，兩種方法的工作原理如下介紹。

拉曼反射是指激光器向被測光纖發射光脈沖，該光脈沖通過光纖時由于光纖存在折射率的微觀不均勻性以及光纖微觀特性的變化，有一部分光會偏離原來的傳播向空間散射，在光纖中形成后向散射光和前向散射光。其中，后向散射光向后傳播至光纖的始端，經定向耦合器送至光電檢測系統。由于每一個向后傳播的散射光對應光纖總線上的一個測點，散射光的延時即反應在光纖總線上的位置。后向反射光的強度與光纖中反射點的溫度有一定的相關關系，反射點的溫度（該點光纖的環境溫度）越高，反射光的強度也越大。也就是說，背向反射光的強度可以反映出反射點的溫度。

利用這個現象，通過測量出背向反射光的強度和延時，就可以計算出反射點的溫度和位置，這就是利用光纖的拉曼反射測量溫度的基本原理。

用激光刻錄成的光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，通過特殊的加工方式，使纖芯內形成空間相位光柵，局部形成一個窄帶的反射鏡面，對特定波長的光形成反射。當光纖的溫度發生變化時，光柵的周期會隨著光纖的熱脹冷縮發生變化，該變化會改變反射波長，通過測量反射光的波長變化，便可測量出光柵所處位置的光纖感應溫度。同樣，通過測量反射光的延遲，可得知光柵的位置。這就是利用光纖光柵測溫的原理。

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，光纖光柵如圖2所示。

其折射率分布如圖3所示。

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，其頻譜響應如圖4所示。

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，根據光耦合原理，反射波長為：λB=2nΛ，其中

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Λ隨之發生變化，而Λ的變化帶來反射波長λB的變化，通過測量λB的變化，即可得到溫度的變化。

例如：一個在25℃時λB=1 535.050 nm的光纖光柵，當溫度上升到35℃時，其反射波長將會變為λB=1535.150nm（反射波長每1℃變化0.01 nm）。

當用光纖光柵作為溫度傳感器時，要求輸入光源的光譜有一定的帶寬，目前常用的光源帶寬為1 520～1 580 nm。Δλ=1 580-1 520=60 nm。按每1℃變化0.01nm計算，因此所對應的溫度變化范圍為：ΔT=60/0.01=6 000℃

但現實中不會有如此大的測量范圍要求，光纖也無法承受如此的高溫。

3.2 測量方法的比較與選定

由于兩種測量方法的原理不同，對設備的要求也完全不同。

拉曼反射測溫方式，由于是利用光纖本身的散射來感應溫度變化，而且散射的信號非常弱，要求設備發射光源功率大，接收端靈敏度高。這會使測溫設備的成本非常高，且隨著測量距離的增加，設備成本成倍增長，設備的穩定性也較差。目前國內比較成熟的技術能夠測量4 km的距離。超過4 km后，必須使用進口設備。拉曼反射測溫方式的優點是可以使用普通多模光纖（單就多模光纖經濟性較普通G.652光纖經濟性要差），測溫點數沒有限制（可達到1 m 1個測溫點，也可以理解為連續測量）。

通過光纖刻錄成的光柵光纖，測溫方式由于是特制有針對性的光纖，反射信號強，因此對設備的發射功率和接收靈敏度要求都低于拉曼反射測溫方式，且設備的穩定性好。同時，帶來的好處是測量距離遠，測量距離可以在100 km以上。其劣勢在于必須使用特殊的通過光纖刻錄成的光纖光柵，測量的點數有限制。

事實上，我們根據OPPC線路的使用情況分析，不需要測量整條線路的連續溫度分布，可以選用每300～500 m一個測量點，或在弧垂最低點加大分布光柵點，因此我們選用光纖光柵的測溫方式來監控OPPC線路的溫度變化。

3.3 TOPPC測溫系統的制造與技術難點

TOPPC測溫系統,光纜的制造工藝與普通OPPC制造工藝一致。不同點在于：特殊的經過激光刻錄成的光柵光纖，增加了產品的制造難度。其二光纖光柵與普通光纖同時加工成光單元過程中，余長控制的均勻性十分重要。其技術難點主要表現在以下幾個方面。

（1）光纖光柵的制作

用激光在光纖的選定位置，刻錄出一個狹縫（窗口）即光柵，刻入光柵的工藝復雜，要求儀器精度高，且控制刻錄過程需要一定的經驗，對光纖涂覆層與剝離后的光柵刻錄過程的應力控制尤其重要，恢復光纖光柵原有強度的工藝是制造光纖光柵重要的難點，且專業設備較貴和專業的技術水平要求較高。目前，隨著生產工藝的逐步成熟，這一技術將不是問題。激光刻錄光柵的方式不產生附加損耗，不會影響測量距離。

（2）光纖光柵不銹鋼管單元的制作

由于光纖光柵抗拉強度的修復和彎曲性能的恢復，使得在生產光單元時容易出現斷纖的現象。

光纖光柵與普通光纖同時加工成光單元的過程中，余長控制不是單一普通光纖的余長控制，兩種光纖的應力變化差要求處理一致，使余長必須保證光纜架設后光纖光柵不會出現受力的情況發生。一旦光纖受力，會影響溫度測量的精度，嚴重時會造成斷纖。

（3）TOPPC測溫系統的成纜工藝

由于光單元中包含了光纖光柵，這要求在OPPC成纜過程中，光單元的張力非常穩定。一旦光單元放線張力不穩定，會造成光纖的余長發生變化，嚴重時會導致光纖光柵斷纖。

3.4 張家口地區TOPPC測溫系統介紹

該TOPPC測溫系統的線路在華北電網張家口地區220 kV白鹿線 （白龍山開關站—鹿原變電站），TOPPC中光纖設計芯數為24芯，其中測溫光纖分為8路，在線監測4路，預留4路，2芯為視頻監控使用，全線分設48個測控點對導線進行實時溫度監測，溫度測試精度為±2℃。整條線路采用中間接頭盒5個，終端接頭盒2個，按照國際標準并通過OTDR對通信光纖進行雙向測試，光纖平均衰減為1 310 nm、0.3445 dB/km、1 550 nm、0.1921 dB/km，測溫及通信各項指標均達到設計要求。

3.5 測溫系統組成

溫度監測系統是由測溫TOPPC光纜、光纖光柵網絡分析儀、工業監控計算機、系統軟件組成。OPPC測溫系統如圖5所示。

系統將光柵光纖傳感器探知的光信號通過網絡分析儀轉化為電信號，經放大處理之后送入監控計算機，經過系統軟件處理后顯示各檢測點的溫度值。監控計算機同時提供界面給用戶預先設定各點預警、報警溫度，一旦滿足觸發條件，計算機上將出現報警輸出。

另外，如果用戶需要，所有的溫度數據可實現遠程傳輸。傳輸到用戶總控制室后，有利于用戶實現全范圍內的有效控制。

3.6 TOPPC在線溫度測量的意義

（1）在線測溫——提高線路的輸電能力

TOPPC作為傳輸電力的線路，其導線溫度直接反映出線路的實際承載狀況。我國導線理論設計溫度為70℃，運行中實際溫度為多少，不同的地區，不同的季節，都有所不同。在智能電網中，對導線的溫度測量是提供數字化平臺的一部分，通過對導線溫度的在線測量可以最終提升到及時調整線路的負荷，使電網輸電在安全運行的條件下，效率有更大的提高。

（2）在線測溫——預警作用

2008年的冰雪災害警示了我們，在災害來臨之際，我們還是聾子和瞎子，在線測溫使我們走出盲區，我們可以通過平時累計的測溫參數，通過網絡分析，做出災害來臨前的預警，為避免災害和將災害減少到最小。

（4）在線測溫——實施融冰的基礎

時時測量導線的實際溫度，是實現融冰的前提條件，同時也是為了融冰過程中的安全，使融冰順利進行的可靠保證。

4 結束語

光纖測溫系統在OPPC線路上的應用，從性能上突破了光纖只是通信的目的，將光纖測溫技術引入電力輸電系統中，增強了光纖的使用功能，擴大了光纖應用的范圍。并為建設堅強電網，智能電網提供最基礎的測量數據。

我們期待華北電網的光纖測溫——TOPPC的實用線路，在今后的運行中，能為光纖測溫在智能電網中的應用提供寶貴的經驗。