110kV線路相導(dǎo)線綜合測溫技術(shù)實現(xiàn)研究

北京電力經(jīng)濟技術(shù)研究院 舒 彬 張 穎 于紅麗 張亞富 歐陽曉梅

北京市電力公司 朱占巍

華北電力科學(xué)研究院有限公司 王 輝

1.引言

光纖通信由于其容量大、保密性好、不易受電磁干擾等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)通信中，在要求越來越高的電力系統(tǒng)通信中發(fā)揮著重要的作用。

根據(jù)最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截止2010年底，華北電網(wǎng)運行的OPGW光纜、ADSS光纜和其他類型電力特種光纜共計18217km（110kV及以上）。500kV和220kV變電站光纖覆蓋率約為100%，110kV變電站光纖覆蓋率約100%。

為了推進(jìn)新技術(shù)應(yīng)用，在張山營智能輸變電工程中，對光纖復(fù)合導(dǎo)線（OPPC）在110kV同塔雙回線路上的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究將先進(jìn)的光纖通信、傳感技術(shù)與輸電技術(shù)進(jìn)行高度融合和集成，既是將光纖嵌入高壓相線中，形成由光纖、傳感器、輸電導(dǎo)線組成的光纖復(fù)合導(dǎo)線，為智能電網(wǎng)的信息化、智能化、互動化提高通道和技術(shù)支撐。

光纖復(fù)合導(dǎo)線(Optical phase conductor，以下簡稱OPPC)是在傳統(tǒng)的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)中嵌入光纖單元的一種新型特種電力特種光纜。二十世紀(jì)80年代，在歐美國家首先出現(xiàn)OPPC的設(shè)計理念，目前OPPC技術(shù)在國外已經(jīng)應(yīng)用多年，應(yīng)用于35千伏至420千伏的線路上，盡管國外在OPPC的應(yīng)用已有一些實際經(jīng)驗，但是將OPPC與光纖測溫技術(shù)融合在一起并投入實際運行的技術(shù)至今未見到報道。90年代初，國內(nèi)就已經(jīng)對OPPC的應(yīng)用進(jìn)行了關(guān)注和研究，并在10kV、35kV中壓線路上得到應(yīng)用。

2.光纖復(fù)合導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)及特點

2.1 光纖復(fù)合導(dǎo)線結(jié)構(gòu)

圖1 光纖復(fù)合導(dǎo)線結(jié)構(gòu)示意圖

光纖復(fù)合導(dǎo)線是具有傳統(tǒng)架空導(dǎo)線和通信能力的導(dǎo)線，是在傳統(tǒng)的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)中嵌入光纖單元的一種新型特種電力特種光纜，通常OPPC是將傳統(tǒng)輸電導(dǎo)線中的一根或多根鋼絲用不銹鋼管光單元進(jìn)行替換，使鋼管光單元與（鋁包）鋼線、鋁（合金）線共同絞合。

2.2 光纖復(fù)合導(dǎo)線特點

目前普遍采用的電力特種光纜主要有光纖復(fù)合架空地線OPGW和全介質(zhì)自承式光纜ADSS，OPPC擴大了電力通信媒介的選擇余地，同時在某種程度上解決了OPGW光纜、ADSS光纜不能解決或難以解決的技術(shù)問題，具有如下技術(shù)特點：

1）OPPC技術(shù)是OPGW、ADSS技術(shù)的應(yīng)用延伸和有益補充

我國目前在110kV～500kV線路主干網(wǎng)廣泛采用OPGW、ADSS進(jìn)行通信，但對于一些難以選用OPGW、ADSS光纜的線路就需要考慮其它特種光纜，在10－35kV線路，因原線路沒有架空地線，所以無法使用OPGW，使用OPPC更為適宜。OPPC就是OPGW、ADSS光纜的補充產(chǎn)品，可以實現(xiàn)傳輸電能與光纖通信的完美融合。

2）OPPC可有效避免OPGW雷擊斷股問題

目前，由雷擊導(dǎo)致的斷股是OGPW光纜應(yīng)用中的主要問題，安裝在架空輸電線上部的光纖復(fù)合架空地線作為保護(hù)導(dǎo)線，起到避雷線作用，所以它較易受雷擊。雷擊的直接后果是OPGW光纜的斷股，嚴(yán)重時內(nèi)部光纖也會受到損害，這不但影響輸電線路的可靠運行，甚至可能導(dǎo)致通信的中斷。全國發(fā)生了幾十起OPGW遭雷擊斷芯斷股事故，2008年-2009年華北電網(wǎng)更換500kV萬順線與房保線OPGW光纜，共花費資金約400萬元。

3）OPPC可解決OPGW能量損耗問題

OPGW光纜采用逐基塔接地的方式，產(chǎn)生環(huán)流能量損耗問題，電壓等級越高，損耗越嚴(yán)重。110kV輸電線路地線百公里年電能損耗約為0.5-2萬kW·h，220kV輸電線路地線百公里年電能損耗約為5-10萬kW·h，330kV輸電線路地線百公里年電能損耗約為60萬kW·h，500kV輸電線路地線百公里年電能損耗約為140萬kW·h，750kV輸電線路地線百公里年電能損耗約為218萬kW·h采用光纖復(fù)合導(dǎo)線，輸電線路避雷線采用分段和開環(huán)等方法可以減小避雷線上的電流，進(jìn)而減小避雷線上電能損耗。

4）OPPC可解決ADSS電腐蝕問題

目前，ADSS光纜應(yīng)用中的主要障礙是電腐蝕現(xiàn)象。處于強電場中的ADSS光纜與導(dǎo)線和大地之間的電容耦合，會在光纜表面產(chǎn)生一定的空間電位。空間電位導(dǎo)致接地漏電流并在光纜表面形成干燥帶，當(dāng)干燥帶兩端的電位足夠高時就產(chǎn)生了放電，形成了干帶電弧。電弧產(chǎn)生的熱量會使光纜外護(hù)套松弛融化直至脫落，進(jìn)而腐蝕芳綸紗，最后導(dǎo)致光纜的斷裂。OPPC光纖與導(dǎo)線處于同一電位，不存在電腐蝕問題。

5）充分利用輸電線路資源

非桿塔附加型產(chǎn)品，沒有給原有桿塔或線路附加額外機械負(fù)荷，不會降低輸電線路的安全性和可靠性。

6）具有良好的熱穩(wěn)定性，保證光通信不受影響

我國輸電導(dǎo)線設(shè)計長期使用溫度為70℃，短期為90℃。而光纖長期使用溫度可為100℃，光纖油膏、纜膏的滴點均大于200℃，鋁包鋼線、鋁線的120℃高溫?zé)岱€(wěn)定性也很好，因此，傳輸電能和光纖通信均不受影響。

7）有絕對的防盜優(yōu)勢

因OPPC導(dǎo)線與接頭盒上均有高電壓，有絕對的防盜優(yōu)勢。

3.導(dǎo)線實時溫度測量系統(tǒng)研究

實現(xiàn)對導(dǎo)線溫度的實時監(jiān)測，可以為輸電線路融冰、輸電狀態(tài)、動態(tài)增容提供了實時、準(zhǔn)確的重要依據(jù)，實現(xiàn)信息了互動化，對于提高電網(wǎng)安全運行水平，提高電網(wǎng)輸電能力與效益具有重大意義。

導(dǎo)線測溫目前主要有三種方法，即接觸式測溫法、紅外測溫法和光纖測溫法，其中光纖測溫法分為分布式光纖測溫法和光柵測溫法。

3.1 接觸式測溫法

接觸式測溫法主要采取接觸式溫度傳感器，包括熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器和集成溫度傳感器等。系統(tǒng)是利用多個接觸式測溫探頭和溫度轉(zhuǎn)換、溫度傳輸部件構(gòu)成，其輸出信號由后臺機處理。在需要監(jiān)測的輸電線路導(dǎo)線上安裝測溫單元，負(fù)責(zé)實時采集導(dǎo)線的溫度，經(jīng)過處理后通過小功率射頻模塊將數(shù)據(jù)無線上傳至塔上監(jiān)測主機。各輸電線路的相應(yīng)桿塔上安裝一塔上主機，鐵塔上的監(jiān)測主機一方面接收本塔所轄各測溫單元無線上傳的導(dǎo)線及金具溫度數(shù)據(jù)，塔上監(jiān)測主機負(fù)責(zé)將導(dǎo)線溫度及環(huán)境氣象參數(shù)等所有數(shù)據(jù)壓縮打包后通過無線通訊方式將數(shù)據(jù)傳往監(jiān)測中心。目前已開發(fā)產(chǎn)品的供電實現(xiàn)電源無源化，是采用一次側(cè)抽能方式，并用特殊的電路設(shè)計以保證在一次側(cè)電流大幅變化條件下測溫器仍能可靠工作。實現(xiàn)了測溫單元設(shè)備免維護(hù)的要求。此種測溫方式只是用于線路某點測試，并且需要使用社會公共無線網(wǎng)絡(luò)傳送，然后基站后臺處理。

3.2 紅外測溫法

紅外非接觸測溫技術(shù)是利用物體產(chǎn)生的紅外輻射能量的強度與物體溫度的關(guān)系來確定物體的表面溫度，該技術(shù)比較成熟，在工業(yè)上應(yīng)用較為廣泛，但該技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)線和金具溫度測量時存在兩方面的問題：一是總是擺脫不了目標(biāo)的輻射吸收率變化對測量精度的影響，標(biāo)定起來較為復(fù)雜；二是測溫精度受探測距離、被測物表面狀況等諸多因素影響，安裝調(diào)試非常麻煩，而且測量精度和長期測量的穩(wěn)定性也難以滿足要求，另外目前紅外測溫均使用現(xiàn)有成套設(shè)備，需要人工地面操作，無法實現(xiàn)在線監(jiān)測。又因為遠(yuǎn)距離測試，導(dǎo)線面積小、有晃動很難對準(zhǔn)，并受到背景環(huán)境影響，測量精度基本無法保證。

3.3 光纖光柵測溫法

光纖光柵測溫方式是通過紫外照射的方法，在纖芯內(nèi)形成一段折射率不同的周期性分布的光柵。由于纖芯的折射率不同，會使光纖的頻譜響應(yīng)特性發(fā)生變化，當(dāng)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，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(dāng)光纖光柵的溫度發(fā)生變化時，光柵的周期隨之發(fā)生變化，由此帶來反射波長的變化，通過測量反射波長的變化，即可得到溫度變化。由于測量的是反射波長，因此這種方法可以在單端進(jìn)行測試。光纖光柵測溫系統(tǒng)使用特制光纖，反射信號強，穩(wěn)定性好。其劣勢在于必須使用特殊的光纖光柵，測量的點數(shù)有限制，不能夠進(jìn)行導(dǎo)線連續(xù)測溫。

3.4 分布式光纖測溫法

分布式光纖測溫(Distributed Temperature Sensing)(DTS)技術(shù)最早示范成功是在1981年，Southampton大學(xué)在通訊光纖上測試成功。DTS系統(tǒng)同時利用單根光纜實現(xiàn)溫度監(jiān)測和信號傳輸，綜合利用光纖拉曼散射效應(yīng)(Raman scattering)和光時域反射測量技術(shù)（Optical Time-Domain Reflectometry，簡稱OTDR）來獲取空間溫度分布信息。其中光纖拉曼散射效應(yīng)用于實現(xiàn)溫度測量，光時域反射測量技術(shù)用于實現(xiàn)溫度定位，它能夠連續(xù)測量光纖沿線的溫度分布情況，空間定位精度達(dá)到米的數(shù)量級，能夠進(jìn)行不間斷的自動測量，特別適宜于需要短距離、大范圍多點測量的應(yīng)用場合。

3.5 方案比較

通過表一分析，采用分布式光纖測溫法技術(shù)先進(jìn)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，免于維護(hù)，運行成本低，本項目試驗線段為19公里，宜采用拉曼測溫法進(jìn)行導(dǎo)線測溫，并采用接觸式測溫方法進(jìn)行校對方案可行性最高。

4.光纖復(fù)合導(dǎo)線光纖保護(hù)及耐熱性能技術(shù)研究

光纖復(fù)合導(dǎo)線在工程中應(yīng)用時，是將三相導(dǎo)線中的一相（或一根）更換為光纖復(fù)合導(dǎo)線光纜，使其即滿足線路輸電的要求，同時滿足系統(tǒng)對通信信號的要求。其中涉及到導(dǎo)線間的機械性能與電氣性能的配合、光纖保護(hù)、長期耐熱性等關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 與導(dǎo)線技術(shù)參數(shù)匹配

光纖復(fù)合導(dǎo)線需滿足線路輸送容量的要求，保證持續(xù)耐熱；其次，光纖復(fù)合導(dǎo)線的電氣特性和機械特性應(yīng)與其余兩相導(dǎo)線匹配，以保證三相導(dǎo)線的張力弧垂特性一致，光纖復(fù)合導(dǎo)線的直流電阻應(yīng)與其余兩相導(dǎo)線接近，以避免遠(yuǎn)端電壓變化并保持三相平衡。因此光纖復(fù)合導(dǎo)線光纜的各種參數(shù)要與其他兩相的導(dǎo)線接近。

4.2 光纖的保護(hù)

采用激光焊接不銹鋼帶形成無縫鋼管將光纖納入其中形成光單元，光單元應(yīng)具有良好的機械保護(hù)，保證其中光纖不受擠壓，為防止潮氣侵入而影響光纖的使用壽命，不銹鋼管中需填充油膏。光纖單元中的光纖應(yīng)有一定的余長，以保證光纖在導(dǎo)線運行中不會受到拉伸。對光纖復(fù)合導(dǎo)線來說，由于存在放線、過滑輪、緊線造成的結(jié)構(gòu)伸長及運行過程中的溫度升高產(chǎn)生的膨脹伸長及塑性變形產(chǎn)生的蠕變伸長，因此對光纖余長控制工藝要求非常嚴(yán)格。

4.3 長期耐熱性能

OPPC光纜結(jié)構(gòu)型式類似于（鋁包）鋼芯鋁（合金）絞線，載流運行溫度為70℃-90℃。70℃-90℃的長期運行溫度對鋁、鋼材料性能無影響，材料組織結(jié)構(gòu)不會遭受破壞，不會引起不可逆的塑性變形。OPPC所使用的光纖油膏具有良好的溫度特性（化學(xué)特性的穩(wěn)定性）。OPPC光纜本身的長期耐熱性能通過持續(xù)通流試驗，附加光衰減試驗結(jié)果滿足試驗要求。因此，OPPC的光纜機械電氣性能和運行中的長期耐熱性能可以滿足實際運行要求。

5.光纖復(fù)合導(dǎo)線接續(xù)研究

光纖復(fù)合導(dǎo)線不能使用常規(guī)壓接接續(xù)，目前只能是通過接頭盒在耐張桿塔上連接起來，在接頭盒中采用高壓隔離絕緣技術(shù)和光電分離技術(shù)，安全可靠地隔離高電壓和通信信號，將傳輸通信信號的光纖接續(xù)起來，或連接到零電位水平，保證通訊等信號傳輸；電力導(dǎo)線也在此處電氣接續(xù)，并且為了保證線路的負(fù)荷輸送，在中間接頭盒兩側(cè)高壓導(dǎo)線處附加一同型號導(dǎo)線，導(dǎo)線用楔形線夾連接固定，保證線路安全運行。接頭盒的設(shè)計充分考慮輸電線路實際情況，力求做到結(jié)構(gòu)簡潔合理、性能穩(wěn)定并且施工簡便，滿足現(xiàn)場運行條件的需要。

接頭盒的設(shè)計充分考慮輸電線路實際情況，力求做到結(jié)構(gòu)簡潔合理、性能穩(wěn)定并且施工簡便，滿足現(xiàn)場運行條件的需要。研制了六種接頭盒形式：二種終端接頭盒，一種支柱式、一種懸掛式；四種中間接頭盒，一種支柱式、三種懸掛式，懸掛式中間接頭盒分為自帶絕緣子、不帶絕緣子（此種接頭盒處也可用普通常規(guī)絕緣子懸掛）和帶引下光纖三種形式。

圖2 接頭盒內(nèi)部示意圖

表1 測溫方案比較

110kV等級及以下線路桿塔間隙小，可以延續(xù)采用傳統(tǒng)支柱式接頭盒安裝在桿塔側(cè)面支架上。也可采用新型懸掛式接頭盒，可以在輸電線路任意一相應(yīng)用。本項目為110kV同塔雙回線路，因此選用懸掛式接頭盒接續(xù)比較適宜。

以前的接頭盒結(jié)構(gòu)不能夠預(yù)留不銹鋼管，不方便施工和今后維護(hù)。本課題研制的接頭盒從盒體的側(cè)面進(jìn)線，不銹鋼管以其自然狀態(tài)盤繞在盒內(nèi)，解決OPPC線路在接續(xù)點不能預(yù)留過多導(dǎo)線帶來的問題，也為今后的維護(hù)準(zhǔn)備了余量。

在接頭盒的端部采用科學(xué)的防水、導(dǎo)流、排水結(jié)構(gòu)，保證雨水不會沿OPPC的層絞間的縫隙進(jìn)入接頭盒。對接頭盒的進(jìn)出纜線夾進(jìn)行了加長，在運行過程中，由于OPPC的末端是其易損的薄弱點，線夾加長后對OPPC的握著長度增加，降低了OPPC損壞的風(fēng)險(如圖2所示)。

6.結(jié)論

對光纖復(fù)合導(dǎo)線（OPPC）在110kV同塔雙回線路上的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)研究。導(dǎo)線測溫可以采用分布式光纖測溫法，并采用接觸式測溫方法進(jìn)行校對，穩(wěn)定可靠，免于維護(hù)，運行成本低，可行性最高，為輸電線路狀態(tài)監(jiān)測、動態(tài)增容提供了新的技術(shù)手段。并從復(fù)合導(dǎo)線光纖保護(hù)、耐熱性及導(dǎo)線接續(xù)等方面研究，在110kV同塔雙回線路上應(yīng)用光纖復(fù)合導(dǎo)線（OPPC），將先進(jìn)的光纖通信、傳感測溫技術(shù)與輸電技術(shù)進(jìn)行高度融合和集成，可以解決目前電力特種光纜OPGW及ADSS光纜遇到的電腐蝕、雷擊、線損等問題。