電力OPGW光纜覆冰性能研究及在線監測技術應用

陳拽霞 王穎 姜輝

摘 ?要： 本文基于統計數據和運行事件查找運行風險點，開展通信線路覆冰情況統計分析，為提升電力通信系統干線光纜運維水平奠定理論基礎。通過對曾經遭受覆冰影響的光纜區段進行BOTDR在線監測，切實掌握運行年限較長光纜的應力應變數據，為解決干線光纜運行性能問題提供科學方法和依據，為提升電力通信系統安全水平提供科學保障。

關鍵詞： OPGW光纜;覆冰;性能分析;BOTDR;在線監測

中圖分類號： TN913.31 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.033

本文著錄格式：陳拽霞，王穎，姜輝，等. 電力OPGW光纜覆冰性能研究及在線監測技術應用[J]. 軟件，2020，41（01）：152155

【Abstract】： Based on the statistical data and operation events， this paper finds out the operation risk points， carries out the statistical analysis of the icing situation of the communication lines， and lays the theoretical foundation for improving the operation and maintenance level of the main optical cable in the power communication system. Through the on-line monitoring of BOTDR on the optical cable section that has been affected by icing， the stress-strain data of the optical cable with long service life can be grasped， which provides scientific methods and basis for solving the operation performance problems of the optical cable in the trunk line and provides scientific guarantee for improving the safety level of the power communication system.

【Key words】： OPGW; Line icing; Performance analysis; BOTDR; On-line monitoring

0 ?引言

目前，國網一級骨干通信系統（以下簡稱“一干網”）OPGW光纜總里程已達8萬余公里，且近60%的OPGW光纜運行年限已超過15年。同時，由于電力OPGW光纜特有的架設方式，運行過程中

將不可避免地受季節性覆冰、風沙等極端天氣影響，同時由于高空懸掛會引發引力、張力等拉伸作用，可能造成電力線路桿塔傾斜或倒塌，導致電力導線、地線及光纖復合架空地線（OPGW）荷載增大、甚至斷裂，這些均將不同程度影響OPGW光纜的可靠運行，成為威脅電網安全生產可控、能控、在控的痛點和難點問題[1-4]。

目前，國網公司系統內以及南方電網公司在覆冰厚度監測、線路融冰等方面都做了一定程度的研究與應用，包括圖像監測法[5]、懸鏈法[6]、直流融冰技術[7]、光纜設計及選型[8-12]。針對經受過覆冰的光纜，即便未發生中斷，仍然難以保證其弧垂、應力、余長等不發生變化，因此亦有針對光纜余長控制的相關研究[13]。在運維工作中，除傳統的利用OTDR進行光纜衰耗檢測外，應開展光纜性能深層次檢測，加強對光纜性能的實時掌握，目前已有利用BOTDR/BOTDA開展光纜應變的實驗仿真[14-15]，但尚未有針對在運OPGW光纜開展的BOTDR監測。

基于上述研究，本文首先基于統計數據和運行事件查找運行風險點，開展通信線路覆冰情況統計分析，通過對曾經遭受覆冰影響的光纜區段進行BOTDR在線監測，切實掌握運行年限較長光纜的應力應變數據，為解決干線光纜運行性能問題提供科學方法和依據，確保提前發現光纜運行中存在的隱患。

1 ?電力OPGW光纜覆冰情況概述

OPGW通信光纜隨電力線路架設，可依據投運時間、所屬區域、光纜纖芯數、所屬線路電壓等級等多個維度進行覆冰情況的統計分析，但是覆冰現象主要與時間和區域特征有關，覆冰引發的風險主要取決于實際覆冰厚度與設計值的比例，以及同等氣候、地形和光纜物理規格條件下，桿塔之間的塔距和高差，為此本文重點從時間、區域、覆冰荷載能力等方面開展了研究。

為確保數據樣本的全面性和典型場景的可追溯性，本文特選用近三年國網一級骨干通信系統（以下簡稱“一干網”）OPGW光纜運行統計數據，即2016年冬季至2017年春季、2017年冬季至2018年春季、2018年冬季至2019年春季三個時間段的數據，為便于描述，本文采用2016年度、2017年度、2018年度分別對應上述3個時段。

2 ?電力OPGW光纜覆冰性能研究

2.1 ?按年度統計分析

針對近三年一干網OPGW光纜的覆冰情況，本文從覆冰天數、影響范圍、單日覆冰光纜數、覆冰厚度等維度進行了統計分析，得出如下結論。

（1）累計覆冰時間逐年增長。相比于2016年度一干網OPGW累計覆冰天數，2017年度同比上升20.69%，2018年度同比增加15.71%以上。

（2）覆冰影響范圍逐年擴大。一方面是影響的省份增多，2016年僅3省出現一干網OPGW光纜覆冰，2017年度和2018年度則分別上升至9省和7省。另一方面是單日覆冰光纜數最大值增幅顯著，2016年度僅為5條，2017年度和2018年度則分別上升500%和300%。

（3）覆冰對業務的影響逐年加大。一方面是覆冰最大厚度值與設計值的對比值逐年增大，2016年度覆冰最大厚度值為設計值的50%，2017年達到100%，2018年則達到250%;另一方面是線路受災情況逐年嚴重，2016年度一干網未發生倒塔災害，2017年度一干網有2條線路發生倒塔，2018年度有2個省區內發生光纜因覆冰中斷事件。

綜上，近三年一干網累計覆冰時間逐年增長，覆冰影響范圍逐年擴大，覆冰對業務的影響逐年加大，光纜覆冰形勢日趨嚴峻。

2.2 ?按月度統計分析

由近三年覆冰情況數據按月統計分析可得出。

（1）歲末年初，形勢緊張。總體而言1月份光纜覆冰線路最多，其次是2月份，是光纜安全運行的風險高發期。

（2）極端天氣，規律難測。2017年度和2018年度，單日覆冰條數、覆冰最大厚度值超過設計值50%的線路數量均出現突然增長的現象;經核實，極端天氣特別是山區、沿江地區的微氣候復雜多變，規律難以預測。

綜上，歲末年初正是覆冰現象高發期，而且微氣候復雜多變，需要進一步強化相關業務的風險防控和應急保障。

2.3 ?按區域統計分析

依據一干網OPGW光纜覆冰區域相關數據進行統計分析，可得出如下結論。

（1）從累計覆冰天數統計，某省所轄范圍內的一干網OPGW光纜覆冰時間最長，且多條線路連續3年遭受覆冰。

（2）某兩省雖然累計覆冰天數較短，但是2018年度覆冰情況較為嚴重。經核實，其中一省境內有線路部分區段出現最大覆冰厚度達到設計值的250%的情況;另一省境內發生光路因光纜受覆冰中斷。

（3）線路覆冰受線路走廊微氣候影響大。經核查，各省區域覆冰線路大多位于山區、沿江、濕度大的走廊，不同省份也有各自地域特征，如屬于高海拔地帶或山區多且沿江走廊多等。

綜上，覆冰現象呈現明細的區域特征，受線路所經走廊的微氣候影響顯著。

2.4 ?按覆冰載荷能力統計分析

針對近三年實際覆冰厚度超過線路設計值90%的受災狀況進行統計分析可知。

（1）部分省份境內覆冰受災線路由于覆冰設計值較低（10 mm-20 mm），導致極端天氣情況下覆冰厚度遠超設計值，甚至覆冰厚度曾達到了設計值的250%，存在較大的覆冰斷線隱患。

（2）線路覆冰厚度/設計值的最大值一定程度上反映了線路設計值能否應對近三年內的極端天氣情況。A省境內的大部分光纜的覆冰設計值普遍較高（30 mm-50 mm），即使覆冰厚度最大值時，仍未超過設計值的90%。但是，B省境內的大部分受災光纜由于覆冰設計值偏小（10 mm-20 mm），有6天條線路的最大覆冰值超過了設計值的90%，覆冰保障壓力較大。

綜上，近三年覆冰厚度超過線路設計值90%的受災線路區段所在省份境內，均多次出現覆冰最大厚度值遠超設計值的區段，反映出設計值已經難以應對極端天氣，需要屬地單位高度關注并盡快完成技術改造。

3 ?在運OPGW光纜應變監測技術應用

本文使用可探測長達幾十公里甚至一百公里以上任意一點的溫度和應變等信息的布里淵時域分析光纖分布式系統（BOTDR），同時對光纜的溫度、應力和損傷進行測量、狀態診斷和評估，對相關的運維和消缺工作提供數據支撐，提升發現和化解風險隱患的能力。

3.1 ?BOTDR技術原理

BOTDR（Brillouin Optical Time-Domain Refractometer），是通過檢測光纖中背向布里淵散射光的頻移，實現光纖軸向所受應力和溫度的測量及定位（公式（1）），它屬于分布式傳感技術的范疇。目前，該技術被廣泛的應用于公路、橋梁的應力傳感測量，以及石油管道應力溫度檢測、城區光纜防外破等場景。在電力系統中，浙江公司2018年利用該技術檢測冬季OPGW光纜覆冰區段的應力變化，開展OPGW光纜的覆冰檢測工作。

3.2 ?應變安全閾值

光纖壽命與光纖的初始強度、疲勞強度特性以及所受應力大小之間的關系為。

其中： 為應力作用下光纖的壽命; 為篩選試驗中光纖的受力時間; 為應力下光纖的破斷概率;Np為篩選試驗中每千米光纖破斷數;L為光纖長度;n為疲勞指數;m為反映光纖低強度分部的參數; 分別為篩選試驗中和應力作用下光纖的應變。經計算，光纖應變與壽命關系如下表所示。

由上表1可知，當纖芯應變達到并超過0.25%時，纖芯嚴重劣化，可用性大幅下降，當超過0.35%時，纖芯不可用。

4 ?在運光纜應力現場檢測及分析

2019年，由開展BOTDR儀表研制工作較深入的兩家單位，分別完成了為期30天的檢測工作，共開展兩段光纜（分別命名為“區段1”、“區段2”）、10根纖芯的應力應變檢測及分析。

4.1 ?檢測結果有效性

兩家廠商所有檢測數據的對比分析可知，對于同一測試纖芯，兩家廠商檢測數據高度一致，證明檢測結果的有效性，以及纖芯應力存在的真實性、客觀性。

4.2 ?區段1光纜在線檢測及分析

區段1（兩端站分別為A、B站）的OPGW光纜全長94.4公里，對4根空余纖芯開展應力檢測工作。檢測發現三處應力異常區段，具體位置見下表。

其中第一區段為應力最大且接近纖芯性能不可用閾值（0.35%），通過現場實地踏勘，具體位置為距區段1的A站約14.5公里處耐張桿塔掛點處，該桿塔型式為J2，且為拐角點，同時該區段為此光纜段內唯一存在桿塔呼高差距大、線路檔距遠等特點的區段。已組織相關運維單位結合停電檢修計劃登塔開展后續的隱患排查工作，隱患徹底消除前，并建議在季節變化、大風和覆冰等情況下對此區段重點關注，做好應急預案。

4.3 ?區段2光纜在線檢測及分析

區段2（兩端站分別為C、D站）的OPGW光纜全長63公里，共有6根空余纖芯（2根故障纖芯，4根可用纖芯），其中兩根故障纖芯斷點為距區段2的C站點3.9公里及18公里。檢測首先使用OTDR對故障纖芯進行故障定位，其次使用BOTDR對其余4根空余纖芯進行應力檢測，重點觀察可用纖芯在故障點處的應力變化，同時使用OTDR觀察可用纖芯的衰耗變化。檢測發現：可用空閑纖芯在故障點處均發生不同程度的應力突變情況（應變最大值均小于劣化閾值0.25%，如下圖所示），而所有可用纖芯的衰耗值均正常。

檢測結果反映了雖然可用纖芯在故障斷點處的衰耗未產生明顯變化，但通過BOTDR檢測已發現對應位置處實際存在一定程度的應變，只是在未達到劣化閾值時，尚未對纖芯傳輸性能產生影響。因此，使用BOTDR檢測技術，可實現提早發現運行中的潛在風險隱患。

綜上，通過對在運OPGW光纜開展應變監測，提出如下運維建議。

（1）開展針對投運年限較短或新投運光纜的應變抽測工作，掌握光纜投運初期的應變情況。

（2）通過實時與定期檢測相結合的方式開展現網OPGW光纜應變檢測：針對一干網重要區段（承載重要業務和覆冰嚴重等區段）開展在運光纜實時監測;其他區段光纜在春秋季檢查中增加BOTDR應變定期檢測，最終實現在運OPGW光纜應變檢測全覆蓋。

（3）針對遭受嚴重覆冰的光纜段，需結合檢修工作開展BOTDR檢測，以排查覆冰對光纖運行帶來的隱患。

5 ?結論

本文基于統計數據和運行事件查找運行風險點，開展電力OPGW光纜覆冰性能研究，為提升電力通信系統干線光纜運維水平奠定理論基礎。通過開展智能化監測，提出運維提升建議，為強化通信系統本質安全水平提供科學保障。

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