基于分布式溫度應力監測的光纖復合架空相線結構

常恩山，張 彤

(榆林職業技術學院， 陜西 榆林 719000)

光纖復合架空相線是電力通信系統的特種光纜，即在既有相線結構中復合光線單元于導線內的光纜，此光纜可通過電力系統線路資源，有效防止頻率資源、路由協調、電磁兼容等與外界的沖突，以促使其兼具電能傳輸與通信功能，因此得以在電網輸電線路中倍受青睞[1]。傳統光纖復合架空相線結構內部的光纖通常均為單模光纖，只應用于光纖通信，為確保良好光傳輸性能，明確指出相線結構內部光纖最大程度上避免受到外界溫度與應力應變的影響。但是，當前具備測溫功能的光纖復合架空相線結構，雖然可以實時監測導線溫度，卻受制于相線結構內部光纖存有余長，導致既有相線受力偏小時，內部光纖太過松弛，難以實時監測相線結構的分布式應力應變[2]。據此，本文提出了基于分布式溫度應力監測的光纖復合架空相線結構。

1 基于分布式溫度應力監測的光纖復合架空相線結構設計

基于分布式溫度應力監測的光纖復合架空相線結構截面[3]具體如圖1所示。

光纖復合架空相線結構主要包含第一光單元、第二光單元，以及沿相線徑向從內向外依次設置了中心層與絞合層。第一光單元安設于光纖復合架空相線結構中心層，內置至少一根零余長緊套光纖，負責測量架空光纜應力應變；第二光單元安設于光纖復合架空相線結構絞合層，內置至少一根0.5%～0.8%余長松套光纖，負責測量架空光纜溫度。

圖1 光纖復合架空相線結構截面圖

第一光單元包含負責放置緊套光纖的不銹鋼管；第二光單元則包含負責放置松套光纖的不銹鋼管,二者內部都分別填充了油膏。光纖復合架空相線結構還包含鋁包鋼線與鋁線，且安設于絞合層；鋁包鋼線由多根鋁包鋼線構成，鋁線則由多根鋁線構成。

基于分布式溫度應力監測的光纖復合架空相線結構，在絞合層設置了余長比較大，負責測量溫度的松套光纖；在中心層設置了零余長，負責測量應力應變的緊套光纖，以此可實時監測相線結構的全過程溫度與應力應變，且實現電力傳輸、光纖通信、狀態監測三項功能，從而提升電力傳輸監測整體水平，保障電力輸送安全性與可靠性[4]。

2 光纖復合架空相線結構溫度應力監測流程設計

光纖復合架空相線結構溫度應力監測流程[5]具體如圖2所示。

圖2 光纖復合架空相線溫度應力監測流程

分布式光纖溫度應力監測主機基于光纖連接跳線與光纖連接盒相互對接，而光纖連接盒基于光纖復合架空相線與分布式光纖溫度應力監測主機相互銜接，其可實時在線監控架空相線長距離運行溫度與分布應力。分布式溫度應力監測主機原理[6]具體如圖3所示。

圖3 分布式溫度應力監測主機原理示意圖

3 監測結果分析

以A供電公司為載體，在110 kV輸電線路中引進基于分布式溫度應力監測的光纖復合架空相線結構，以連續分布式測量相線結構的全過程溫度與應變。將線路A相導線更換為所設計的光纖復合架空相線結構，線路長度約15 km，最大檔距約570 m。光纖復合架空相線光纜于變電站的兩側端桿塔位置改造為利用全介質自承式光纜，然后引入變電站中。布里淵光纖傳感器則安裝在線路起始端變電站通信機房中，其具備本地顯示與存儲功能，可供現場運維人員使用[7]。布里淵光纖傳感器測量數據可基于內網傳送于監測中心，以此為線路監控、運維、故障處理提供有力的數據依據。

3.1 光纖復合架空相線結構溫度監測結果分析

光纖復合架空相線結構通過通電試運行，其通電前后的溫度分布[8]具體如圖4所示。

由圖4可知，在光纖復合架空相線結構無負載電流時，溫度相對偏低，且分布不均勻，這主要是由于周圍環境溫度、地理環境、風速風向所造成的；而在光纖復合架空相線結構添加負載電流時，全過程溫度綜合升高大約15～20 ℃，且分布更不均勻，即使忽視突變尖峰，通電之后相線結構溫度分布依舊存在大約10 ℃起伏，這主要是由于光纖復合架空相線結構通電之后，溫度分布所承受的風速風向影響更大。在此基礎上，深入分析光纖復合架空相線結構溫度分布曲線的溫度突變點位置相關信息及設計資料得知，光纖溫度突變點數量與桿塔數量相同；溫度突變點尖峰發生于耐張線夾位置，主要是受耐張線夾渦流、接觸電阻影響，需加強重視；溫度突變點谷峰出現于光纖接續盒或者懸垂線夾位置，光纖接續盒中的盤纖與導線相分離，所以溫度偏低，但是懸垂線夾位置由于添加了光纖復合架空相線結構的線徑，使得散熱性能良好，溫度有所下降。

圖4 光纖復合架空相線結構通電前后的溫度分布曲線

由圖4中數據可知，布里淵光纖傳感器可真實反映光纖復合架空相線結構全過程溫度分布形態，以此為輸電線路動態化增容奠定堅實基礎，還可全面實時監測溫度過熱位置。

3.2 光纖復合架空相線結構應力監測結果分析

中心層緊緊包裹光纖的設計余長相對于第一層裸光纖較小，所以通過布里淵光纖傳感器測量所得二者頻移變化量，可計算得出光纖復合架空相線結構分布式應變值。光纖復合架空相線結構通過通電試運行，其通電前后的應力應變分布[9]具體如圖5所示。

圖5 光纖復合架空相線通電前后的應變分布曲線

由圖5(a)可知，光纖復合架空相線結構在無負載電流時，出現了5處應變異常位置，其他位置并未發生明顯應變，這主要是由于生產工藝與安裝要求的局限性，導致中心層緊緊包裹光纖的設計余長依舊不能達到零余長；光纖復合架空相線結構在添加負載電流時，應變分布狀況變得更加復雜，出現了更多新的應變異常位置，然而通電前所存在的2處應變異常位置恢復了正常狀態，應變異常位置的新增加與恢復，與光纖復合架空相線結構通電之后溫度升高所造成的線纜受熱膨脹息息相關。由圖5中數據可知，布里淵光纖傳感器可全過程在線監測光纖復合架空相線結構的應力應變狀態。

4 結 論

綜上所述，本文提出了基于分布式溫度應力監測的光纖復合架空相線結構，可對相線結構所有位置的溫度與應力監測，具備電力傳輸、光纖通信、狀態檢測三項主要功能，可保障電力輸送安全性與穩定性。通過現場應用測量結果表明，在光纖復合架空相線結構無負載電流時，溫度相對偏低，且分布不均勻；而在添加負載電流時，全過程溫度綜合升高大約15～20 ℃，且分布更不均勻，即使忽視突變尖峰，通電之后相線結構溫度分布依舊存在大約10 ℃起伏；布里淵光纖傳感器可真實反映光纖復合架空相線結構全過程溫度分布形態，以此為輸電線路動態化增容奠定堅實基礎，還可全面實時監測溫度過熱位置；光纖復合架空相線結構在無負載電流時，出現了5處應變異常位置，其他位置并未發生明顯應變；在添加負載電流時，應變分布狀況變得更加復雜，出現了更多新的應變異常位置，然而通電前所存在的2處應變異常位置恢復了正常狀態；布里淵光纖傳感器可全過程在線監測光纖復合架空相線結構的應力應變狀態。