OPGW直流融冰過(guò)程對(duì)通信光纖的影響

龍波，喻圓祥

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昭通供電局，云南 昭通 657000）

0 前言

極端凝凍災(zāi)害的頻發(fā)，為了避免OPGW光纜斷線等嚴(yán)重事故，OPGW融冰是必然。近年來(lái)，南方電網(wǎng)將直流融冰技術(shù)應(yīng)用于架空地線和OPGW，并進(jìn)行系統(tǒng)性的研究，成功解決地線和OPGW無(wú)法融冰的技術(shù)問(wèn)題，也為覆冰地區(qū)通信OPGW光纜的可靠運(yùn)行提供了新的技術(shù)手段。但在地線融冰的應(yīng)用中出現(xiàn)了融冰線路OPGW光纜纖芯由于溫度過(guò)高被損壞故障，導(dǎo)致通信通道中斷，嚴(yán)重影響繼保、安穩(wěn)等生產(chǎn)實(shí)時(shí)控制業(yè)務(wù)的安全運(yùn)行。為了確保OPGW光纜的融冰安全，近年來(lái)相關(guān)單位開(kāi)展了較多研究[1-3]，除開(kāi)展允許的最高融冰電流、最高溫升、最長(zhǎng)融冰時(shí)間等基礎(chǔ)性研究以外，在融冰過(guò)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究主要包括以下兩個(gè)方向。第一，OPGW光纜相關(guān)研究[1]。融冰過(guò)程不僅會(huì)使OPGW光纜溫度升高，可能超過(guò)OPGW光纜允許溫升，另一方面，OPGW光纜覆冰脫落時(shí)會(huì)使纜線產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)會(huì)增大光纜的受力，可能超過(guò)OPGW光纜的允許張力范圍，由此，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展過(guò)融冰過(guò)程O(píng)PGW溫度、應(yīng)力相關(guān)研究，確保OPGW光纜融冰過(guò)程的安全。第二，OPGW光纜內(nèi)部光纖相關(guān)的研究[2]。融冰過(guò)程的高溫及脫冰時(shí)的振動(dòng)同樣會(huì)影響內(nèi)部光纖，也有研究單位開(kāi)展過(guò)融冰過(guò)程的光纖溫度及應(yīng)力監(jiān)測(cè)[3]。還包括融冰高溫對(duì)光纖衰減、光纖涂覆層、光纖膏的影響等基礎(chǔ)性研究[4]。無(wú)論是OPGW光纜因覆冰發(fā)生的溫度、應(yīng)力變化；內(nèi)部光纖發(fā)生的溫度、應(yīng)力變化；還是光纖高溫對(duì)涂覆層及油膏的影響。最終對(duì)通信影響與否的判斷標(biāo)準(zhǔn)依然是光纖衰耗。本文將展示分析融冰通流過(guò)程光纖測(cè)試信號(hào)，探討OPGW直流融冰過(guò)程對(duì)通信光纖的影響。

1 OPGW直流融冰過(guò)程對(duì)通信光纖產(chǎn)生的影響

1.1 溫度造成的影響

OPGW光纜具有接地、通信雙重功能。在通信功能應(yīng)用中，需要滿足通信運(yùn)行條件，要求使用溫度要控制在零下40℃~零上70℃之間。根據(jù)實(shí)踐表明，通信光纖長(zhǎng)期在85℃的環(huán)境中運(yùn)行，平均使用壽命為20年。所以，溫度使用環(huán)境對(duì)光纖使用壽命起到了決定性的作用[5]。

目前已有融冰溫度研究指出，如果融冰時(shí)對(duì)OPGW的表面溫度控制按照載流公式計(jì)算，實(shí)際的OPGW內(nèi)部的光纖溫度要高于表面溫度，而且這個(gè)差值隨著OPGW表面溫度升高而增大。最終會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題是：雖然OPGW表面溫度滿足線路設(shè)計(jì)最高要求，但內(nèi)部光纖環(huán)境溫度可能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其安全使用溫度。OPGW如果長(zhǎng)期經(jīng)受高溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致光纖涂覆層加速老化，降低其對(duì)外力影響的緩存作用，影響光纖的長(zhǎng)期壽命及光纖衰減[4]。

1.2 張力作用造成的影響

OPGW覆冰后，弧垂會(huì)隨覆冰厚度增加而增大，可能造成與導(dǎo)線距離過(guò)近引發(fā)接地事故，有時(shí)可能低于導(dǎo)線垂度，甚至發(fā)生斷線事故。OPGW在進(jìn)行結(jié)構(gòu)余長(zhǎng)、光纖余長(zhǎng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了線路覆冰情況[6]，理論上講，只要OPGW不斷線，內(nèi)部光纖不會(huì)因?yàn)楦脖a(chǎn)生額外張力。但融冰過(guò)程就更為復(fù)雜，融冰時(shí)，OPGW光纜上覆冰會(huì)快速融化，但檔距內(nèi)各位置覆冰融化程度可能不一樣，不均勻脫冰可能會(huì)使光纜產(chǎn)生不規(guī)律震動(dòng)，不規(guī)律震動(dòng)可能會(huì)使內(nèi)部光纖產(chǎn)生張力變化，從而影響光纖傳輸。OPGW弧垂就比導(dǎo)線更低。是因?yàn)镺PGW直徑更小，在同樣覆冰環(huán)境拉升會(huì)更長(zhǎng)。

2 OPGW直流融冰過(guò)程光纖參數(shù)分析

2.1 電力通信測(cè)量

光纖是電力通信通道中重要的載體，肩負(fù)著生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的電力通信的重要任務(wù)。在OPGW融冰過(guò)程中光纖參數(shù)監(jiān)控、測(cè)量則是非常重要的工作內(nèi)容，落實(shí)融冰過(guò)程光纖測(cè)量，對(duì)于確保電力通信通道的安全性與可靠性具有重要意義。目前，南方電網(wǎng)各局對(duì)于OPGW融冰過(guò)程光纖參數(shù)測(cè)量已有明確要求，要求每15 min測(cè)量一組數(shù)據(jù)，并同時(shí)測(cè)量光纜表面溫度，形成測(cè)量記錄表，以及形成分析報(bào)告。

2.2 數(shù)據(jù)分析

對(duì)某500 kV變電站融冰裝置對(duì)某220 kV線路進(jìn)行了直流融冰。本次融冰最大通流值：150 A。本次融冰線路全線實(shí)測(cè)最高溫度：7℃（未達(dá)到200 A）。

在融冰前、融冰過(guò)程中、融冰后分別對(duì)第13號(hào)纖芯進(jìn)行了信號(hào)測(cè)試，圖1、圖2、圖3分別是融冰前、融冰過(guò)程中、融冰后的測(cè)試曲線。

圖1 融冰前光纖測(cè)試信號(hào)

圖2 融冰過(guò)程光纖測(cè)試信號(hào)

圖3 融冰后光纖測(cè)試信號(hào)

融冰前線路總衰耗為13.041 dB，融冰過(guò)程總衰耗為15.25 dB，融冰后線路總衰耗為13.929 dB。OPGW光纜光衰耗變化正常，融冰過(guò)程總損耗有所增加，但融冰后總損耗回歸正常，未發(fā)現(xiàn)其他異常。

融冰前、中、后事件點(diǎn)損耗統(tǒng)計(jì)表如表1所示。融冰前、中、后事件點(diǎn)損耗對(duì)比分析如圖4所示。融冰前線路事件點(diǎn)一共9個(gè)，融冰中和融冰后事件點(diǎn)均為13個(gè)，但事件點(diǎn)位置分布略有差異，如表1所示。其中全線路有6個(gè)事件點(diǎn)位置一致，其衰耗如表2所示。其中4個(gè)事件點(diǎn)在融冰過(guò)程中衰耗最高，融冰過(guò)程事件點(diǎn)衰耗最高占比66.7%。

表1 融冰前、中、后事件點(diǎn)損耗統(tǒng)計(jì)

圖4 融冰前、中、后事件點(diǎn)衰耗對(duì)比分析

表2 全線路位置一致事件點(diǎn)衰耗統(tǒng)計(jì)

通過(guò)數(shù)據(jù)截圖可以看到融冰前后整體衰耗雖然沒(méi)有太大變化，但融冰過(guò)程衰耗還是有明顯增加，并且融冰后事件點(diǎn)數(shù)量也有所增加。雖然短時(shí)間內(nèi)對(duì)通信傳輸沒(méi)有影響，但多年融冰累計(jì)影響也不容忽視，但目前缺乏更多的數(shù)據(jù)支撐說(shuō)明融冰過(guò)程對(duì)通信光纖的影響。需要進(jìn)一步收集更多數(shù)據(jù)開(kāi)展研究。

3 OPGW直流融冰過(guò)程監(jiān)測(cè)方案

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

OTDR作為光纖參數(shù)測(cè)量?jī)x器，能夠在融冰時(shí)測(cè)量光纖基本參數(shù)，但開(kāi)展OPGW直流融冰過(guò)程對(duì)通信光纖的影響需要更多的數(shù)據(jù)支撐，以及更高效智能的手段。在OTDR的基礎(chǔ)上，結(jié)合COTDR系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)線路桿塔定位及高效智能的光纖測(cè)量。本文介紹的技術(shù)方案最終可實(shí)現(xiàn)在辦公室遠(yuǎn)程監(jiān)控融冰通流過(guò)程的光纖狀態(tài)。系統(tǒng)的總體架構(gòu)分為3層。最底層是變電站數(shù)據(jù)采集終端，完成融冰通流過(guò)程的測(cè)試功能，測(cè)試硬件具備1~36條纖芯數(shù)量可調(diào)的測(cè)試方式。中間層是后臺(tái)服務(wù)器層，包括數(shù)據(jù)庫(kù)、后臺(tái)控制程序。后臺(tái)服務(wù)器完成數(shù)據(jù)的管理、測(cè)試控制、告警分析、數(shù)據(jù)管理、消息分發(fā)、資源和告警的同步。評(píng)估系統(tǒng)的最上層是客戶端，用戶通過(guò)客戶端連接到評(píng)估系統(tǒng)服務(wù)器，完成界面表現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)操作功能。客戶端并不支持操作遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集終端，而通過(guò)后臺(tái)分配執(zhí)行，避免多客戶端同時(shí)操作引起硬件資源沖突。這種基于客戶端和服務(wù)器的方案使用簡(jiǎn)單，控制有效，并便于系統(tǒng)升級(jí)。系統(tǒng)示意圖如圖5所示[7]。

圖5 系統(tǒng)示意圖

通過(guò)非相干和相干激光源發(fā)出探測(cè)光信號(hào)，探測(cè)光信號(hào)經(jīng)環(huán)形器傳入監(jiān)測(cè)光纖，散射回來(lái)的光纖信號(hào)經(jīng)偏振器把數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、展示，通過(guò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，用戶可訪問(wèn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。智能系統(tǒng)可采集光纜中多芯光纖參數(shù)，更易于綜合分析論證。

3.2 系統(tǒng)功能特點(diǎn)設(shè)計(jì)說(shuō)明

1）對(duì)光纜融冰通流的全程全網(wǎng)監(jiān)控：利用OTDR進(jìn)行光纖融冰測(cè)試時(shí)，每根測(cè)試光纖都需要人手工接入，并每15 min測(cè)試一次，不能全面掌握融冰全過(guò)程光纖狀態(tài)，并且每次需要安排技術(shù)人員到變電站蹲守測(cè)試。本融冰監(jiān)測(cè)、評(píng)估系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)和多路復(fù)用技術(shù)，可以將用戶遍布各變電站的光纜都納入到監(jiān)控系統(tǒng)中，用戶足不出戶就可對(duì)全網(wǎng)融冰光纜進(jìn)行測(cè)試。

2）自動(dòng)測(cè)試和分析：融冰通流系統(tǒng)對(duì)接入監(jiān)控范圍的光纜不僅能在融冰通流過(guò)程實(shí)現(xiàn)高頻率數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，還能定期進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，采集測(cè)試結(jié)果并自動(dòng)進(jìn)行分析比較，將維護(hù)人員從大量的手工測(cè)試工作中解放出來(lái)。同時(shí)系統(tǒng)能提供高頻度的自動(dòng)測(cè)試，有利于加強(qiáng)重點(diǎn)保障線路的維護(hù)，其測(cè)試的效果是人工無(wú)法達(dá)到的。

3）專業(yè)化的分析：系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)能夠比 OTDR存儲(chǔ)更多的測(cè)試數(shù)據(jù)，并提供比OTDR更靈活和強(qiáng)大的分析界面，輔助用戶進(jìn)行性能分析。同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部集成了專家分析數(shù)據(jù)庫(kù)和一些成熟的性能判斷指標(biāo)，即使不是經(jīng)驗(yàn)豐富的維護(hù)人員也能借助系統(tǒng)進(jìn)行性能分析。系統(tǒng)根據(jù)分析結(jié)果的異?？勺詣?dòng)出光纜中斷和性能劣化的實(shí)時(shí)告警，提醒用戶及時(shí)處理故障。

4）測(cè)試和資源的緊密結(jié)合：用戶的資源是由光纜、光纜段、管道段、地標(biāo)、熔接和連接點(diǎn)構(gòu)成。而光纜的測(cè)試結(jié)果是以測(cè)試曲線，曲線上的反射點(diǎn)和非反射點(diǎn)來(lái)反映，除了少數(shù)一線的維護(hù)人員，一般用戶尤其是主管領(lǐng)導(dǎo)很難將具體的光纜段、地標(biāo)和測(cè)試結(jié)果的信息對(duì)應(yīng)。光纜監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)結(jié)合光纜資源和測(cè)試信息，能讓用戶很清楚地了解到光纜網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的性能狀況。

5）故障桿塔定位讓故障定位更準(zhǔn)確：傳統(tǒng)OTDR故障定位的是故障點(diǎn)距離變電站的光纖距離，而本系統(tǒng)給出的定位是具體線路桿塔，方便搶修人員快速到達(dá)故障點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上面的研究可以明確，OPGW直流融冰過(guò)程對(duì)通信光纖產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究是非常必要的。通過(guò)實(shí)際線路試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)融冰過(guò)程光纖衰耗有所變化。但目前研究?jī)H僅局限于短時(shí)間、少量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究，對(duì)于每年都需要進(jìn)行多次融冰操作的線路，經(jīng)過(guò)多次融冰高溫、融冰振動(dòng)積少成多的影響，不可忽視。通過(guò)本文的方案建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收集更多實(shí)際融冰過(guò)程數(shù)據(jù)，以便進(jìn)一步分析直流融冰對(duì)通信光纖的影響。