高玉珍，郝旭東

(1.深圳市特發(fā)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(nèi)，導(dǎo)線的溫度測(cè)量一般采用非接觸式的紅外測(cè)量技術(shù)，它的操作受氣象條件、地理?xiàng)l件及人工執(zhí)行的影響，連續(xù)地測(cè)量導(dǎo)線內(nèi)部的真實(shí)溫度（時(shí)時(shí)在線測(cè)量）在世界范圍內(nèi)的實(shí)用線路中都沒(méi)有登錄或記載。2008年春節(jié)前后的南方特大冰雪災(zāi)害，使我們意識(shí)到，在電網(wǎng)輸電導(dǎo)線中加入測(cè)溫技術(shù)的重大意義，隨后對(duì)OPPC測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行了科研立項(xiàng)，展開(kāi)了對(duì)相關(guān)技術(shù)的深入研究和實(shí)驗(yàn)。

我國(guó)第一條OPPC線路由深圳特發(fā)研制，并于2005年11月1日在深圳寶安老虎坑垃圾發(fā)電廠—松崗北變投入正式運(yùn)營(yíng)。在近5年的時(shí)間，國(guó)內(nèi)幾家電力光纜廠都在OPPC的項(xiàng)目上投入了一定的研發(fā)和市場(chǎng)推廣。

截至2009年6月，市場(chǎng)所推出的線路都在10 kV與35 kV的線路上應(yīng)用，導(dǎo)線截面一般在120～240 mm2之間,光纖芯數(shù)一般在12～24芯之間。

2009年6月26日，華北電網(wǎng)有限公司與深圳市特發(fā)信息股份有限公司攜手合作，在華北電網(wǎng)唐山供電公司玉田縣境內(nèi)的虹橋變電站至窩洛沽變電站110 kV線路 （簡(jiǎn)稱虹—窩線），全長(zhǎng)24.5 km，架設(shè)了光纖復(fù)合架空相線，至今安全運(yùn)行。

2010年3月，華北電網(wǎng)有限公司與深圳市特發(fā)信息股份有限公司又啟動(dòng)了在220 kV線路上的項(xiàng)目，該項(xiàng)目不僅在電壓等級(jí)上有所提高，更重要的是增加了分布式光纖測(cè)溫技術(shù)及視頻監(jiān)控技術(shù)。

近年來(lái)，有關(guān)OPPC的論述已有很多，本文重點(diǎn)介紹光纖測(cè)溫在OPPC線路中的應(yīng)用。

2 線路設(shè)計(jì)

（1）220 kV線路介紹

張家口地區(qū)220 kV白龍山變電站至鹿原變電站 （白龍山開(kāi)關(guān)站—鹿原變電站），位于張家口壩上地區(qū)的北部，線路總長(zhǎng)度26.193 km，鐵塔69基，本線路工程共分6盤(pán)，其中有2盤(pán)超過(guò)5 km，單盤(pán)重量超過(guò)5噸的有4盤(pán)，超過(guò)7噸的有2盤(pán)。

本工程是新建線路，將原設(shè)計(jì)的220 kV線路中的B相線更換為OPPC，原線路設(shè)計(jì)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(gòu)至通信機(jī)房的導(dǎo)引光纜（非金屬材料）采用ADSS光纜，具有耐電痕外護(hù)套（AT護(hù)套）、層絞式結(jié)構(gòu)并具有阻燃（或不延燃）、防水、防潮、防蟲(chóng)蛀、抗拉、抗壓等性能，易敷設(shè)于管道中、電纜溝、電纜井和室內(nèi)。

為了使OPPC與其他兩相的弧垂匹配，經(jīng)計(jì)算OPPC的最大使用張力安全系數(shù)N=2.5，平均運(yùn)行張力不大于額定抗拉強(qiáng)度的24.7%。

（2）OPPC光纜選型

OPPC光纜是將三相導(dǎo)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(shí)滿足系統(tǒng)對(duì)通信信號(hào)的要求。其中，涉及導(dǎo)線間的機(jī)械性能與電氣性能的配合、光纖部分通信信號(hào)的傳輸、纜線的熔接、光電信號(hào)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(hào)互通等關(guān)鍵技術(shù)。

220 kV（白龍山開(kāi)關(guān)站—鹿原變電站）原線路導(dǎo)線設(shè)計(jì)的是LGJ-400/35，為了做到盡可能地接近另外2根導(dǎo)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(dǎo)線單絲采用與相鄰導(dǎo)線一樣的電工鋁線。光纜型號(hào)為T(mén)OPPC-16B1+8TB1-400/35。

由表1可知，TOPPC和導(dǎo)線在直徑、截面積、單位質(zhì)量、拉斷力等方面的機(jī)械特性等基本一致，又由于本結(jié)構(gòu)中心加強(qiáng)部分采用的是鋁包鋼單絲，因?yàn)殡娏鞯募w效應(yīng)，使鋁包鋼芯加強(qiáng)部分也承載部分電流，從而在同樣負(fù)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(dǎo)線機(jī)械性能的同時(shí)也使電氣特性更接近、更優(yōu)越。

表1 TOPPC與導(dǎo)線結(jié)構(gòu)參數(shù)比較

3 TOPPC測(cè)溫系統(tǒng)概述

3.1 光纖測(cè)溫原理（光纖光柵）

1989年，美國(guó)聯(lián)合技術(shù)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(zhǎng)的紫外激光干涉條紋側(cè)面照射纖芯，將任意工作波長(zhǎng)的光柵寫(xiě)進(jìn)了纖芯，形成纖芯內(nèi)光柵光纖，使光纖光柵的制作技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破性的進(jìn)展，光纖光柵靈活地大批量制作成為可能，光纖光柵逐步實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化。

目前，光纖測(cè)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(duì)溫度敏感性進(jìn)行測(cè)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(cè)光纖發(fā)射光脈沖，該光脈沖通過(guò)光纖時(shí)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(huì)偏離原來(lái)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(jīng)定向耦合器送至光電檢測(cè)系統(tǒng)。由于每一個(gè)向后傳播的散射光對(duì)應(yīng)光纖總線上的一個(gè)測(cè)點(diǎn)，散射光的延時(shí)即反應(yīng)在光纖總線上的位置。后向反射光的強(qiáng)度與光纖中反射點(diǎn)的溫度有一定的相關(guān)關(guān)系，反射點(diǎn)的溫度（該點(diǎn)光纖的環(huán)境溫度）越高，反射光的強(qiáng)度也越大。也就是說(shuō)，背向反射光的強(qiáng)度可以反映出反射點(diǎn)的溫度。

利用這個(gè)現(xiàn)象，通過(guò)測(cè)量出背向反射光的強(qiáng)度和延時(shí)，就可以計(jì)算出反射點(diǎn)的溫度和位置，這就是利用光纖的拉曼反射測(cè)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(guò)特殊的加工方式，使纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，局部形成一個(gè)窄帶的反射鏡面，對(duì)特定波長(zhǎng)的光形成反射。當(dāng)光纖的溫度發(fā)生變化時(shí)，光柵的周期會(huì)隨著光纖的熱脹冷縮發(fā)生變化，該變化會(huì)改變反射波長(zhǎng)，通過(guò)測(cè)量反射光的波長(zhǎng)變化，便可測(cè)量出光柵所處位置的光纖感應(yīng)溫度。同樣，通過(guò)測(cè)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(cè)溫的原理。

通過(guò)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，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(huì)使光纖的頻譜響應(yīng)特性發(fā)生變化，其頻譜響應(yīng)如圖4所示。

當(dāng)寬譜輸入光源從一端輸入光纖時(shí)，光纖光柵會(huì)對(duì)特定波長(zhǎng)的光形成明顯的反射，根據(jù)光耦合原理，反射波長(zhǎng)為：λB=2nΛ，其中

光纖光柵傳感器測(cè)溫正是利用了光柵對(duì)特定波長(zhǎng)的反射原理。當(dāng)光纖光柵的溫度發(fā)生變化時(shí)，光柵的周期Λ隨之發(fā)生變化，而Λ的變化帶來(lái)反射波長(zhǎng)λB的變化，通過(guò)測(cè)量λB的變化，即可得到溫度的變化。

例如：一個(gè)在25℃時(shí)λB=1 535.050 nm的光纖光柵，當(dāng)溫度上升到35℃時(shí)，其反射波長(zhǎng)將會(huì)變?yōu)棣薆=1535.150nm（反射波長(zhǎng)每1℃變化0.01 nm）。

當(dāng)用光纖光柵作為溫度傳感器時(shí)，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(jì)算，因此所對(duì)應(yīng)的溫度變化范圍為：ΔT=60/0.01=6 000℃

但現(xiàn)實(shí)中不會(huì)有如此大的測(cè)量范圍要求，光纖也無(wú)法承受如此的高溫。

3.2 測(cè)量方法的比較與選定

由于兩種測(cè)量方法的原理不同，對(duì)設(shè)備的要求也完全不同。

拉曼反射測(cè)溫方式，由于是利用光纖本身的散射來(lái)感應(yīng)溫度變化，而且散射的信號(hào)非常弱，要求設(shè)備發(fā)射光源功率大，接收端靈敏度高。這會(huì)使測(cè)溫設(shè)備的成本非常高，且隨著測(cè)量距離的增加，設(shè)備成本成倍增長(zhǎng)，設(shè)備的穩(wěn)定性也較差。目前國(guó)內(nèi)比較成熟的技術(shù)能夠測(cè)量4 km的距離。超過(guò)4 km后，必須使用進(jìn)口設(shè)備。拉曼反射測(cè)溫方式的優(yōu)點(diǎn)是可以使用普通多模光纖（單就多模光纖經(jīng)濟(jì)性較普通G.652光纖經(jīng)濟(jì)性要差），測(cè)溫點(diǎn)數(shù)沒(méi)有限制（可達(dá)到1 m 1個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，也可以理解為連續(xù)測(cè)量）。

通過(guò)光纖刻錄成的光柵光纖，測(cè)溫方式由于是特制有針對(duì)性的光纖，反射信號(hào)強(qiáng)，因此對(duì)設(shè)備的發(fā)射功率和接收靈敏度要求都低于拉曼反射測(cè)溫方式，且設(shè)備的穩(wěn)定性好。同時(shí)，帶來(lái)的好處是測(cè)量距離遠(yuǎn)，測(cè)量距離可以在100 km以上。其劣勢(shì)在于必須使用特殊的通過(guò)光纖刻錄成的光纖光柵，測(cè)量的點(diǎn)數(shù)有限制。

事實(shí)上，我們根據(jù)OPPC線路的使用情況分析，不需要測(cè)量整條線路的連續(xù)溫度分布，可以選用每300～500 m一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，或在弧垂最低點(diǎn)加大分布光柵點(diǎn)，因此我們選用光纖光柵的測(cè)溫方式來(lái)監(jiān)控OPPC線路的溫度變化。

3.3 TOPPC測(cè)溫系統(tǒng)的制造與技術(shù)難點(diǎn)

TOPPC測(cè)溫系統(tǒng),光纜的制造工藝與普通OPPC制造工藝一致。不同點(diǎn)在于：特殊的經(jīng)過(guò)激光刻錄成的光柵光纖，增加了產(chǎn)品的制造難度。其二光纖光柵與普通光纖同時(shí)加工成光單元過(guò)程中，余長(zhǎng)控制的均勻性十分重要。其技術(shù)難點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)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(gè)狹縫（窗口）即光柵，刻入光柵的工藝復(fù)雜，要求儀器精度高，且控制刻錄過(guò)程需要一定的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)光纖涂覆層與剝離后的光柵刻錄過(guò)程的應(yīng)力控制尤其重要，恢復(fù)光纖光柵原有強(qiáng)度的工藝是制造光纖光柵重要的難點(diǎn)，且專業(yè)設(shè)備較貴和專業(yè)的技術(shù)水平要求較高。目前，隨著生產(chǎn)工藝的逐步成熟，這一技術(shù)將不是問(wèn)題。激光刻錄光柵的方式不產(chǎn)生附加損耗，不會(huì)影響測(cè)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(qiáng)度的修復(fù)和彎曲性能的恢復(fù)，使得在生產(chǎn)光單元時(shí)容易出現(xiàn)斷纖的現(xiàn)象。

光纖光柵與普通光纖同時(shí)加工成光單元的過(guò)程中，余長(zhǎng)控制不是單一普通光纖的余長(zhǎng)控制，兩種光纖的應(yīng)力變化差要求處理一致，使余長(zhǎng)必須保證光纜架設(shè)后光纖光柵不會(huì)出現(xiàn)受力的情況發(fā)生。一旦光纖受力，會(huì)影響溫度測(cè)量的精度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成斷纖。

（3）TOPPC測(cè)溫系統(tǒng)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(guò)程中，光單元的張力非常穩(wěn)定。一旦光單元放線張力不穩(wěn)定，會(huì)造成光纖的余長(zhǎng)發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致光纖光柵斷纖。

3.4 張家口地區(qū)TOPPC測(cè)溫系統(tǒng)介紹

該TOPPC測(cè)溫系統(tǒng)的線路在華北電網(wǎng)張家口地區(qū)220 kV白鹿線 （白龍山開(kāi)關(guān)站—鹿原變電站），TOPPC中光纖設(shè)計(jì)芯數(shù)為24芯，其中測(cè)溫光纖分為8路，在線監(jiān)測(cè)4路，預(yù)留4路，2芯為視頻監(jiān)控使用，全線分設(shè)48個(gè)測(cè)控點(diǎn)對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，溫度測(cè)試精度為±2℃。整條線路采用中間接頭盒5個(gè)，終端接頭盒2個(gè)，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)并通過(guò)OTDR對(duì)通信光纖進(jìn)行雙向測(cè)試，光纖平均衰減為1 310 nm、0.3445 dB/km、1 550 nm、0.1921 dB/km，測(cè)溫及通信各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.5 測(cè)溫系統(tǒng)組成

溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由測(cè)溫TOPPC光纜、光纖光柵網(wǎng)絡(luò)分析儀、工業(yè)監(jiān)控計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)軟件組成。OPPC測(cè)溫系統(tǒng)如圖5所示。

系統(tǒng)將光柵光纖傳感器探知的光信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)放大處理之后送入監(jiān)控計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)軟件處理后顯示各檢測(cè)點(diǎn)的溫度值。監(jiān)控計(jì)算機(jī)同時(shí)提供界面給用戶預(yù)先設(shè)定各點(diǎn)預(yù)警、報(bào)警溫度，一旦滿足觸發(fā)條件，計(jì)算機(jī)上將出現(xiàn)報(bào)警輸出。

另外，如果用戶需要，所有的溫度數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。傳輸?shù)接脩艨偪刂剖液?，有利于用戶?shí)現(xiàn)全范圍內(nèi)的有效控制。

3.6 TOPPC在線溫度測(cè)量的意義

（1）在線測(cè)溫——提高線路的輸電能力

TOPPC作為傳輸電力的線路，其導(dǎo)線溫度直接反映出線路的實(shí)際承載狀況。我國(guó)導(dǎo)線理論設(shè)計(jì)溫度為70℃，運(yùn)行中實(shí)際溫度為多少，不同的地區(qū)，不同的季節(jié)，都有所不同。在智能電網(wǎng)中，對(duì)導(dǎo)線的溫度測(cè)量是提供數(shù)字化平臺(tái)的一部分，通過(guò)對(duì)導(dǎo)線溫度的在線測(cè)量可以最終提升到及時(shí)調(diào)整線路的負(fù)荷，使電網(wǎng)輸電在安全運(yùn)行的條件下，效率有更大的提高。

（2）在線測(cè)溫——預(yù)警作用

2008年的冰雪災(zāi)害警示了我們，在災(zāi)害來(lái)臨之際，我們還是聾子和瞎子，在線測(cè)溫使我們走出盲區(qū)，我們可以通過(guò)平時(shí)累計(jì)的測(cè)溫參數(shù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析，做出災(zāi)害來(lái)臨前的預(yù)警，為避免災(zāi)害和將災(zāi)害減少到最小。

（4）在線測(cè)溫——實(shí)施融冰的基礎(chǔ)

時(shí)時(shí)測(cè)量導(dǎo)線的實(shí)際溫度，是實(shí)現(xiàn)融冰的前提條件，同時(shí)也是為了融冰過(guò)程中的安全，使融冰順利進(jìn)行的可靠保證。

4 結(jié)束語(yǔ)

光纖測(cè)溫系統(tǒng)在OPPC線路上的應(yīng)用，從性能上突破了光纖只是通信的目的，將光纖測(cè)溫技術(shù)引入電力輸電系統(tǒng)中，增強(qiáng)了光纖的使用功能，擴(kuò)大了光纖應(yīng)用的范圍。并為建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)，智能電網(wǎng)提供最基礎(chǔ)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

我們期待華北電網(wǎng)的光纖測(cè)溫——TOPPC的實(shí)用線路，在今后的運(yùn)行中，能為光纖測(cè)溫在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。