北京電力經(jīng)濟(jì)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(diǎn)，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(jì)數(shù)據(jù)，截止2010年底，華北電網(wǎng)運(yùn)行的OPGW光纜、ADSS光纜和其他類型電力特種光纜共計(jì)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(yíng)智能輸變電工程中，對(duì)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(dòng)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(jiǎn)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(guó)家首先出現(xiàn)OPPC的設(shè)計(jì)理念，目前OPPC技術(shù)在國(guó)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(guó)外在OPPC的應(yīng)用已有一些實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，但是將OPPC與光纖測(cè)溫技術(shù)融合在一起并投入實(shí)際運(yùn)行的技術(shù)至今未見到報(bào)道。90年代初，國(guó)內(nèi)就已經(jīng)對(duì)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(diǎn)

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(diǎn)

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(kuò)大了電力通信媒介的選擇余地，同時(shí)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(diǎn)：

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

我國(guó)目前在110kV～500kV線路主干網(wǎng)廣泛采用OPGW、ADSS進(jìn)行通信，但對(duì)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(bǔ)充產(chǎn)品，可以實(shí)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(shí)內(nèi)部光纖也會(huì)受到損害，這不但影響輸電線路的可靠運(yùn)行，甚至可能導(dǎo)致通信的中斷。全國(guó)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(fèi)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(jí)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(qiáng)電場(chǎng)中的ADSS光纜與導(dǎo)線和大地之間的電容耦合，會(huì)在光纜表面產(chǎn)生一定的空間電位?？臻g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(shí)就產(chǎn)生了放電，形成了干帶電弧。電弧產(chǎn)生的熱量會(huì)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(jī)械負(fù)荷，不會(huì)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(guó)輸電導(dǎo)線設(shè)計(jì)長(zhǎng)期使用溫度為70℃，短期為90℃。而光纖長(zhǎng)期使用溫度可為100℃，光纖油膏、纜膏的滴點(diǎn)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(duì)的防盜優(yōu)勢(shì)

因OPPC導(dǎo)線與接頭盒上均有高電壓，有絕對(duì)的防盜優(yōu)勢(shì)。

3.導(dǎo)線實(shí)時(shí)溫度測(cè)量系統(tǒng)研究

實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)線溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以為輸電線路融冰、輸電狀態(tài)、動(dòng)態(tài)增容提供了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的重要依據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息了互動(dòng)化，對(duì)于提高電網(wǎng)安全運(yùn)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(cè)溫目前主要有三種方法，即接觸式測(cè)溫法、紅外測(cè)溫法和光纖測(cè)溫法，其中光纖測(cè)溫法分為分布式光纖測(cè)溫法和光柵測(cè)溫法。

3.1 接觸式測(cè)溫法

接觸式測(cè)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(cè)器和集成溫度傳感器等。系統(tǒng)是利用多個(gè)接觸式測(cè)溫探頭和溫度轉(zhuǎn)換、溫度傳輸部件構(gòu)成，其輸出信號(hào)由后臺(tái)機(jī)處理。在需要監(jiān)測(cè)的輸電線路導(dǎo)線上安裝測(cè)溫單元，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)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(cè)主機(jī)。各輸電線路的相應(yīng)桿塔上安裝一塔上主機(jī)，鐵塔上的監(jiān)測(cè)主機(jī)一方面接收本塔所轄各測(cè)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(cè)主機(jī)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(cè)中心。目前已開發(fā)產(chǎn)品的供電實(shí)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(jì)以保證在一次側(cè)電流大幅變化條件下測(cè)溫器仍能可靠工作。實(shí)現(xiàn)了測(cè)溫單元設(shè)備免維護(hù)的要求。此種測(cè)溫方式只是用于線路某點(diǎn)測(cè)試，并且需要使用社會(huì)公共無線網(wǎng)絡(luò)傳送，然后基站后臺(tái)處理。

3.2 紅外測(cè)溫法

紅外非接觸測(cè)溫技術(shù)是利用物體產(chǎn)生的紅外輻射能量的強(qiáng)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(cè)量時(shí)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(duì)測(cè)量精度的影響，標(biāo)定起來較為復(fù)雜；二是測(cè)溫精度受探測(cè)距離、被測(cè)物表面狀況等諸多因素影響，安裝調(diào)試非常麻煩，而且測(cè)量精度和長(zhǎng)期測(cè)量的穩(wěn)定性也難以滿足要求，另外目前紅外測(cè)溫均使用現(xiàn)有成套設(shè)備，需要人工地面操作，無法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。又因?yàn)檫h(yuǎn)距離測(cè)試，導(dǎo)線面積小、有晃動(dòng)很難對(duì)準(zhǔn)，并受到背景環(huán)境影響，測(cè)量精度基本無法保證。

3.3 光纖光柵測(cè)溫法

光纖光柵測(cè)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(huì)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(shí)，光纖光柵會(huì)對(duì)特定波長(zhǎng)的光形成明顯的反射，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)，光柵的周期隨之發(fā)生變化，由此帶來反射波長(zhǎng)的變化，通過測(cè)量反射波長(zhǎng)的變化，即可得到溫度變化。由于測(cè)量的是反射波長(zhǎng)，因此這種方法可以在單端進(jìn)行測(cè)試。光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)使用特制光纖，反射信號(hào)強(qiáng)，穩(wěn)定性好。其劣勢(shì)在于必須使用特殊的光纖光柵，測(cè)量的點(diǎn)數(shù)有限制，不能夠進(jìn)行導(dǎo)線連續(xù)測(cè)溫。

3.4 分布式光纖測(cè)溫法

分布式光纖測(cè)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(cè)試成功。DTS系統(tǒng)同時(shí)利用單根光纜實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)和信號(hào)傳輸，綜合利用光纖拉曼散射效應(yīng)(Raman scattering)和光時(shí)域反射測(cè)量技術(shù)（Optical Time-Domain Reflectometry，簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，光時(shí)域反射測(cè)量技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)溫度定位，它能夠連續(xù)測(cè)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(jí)，能夠進(jìn)行不間斷的自動(dòng)測(cè)量，特別適宜于需要短距離、大范圍多點(diǎn)測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)合。

3.5 方案比較

通過表一分析，采用分布式光纖測(cè)溫法技術(shù)先進(jìn)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，免于維護(hù)，運(yùn)行成本低，本項(xiàng)目試驗(yàn)線段為19公里，宜采用拉曼測(cè)溫法進(jìn)行導(dǎo)線測(cè)溫，并采用接觸式測(cè)溫方法進(jìn)行校對(duì)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(shí)，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(shí)滿足系統(tǒng)對(duì)通信信號(hào)的要求。其中涉及到導(dǎo)線間的機(jī)械性能與電氣性能的配合、光纖保護(hù)、長(zhǎng)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(jī)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(jī)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(zhǎng)，以保證光纖在導(dǎo)線運(yùn)行中不會(huì)受到拉伸。對(duì)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(zhǎng)及運(yùn)行過程中的溫度升高產(chǎn)生的膨脹伸長(zhǎng)及塑性變形產(chǎn)生的蠕變伸長(zhǎng)，因此對(duì)光纖余長(zhǎng)控制工藝要求非常嚴(yán)格。

4.3 長(zhǎng)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(yùn)行溫度為70℃-90℃。70℃-90℃的長(zhǎng)期運(yùn)行溫度對(duì)鋁、鋼材料性能無影響，材料組織結(jié)構(gòu)不會(huì)遭受破壞，不會(huì)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(zhǎng)期耐熱性能通過持續(xù)通流試驗(yàn)，附加光衰減試驗(yàn)結(jié)果滿足試驗(yàn)要求。因此，OPPC的光纜機(jī)械電氣性能和運(yùn)行中的長(zhǎng)期耐熱性能可以滿足實(shí)際運(yùn)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(hào)，將傳輸通信信號(hào)的光纖接續(xù)起來，或連接到零電位水平，保證通訊等信號(hào)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(hào)導(dǎo)線，導(dǎo)線用楔形線夾連接固定，保證線路安全運(yùn)行。接頭盒的設(shè)計(jì)充分考慮輸電線路實(shí)際情況，力求做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔合理、性能穩(wěn)定并且施工簡(jiǎn)便，滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件的需要。

接頭盒的設(shè)計(jì)充分考慮輸電線路實(shí)際情況，力求做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔合理、性能穩(wěn)定并且施工簡(jiǎn)便，滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)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(cè)溫方案比較

110kV等級(jí)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(xiàng)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(diǎn)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(huì)沿OPPC的層絞間的縫隙進(jìn)入接頭盒。對(duì)接頭盒的進(jìn)出纜線夾進(jìn)行了加長(zhǎng)，在運(yùn)行過程中，由于OPPC的末端是其易損的薄弱點(diǎn)，線夾加長(zhǎng)后對(duì)OPPC的握著長(zhǎng)度增加，降低了OPPC損壞的風(fēng)險(xiǎn)(如圖2所示)。

6.結(jié)論

對(duì)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(cè)溫可以采用分布式光纖測(cè)溫法，并采用接觸式測(cè)溫方法進(jìn)行校對(duì)，穩(wěn)定可靠，免于維護(hù)，運(yùn)行成本低，可行性最高，為輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)、動(dòng)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(cè)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。