光纤测温系统在OPPC中的应用

2010-08-09高玉珍郝旭东

电信科学 2010年3期

高玉珍，郝旭东

(1.深圳市特发信息股份有限公司深圳518057；2.华北电科院北京100000)

1 引言

目前，在世界范围内，导线的温度测量一般采用非接触式的红外测量技术，它的操作受气象条件、地理条件及人工执行的影响，连续地测量导线内部的真实温度（时时在线测量）在世界范围内的实用线路中都没有登录或记载。2008年春节前后的南方特大冰雪灾害，使我们意识到，在电网输电导线中加入测温技术的重大意义，随后对OPPC测温技术进行了科研立项，展开了对相关技术的深入研究和实验。

我国第一条OPPC线路由深圳特发研制，并于2005年11月1日在深圳宝安老虎坑垃圾发电厂—松岗北变投入正式运营。在近5年的时间，国内几家电力光缆厂都在OPPC的项目上投入了一定的研发和市场推广。

截至2009年6月，市场所推出的线路都在10 kV与35 kV的线路上应用，导线截面一般在120～240 mm2之间,光纤芯数一般在12～24芯之间。

2009年6月26日，华北电网有限公司与深圳市特发信息股份有限公司携手合作，在华北电网唐山供电公司玉田县境内的虹桥变电站至窝洛沽变电站110 kV线路（简称虹—窝线），全长24.5 km，架设了光纤复合架空相线，至今安全运行。

2010年3月，华北电网有限公司与深圳市特发信息股份有限公司又启动了在220 kV线路上的项目，该项目不仅在电压等级上有所提高，更重要的是增加了分布式光纤测温技术及视频监控技术。

近年来，有关OPPC的论述已有很多，本文重点介绍光纤测温在OPPC线路中的应用。

2 线路设计

（1）220 kV线路介绍

张家口地区220 kV白龙山变电站至鹿原变电站（白龙山开关站—鹿原变电站），位于张家口坝上地区的北部，线路总长度26.193 km，铁塔69基，本线路工程共分6盘，其中有2盘超过5 km，单盘重量超过5吨的有4盘，超过7吨的有2盘。

本工程是新建线路，将原设计的220 kV线路中的B相线更换为OPPC，原线路设计的OPGW仍然保留，与OPPC在信息通信方面互为备用。

从变电站出线架构至通信机房的导引光缆（非金属材料）采用ADSS光缆，具有耐电痕外护套（AT护套）、层绞式结构并具有阻燃（或不延燃）、防水、防潮、防虫蛀、抗拉、抗压等性能，易敷设于管道中、电缆沟、电缆井和室内。

为了使OPPC与其他两相的弧垂匹配，经计算OPPC的最大使用张力安全系数N=2.5，平均运行张力不大于额定抗拉强度的24.7%。

（2）OPPC光缆选型

OPPC光缆是将三相导线中的一相（或一根）更换为OPPC光缆，使其即满足线路输电的要求，同时满足系统对通信信号的要求。其中，涉及导线间的机械性能与电气性能的配合、光纤部分通信信号的传输、缆线的熔接、光电信号的隔离、绝缘金具的配合使用、与其余通信线路（OPGW、ADSS等）的信号互通等关键技术。

220 kV（白龙山开关站—鹿原变电站）原线路导线设计的是LGJ-400/35，为了做到尽可能地接近另外2根导线的电气特性，在OPPC光缆中用1根相同尺寸的不锈钢管（光纤单元）代替其中1根相同尺寸的铝包钢线，导线单丝采用与相邻导线一样的电工铝线。光缆型号为TOPPC-16B1+8TB1-400/35。

由表1可知，TOPPC和导线在直径、截面积、单位质量、拉断力等方面的机械特性等基本一致，又由于本结构中心加强部分采用的是铝包钢单丝，因为电流的集肤效应，使铝包钢芯加强部分也承载部分电流，从而在同样负载的情况下，本相的电路密度和温升均小于另外两相，从而在保证导线机械性能的同时也使电气特性更接近、更优越。

表1 TOPPC与导线结构参数比较

3 TOPPC测温系统概述

3.1 光纤测温原理（光纤光栅）

1989年，美国联合技术研究中心的G.Meltz等人利用掺锗光纤的紫外光敏特性，用244 nm波长的紫外激光干涉条纹侧面照射纤芯，将任意工作波长的光栅写进了纤芯，形成纤芯内光栅光纤，使光纤光栅的制作技术实现了突破性的进展，光纤光栅灵活地大批量制作成为可能，光纤光栅逐步实现了实用化。

目前，光纤测温主要有两种方法：一种方法是利用拉曼反射；另一种方法是利用光纤刻录特殊的光栅对温度敏感性进行测温，两种方法的工作原理如下介绍。

拉曼反射是指激光器向被测光纤发射光脉冲，该光脉冲通过光纤时由于光纤存在折射率的微观不均匀性以及光纤微观特性的变化，有一部分光会偏离原来的传播向空间散射，在光纤中形成后向散射光和前向散射光。其中，后向散射光向后传播至光纤的始端，经定向耦合器送至光电检测系统。由于每一个向后传播的散射光对应光纤总线上的一个测点，散射光的延时即反应在光纤总线上的位置。后向反射光的强度与光纤中反射点的温度有一定的相关关系，反射点的温度（该点光纤的环境温度）越高，反射光的强度也越大。也就是说，背向反射光的强度可以反映出反射点的温度。

利用这个现象，通过测量出背向反射光的强度和延时，就可以计算出反射点的温度和位置，这就是利用光纤的拉曼反射测量温度的基本原理。

用激光刻录成的光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过特殊的加工方式，使纤芯内形成空间相位光栅，局部形成一个窄带的反射镜面，对特定波长的光形成反射。当光纤的温度发生变化时，光栅的周期会随着光纤的热胀冷缩发生变化，该变化会改变反射波长，通过测量反射光的波长变化，便可测量出光栅所处位置的光纤感应温度。同样，通过测量反射光的延迟，可得知光栅的位置。这就是利用光纤光栅测温的原理。

通过紫外照射的方法，在纤芯内形成一段折射率不同的周期性分布的光栅，光纤光栅如图2所示。

其折射率分布如图3所示。

由于纤芯的折射率不同，会使光纤的频谱响应特性发生变化，其频谱响应如图4所示。

当宽谱输入光源从一端输入光纤时，光纤光栅会对特定波长的光形成明显的反射，根据光耦合原理，反射波长为：λB=2nΛ，其中

光纤光栅传感器测温正是利用了光栅对特定波长的反射原理。当光纤光栅的温度发生变化时，光栅的周期Λ随之发生变化，而Λ的变化带来反射波长λB的变化，通过测量λB的变化，即可得到温度的变化。

例如：一个在25℃时λB=1 535.050 nm的光纤光栅，当温度上升到35℃时，其反射波长将会变为λB=1535.150nm（反射波长每1℃变化0.01 nm）。

当用光纤光栅作为温度传感器时，要求输入光源的光谱有一定的带宽，目前常用的光源带宽为1 520～1 580 nm。Δλ=1 580-1 520=60 nm。按每1℃变化0.01nm计算，因此所对应的温度变化范围为：ΔT=60/0.01=6 000℃

但现实中不会有如此大的测量范围要求，光纤也无法承受如此的高温。

3.2 测量方法的比较与选定

由于两种测量方法的原理不同，对设备的要求也完全不同。

拉曼反射测温方式，由于是利用光纤本身的散射来感应温度变化，而且散射的信号非常弱，要求设备发射光源功率大，接收端灵敏度高。这会使测温设备的成本非常高，且随着测量距离的增加，设备成本成倍增长，设备的稳定性也较差。目前国内比较成熟的技术能够测量4 km的距离。超过4 km后，必须使用进口设备。拉曼反射测温方式的优点是可以使用普通多模光纤（单就多模光纤经济性较普通G.652光纤经济性要差），测温点数没有限制（可达到1 m 1个测温点，也可以理解为连续测量）。

通过光纤刻录成的光栅光纤，测温方式由于是特制有针对性的光纤，反射信号强，因此对设备的发射功率和接收灵敏度要求都低于拉曼反射测温方式，且设备的稳定性好。同时，带来的好处是测量距离远，测量距离可以在100 km以上。其劣势在于必须使用特殊的通过光纤刻录成的光纤光栅，测量的点数有限制。

事实上，我们根据OPPC线路的使用情况分析，不需要测量整条线路的连续温度分布，可以选用每300～500 m一个测量点，或在弧垂最低点加大分布光栅点，因此我们选用光纤光栅的测温方式来监控OPPC线路的温度变化。

3.3 TOPPC测温系统的制造与技术难点

TOPPC测温系统,光缆的制造工艺与普通OPPC制造工艺一致。不同点在于：特殊的经过激光刻录成的光栅光纤，增加了产品的制造难度。其二光纤光栅与普通光纤同时加工成光单元过程中，余长控制的均匀性十分重要。其技术难点主要表现在以下几个方面。

（1）光纤光栅的制作

用激光在光纤的选定位置，刻录出一个狭缝（窗口）即光栅，刻入光栅的工艺复杂，要求仪器精度高，且控制刻录过程需要一定的经验，对光纤涂覆层与剥离后的光栅刻录过程的应力控制尤其重要，恢复光纤光栅原有强度的工艺是制造光纤光栅重要的难点，且专业设备较贵和专业的技术水平要求较高。目前，随着生产工艺的逐步成熟，这一技术将不是问题。激光刻录光栅的方式不产生附加损耗，不会影响测量距离。

（2）光纤光栅不锈钢管单元的制作

由于光纤光栅抗拉强度的修复和弯曲性能的恢复，使得在生产光单元时容易出现断纤的现象。

光纤光栅与普通光纤同时加工成光单元的过程中，余长控制不是单一普通光纤的余长控制，两种光纤的应力变化差要求处理一致，使余长必须保证光缆架设后光纤光栅不会出现受力的情况发生。一旦光纤受力，会影响温度测量的精度，严重时会造成断纤。

（3）TOPPC测温系统的成缆工艺

由于光单元中包含了光纤光栅，这要求在OPPC成缆过程中，光单元的张力非常稳定。一旦光单元放线张力不稳定，会造成光纤的余长发生变化，严重时会导致光纤光栅断纤。

3.4 张家口地区TOPPC测温系统介绍

该TOPPC测温系统的线路在华北电网张家口地区220 kV白鹿线（白龙山开关站—鹿原变电站），TOPPC中光纤设计芯数为24芯，其中测温光纤分为8路，在线监测4路，预留4路，2芯为视频监控使用，全线分设48个测控点对导线进行实时温度监测，温度测试精度为±2℃。整条线路采用中间接头盒5个，终端接头盒2个，按照国际标准并通过OTDR对通信光纤进行双向测试，光纤平均衰减为1 310 nm、0.3445 dB/km、1 550 nm、0.1921 dB/km，测温及通信各项指标均达到设计要求。

3.5 测温系统组成

温度监测系统是由测温TOPPC光缆、光纤光栅网络分析仪、工业监控计算机、系统软件组成。OPPC测温系统如图5所示。

系统将光栅光纤传感器探知的光信号通过网络分析仪转化为电信号，经放大处理之后送入监控计算机，经过系统软件处理后显示各检测点的温度值。监控计算机同时提供界面给用户预先设定各点预警、报警温度，一旦满足触发条件，计算机上将出现报警输出。

另外，如果用户需要，所有的温度数据可实现远程传输。传输到用户总控制室后，有利于用户实现全范围内的有效控制。

3.6 TOPPC在线温度测量的意义

（1）在线测温——提高线路的输电能力

TOPPC作为传输电力的线路，其导线温度直接反映出线路的实际承载状况。我国导线理论设计温度为70℃，运行中实际温度为多少，不同的地区，不同的季节，都有所不同。在智能电网中，对导线的温度测量是提供数字化平台的一部分，通过对导线温度的在线测量可以最终提升到及时调整线路的负荷，使电网输电在安全运行的条件下，效率有更大的提高。

（2）在线测温——预警作用

2008年的冰雪灾害警示了我们，在灾害来临之际，我们还是聋子和瞎子，在线测温使我们走出盲区，我们可以通过平时累计的测温参数，通过网络分析，做出灾害来临前的预警，为避免灾害和将灾害减少到最小。

（4）在线测温——实施融冰的基础

时时测量导线的实际温度，是实现融冰的前提条件，同时也是为了融冰过程中的安全，使融冰顺利进行的可靠保证。