输电线路和光缆多功能故障精确定位及诊断系统研发与应用

谢凯 任鹏亮 李明 吕滨 宋高丽

摘 要：本文提出了一种基于全光纤测试技术的输电线路和光缆多功能故障精确定位及诊断技术，该技术可有效识别、定位线路和光缆舞动、微风振动及外破等主要故障现象，具有功能多样、分布式测量、分辨率高和安装方便的优点。通过国网重点实验室——输电线路线路舞动防治技术实验室的实际应用，验证了该方法的有效性和可行性。

关键词：输电线路;光缆;全光纤测试

中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）19-0144-03

Abstract： This paper proposed a multi-function fault location and diagnosis technology for transmission lines and optical cables based on all-fiber testing technology. This technology can effectively identify and locate major fault phenomena such as line and cable galloping， breeze vibration and external breakage， etc， and has the advantages of versatility， distributed measurement， high resolution and easy installation. The effectiveness and feasibility of the method were verified by the practical application of the State Grid Key Laboratory-Power Transmission Line Galloping Prevention and Controlling Technology Laboratory.

Keywords： transmission line;fiber optic cable;all-fiber testing technology

1 研究背景

研究顯示，近年来线路和光缆故障的原因主要包括外破、舞动等因素[1-3]。2015年，国网公司500kV线路跳闸事件中，外力破坏达330次，占比21.7%;2018年1月，国网公司系统湖北省、安徽省、江西省、湖南省等省份共计577条110kV及以上线路出现覆冰，其中135条110kV及以上线路发生舞动，导致33条线路跳闸或停运。

目前，输电线路和光缆在线监测技术种类较多，包括视频、舞动、覆冰等，并已经在电力系统中取得广泛应用。但这些设备在大规模应用的同时也暴露出一些问题：①功能单一;②覆盖面小（单点测量）;③精度难以保证;④可靠性差。

随着计算机技术、传感器技术的不断发展进步，对线路和光缆的监测技术有了进一步发展。基于拉曼散射的分布式温度传感技术[4，5]、基于瑞利散射的相位敏感光时域反射传感技术[6，7]等全光纤测试技术的出现，改变了通信光缆单一的通信功能，使其进一步具有了测试功能。本文提出了一种基于全光纤测试技术的输电线路和光缆多功能故障精确定位及诊断技术，可有效识别和定位线路与光缆舞动、微风振动及外破等主要故障现象。

2 系统组成

输电线路和光缆多功能故障精确定位及诊断系统主要包括2个部分：一是基于光纤拉曼散射的光纤分布式温度测量系统，用于监测输电线路和光缆温度;二是基于瑞利散射的光纤分布式测振系统，用于监测输电线路和光缆的振动状态。

2.1 基于光纤拉曼散射的光纤分布式温度测量系统

该子系统利用了光纤受激拉曼散射的放大原理、光纤的反斯托克斯拉曼散射波强度受光纤温度调制的原理和光时域反射原理。

其工作流程如下，泵浦光纤激光器经过泵浦-信号光纤波分复用器之后作信号放大处理，通过一个与1×2光纤双向耦合器将信号分成两部分：一部分与传感光纤相连作为传感部分;另一部分与光纤光栅窄带反射滤波器连接，再与高隔离度的斯托克斯散射光和反斯托克斯拉曼散射光的滤波器连接，通过光电雪崩二极管把光信号转换成模拟电信号之后并做放大处理，最后通过比较器对两种电信号作比对，所得信息即为光纤内各个位置处的温度信息。

2.2 基于瑞利散射的光纤分布式测振系统

基于相位敏感型光时域反射技术（Φ-OTDR）的线路和光缆振动状态监测系统，用于监测输电线路和光缆的振动状态，包括舞动、微风振动和外破等。

利用散射光的相干性设计出的相位敏感型光时域反射系统，光纤本身既是传输媒质又是感知元件，光纤上任意一点都是传感单元。当光缆某位置发生振动时，导致该处折射率发生改变，最终导致该处光的相位发生改变。因此，返回的发生干涉的瑞利后向散射光光强因为相位的改变而发生改变，通过与未发生振动检测到的信号进行比较，最终找出光强变化的时间对应振动的确切位置。

2.3 系统技术指标

系统技术指标如下。测试通道：1通道（可扩展）;测试距离：80km;空间分辨率：0.85～50m，分辨率可调;温度分辨率：1℃;测试频率：0.3～300Hz;更新时间：0.1s。

3 在实际中的应用

研制完成的输电线路和光缆多功能故障精确定位及诊断系统经河南省计量科学研究院检定，其温度测量系统的精度小于1℃。为了验证系统的可行性和有效性，该装置应用在国网重点实验室——输电线路舞动防治技术实验室的真型试验线路上。输电线路舞动防治技术实验室是国网重点实验室，建有真型试验线路、在线监测系统及监测站，线路全长3 715m，10基杆塔。

3.1 真型试验线路温度试验

试验中分别使用#3～#9的气象传感器和DTS系统对档距间输电线路进行实时温度测量，进过温度数据对比，验证DTS系统的可靠性。

选取2017年11月1日的温度数据进行对比，将上述试验所得三组数据进行对比，对于同一位置不同时间数据对比结果如图1所示。从图1可以看出，温度随时间变化的总体趋势一致，幅值差别原因是气象传感器与杆塔预留OPGW导线的位置不同以及DTS与气象传感器的标定不一致。

对于同一时间不同位置，利用DTS测量结果如图2所示，各杆塔位置处的导线温度高于其附近位置导线的温度，这是由于每一杆塔上都预留一定长度盘绕成圈分布的OPGW导线，预留OPGW导线受风力影响小于杆塔之间OPGW导线，因此温度较高。

3.2 真型试验线路振动测试

真型试验线路的导线上安装了模拟冰，以便于线路在合适的自然风条件下发生舞动。在不同振动状态下，系统显示如图3至图5所示。

从图3至图5可以看出：微风振动频率集中在5～10Hz;次档距振荡频率集中在2～3Hz;舞动频率集中在0.25～0.5Hz。因此，根据频率信息，很容易区分出线路的故障状态;同时，根据图中的频率强度图谱，可以判断出该故障发生的位置。

4 分析与讨論

相比现在应用的输电线路和光缆在线监测设备，本系统具有如下优点。①功能多样：可同时监测、定位线路与光缆温度、舞动、微风振动及外破等主要故障现象;②分布式测量：一条光纤可以监测整条线路，测试距离可达80km;③分辨率高：空间分辨率最小达0.85m;④安装方便、维护简单：只需要在任何包含光纤的线缆终端（如变电站或通信中继站）接入本系统即可实现监测，不影响线路的正常运行。

虽然系统具有上述优点，但系统仍需要在提升量程、完善模式识别数据库等方面做进一步优化，以更好地满足现场运维的需要。

5 结论

通过在国网重点实验室输电线路舞动防治技术实验室真型输电线路上的现场测试，验证了输电线路和光缆多功能故障精确定位及诊断系统的可行性和有效性。该系统通过实时有效地监测输电线路和光缆的状态，便于有针对性地开展运维工作，能提高电网线路和光缆的安全水平，减少因电网事故带来的损失，具有重要的现实意义和广阔的推广应用前景。

参考文献：

[1]孙珍茂.输电线路舞动分析及防舞技术研究[D].杭州：浙江大学，2010.

[2]邵德军，尹项根，陈庆前，等.2008年冰雪灾害对我国南方地区电网的影响分析[J].电网技术，2009（5）：38-43.

[3]王建.输电线路气象灾害风险分析与预警方法研究[D].重庆：重庆大学，2016.

[4]Lees G P，Leach A P，Hartog A H，et al. 1.64 /spl mu/m pulsed source for a distributed optical fibre Raman temperature sensor[[J]]. Electronics Letters，2002（19）：1809-1810.

[5]张在宣，王剑锋，刘红林，等，远程分布光纤拉曼温度传感器系统光电子激光，2004（10）：1174-1177.

[6]黄尚廉.分布式光纤传感器现状与动向[J].光电工程，2000（3）：57-62.

[7]Ten C W， Tang Y. Electric Power： Distribution Emergency Operation[M]. CRC Press，2018.