基于分布式温度应力监测的光纤复合架空相线结构

常恩山，张 彤

(榆林职业技术学院， 陕西 榆林 719000)

光纤复合架空相线是电力通信系统的特种光缆，即在既有相线结构中复合光线单元于导线内的光缆，此光缆可通过电力系统线路资源，有效防止频率资源、路由协调、电磁兼容等与外界的冲突，以促使其兼具电能传输与通信功能，因此得以在电网输电线路中倍受青睐[1]。传统光纤复合架空相线结构内部的光纤通常均为单模光纤，只应用于光纤通信，为确保良好光传输性能，明确指出相线结构内部光纤最大程度上避免受到外界温度与应力应变的影响。但是，当前具备测温功能的光纤复合架空相线结构，虽然可以实时监测导线温度，却受制于相线结构内部光纤存有余长，导致既有相线受力偏小时，内部光纤太过松弛，难以实时监测相线结构的分布式应力应变[2]。据此，本文提出了基于分布式温度应力监测的光纤复合架空相线结构。

1 基于分布式温度应力监测的光纤复合架空相线结构设计

基于分布式温度应力监测的光纤复合架空相线结构截面[3]具体如图1所示。

光纤复合架空相线结构主要包含第一光单元、第二光单元，以及沿相线径向从内向外依次设置了中心层与绞合层。第一光单元安设于光纤复合架空相线结构中心层，内置至少一根零余长紧套光纤，负责测量架空光缆应力应变；第二光单元安设于光纤复合架空相线结构绞合层，内置至少一根0.5%～0.8%余长松套光纤，负责测量架空光缆温度。

图1 光纤复合架空相线结构截面图

第一光单元包含负责放置紧套光纤的不锈钢管；第二光单元则包含负责放置松套光纤的不锈钢管,二者内部都分别填充了油膏。光纤复合架空相线结构还包含铝包钢线与铝线，且安设于绞合层；铝包钢线由多根铝包钢线构成，铝线则由多根铝线构成。

基于分布式温度应力监测的光纤复合架空相线结构，在绞合层设置了余长比较大，负责测量温度的松套光纤；在中心层设置了零余长，负责测量应力应变的紧套光纤，以此可实时监测相线结构的全过程温度与应力应变，且实现电力传输、光纤通信、状态监测三项功能，从而提升电力传输监测整体水平，保障电力输送安全性与可靠性[4]。

2 光纤复合架空相线结构温度应力监测流程设计

光纤复合架空相线结构温度应力监测流程[5]具体如图2所示。

图2 光纤复合架空相线温度应力监测流程

分布式光纤温度应力监测主机基于光纤连接跳线与光纤连接盒相互对接，而光纤连接盒基于光纤复合架空相线与分布式光纤温度应力监测主机相互衔接，其可实时在线监控架空相线长距离运行温度与分布应力。分布式温度应力监测主机原理[6]具体如图3所示。

图3 分布式温度应力监测主机原理示意图

3 监测结果分析

以A供电公司为载体，在110 kV输电线路中引进基于分布式温度应力监测的光纤复合架空相线结构，以连续分布式测量相线结构的全过程温度与应变。将线路A相导线更换为所设计的光纤复合架空相线结构，线路长度约15 km，最大档距约570 m。光纤复合架空相线光缆于变电站的两侧端杆塔位置改造为利用全介质自承式光缆，然后引入变电站中。布里渊光纤传感器则安装在线路起始端变电站通信机房中，其具备本地显示与存储功能，可供现场运维人员使用[7]。布里渊光纤传感器测量数据可基于内网传送于监测中心，以此为线路监控、运维、故障处理提供有力的数据依据。

3.1 光纤复合架空相线结构温度监测结果分析

光纤复合架空相线结构通过通电试运行，其通电前后的温度分布[8]具体如图4所示。

由图4可知，在光纤复合架空相线结构无负载电流时，温度相对偏低，且分布不均匀，这主要是由于周围环境温度、地理环境、风速风向所造成的；而在光纤复合架空相线结构添加负载电流时，全过程温度综合升高大约15～20 ℃，且分布更不均匀，即使忽视突变尖峰，通电之后相线结构温度分布依旧存在大约10 ℃起伏，这主要是由于光纤复合架空相线结构通电之后，温度分布所承受的风速风向影响更大。在此基础上，深入分析光纤复合架空相线结构温度分布曲线的温度突变点位置相关信息及设计资料得知，光纤温度突变点数量与杆塔数量相同；温度突变点尖峰发生于耐张线夹位置，主要是受耐张线夹涡流、接触电阻影响，需加强重视；温度突变点谷峰出现于光纤接续盒或者悬垂线夹位置，光纤接续盒中的盘纤与导线相分离，所以温度偏低，但是悬垂线夹位置由于添加了光纤复合架空相线结构的线径，使得散热性能良好，温度有所下降。

图4 光纤复合架空相线结构通电前后的温度分布曲线

由图4中数据可知，布里渊光纤传感器可真实反映光纤复合架空相线结构全过程温度分布形态，以此为输电线路动态化增容奠定坚实基础，还可全面实时监测温度过热位置。

3.2 光纤复合架空相线结构应力监测结果分析

中心层紧紧包裹光纤的设计余长相对于第一层裸光纤较小，所以通过布里渊光纤传感器测量所得二者频移变化量，可计算得出光纤复合架空相线结构分布式应变值。光纤复合架空相线结构通过通电试运行，其通电前后的应力应变分布[9]具体如图5所示。

图5 光纤复合架空相线通电前后的应变分布曲线

由图5(a)可知，光纤复合架空相线结构在无负载电流时，出现了5处应变异常位置，其他位置并未发生明显应变，这主要是由于生产工艺与安装要求的局限性，导致中心层紧紧包裹光纤的设计余长依旧不能达到零余长；光纤复合架空相线结构在添加负载电流时，应变分布状况变得更加复杂，出现了更多新的应变异常位置，然而通电前所存在的2处应变异常位置恢复了正常状态，应变异常位置的新增加与恢复，与光纤复合架空相线结构通电之后温度升高所造成的线缆受热膨胀息息相关。由图5中数据可知，布里渊光纤传感器可全过程在线监测光纤复合架空相线结构的应力应变状态。

4 结 论

综上所述，本文提出了基于分布式温度应力监测的光纤复合架空相线结构，可对相线结构所有位置的温度与应力监测，具备电力传输、光纤通信、状态检测三项主要功能，可保障电力输送安全性与稳定性。通过现场应用测量结果表明，在光纤复合架空相线结构无负载电流时，温度相对偏低，且分布不均匀；而在添加负载电流时，全过程温度综合升高大约15～20 ℃，且分布更不均匀，即使忽视突变尖峰，通电之后相线结构温度分布依旧存在大约10 ℃起伏；布里渊光纤传感器可真实反映光纤复合架空相线结构全过程温度分布形态，以此为输电线路动态化增容奠定坚实基础，还可全面实时监测温度过热位置；光纤复合架空相线结构在无负载电流时，出现了5处应变异常位置，其他位置并未发生明显应变；在添加负载电流时，应变分布状况变得更加复杂，出现了更多新的应变异常位置，然而通电前所存在的2处应变异常位置恢复了正常状态；布里渊光纤传感器可全过程在线监测光纤复合架空相线结构的应力应变状态。