OPGW直流融冰过程对通信光纤的影响

龙波，喻圆祥

（云南电网有限责任公司昭通供电局，云南 昭通 657000）

0 前言

极端凝冻灾害的频发，为了避免OPGW光缆断线等严重事故，OPGW融冰是必然。近年来，南方电网将直流融冰技术应用于架空地线和OPGW，并进行系统性的研究，成功解决地线和OPGW无法融冰的技术问题，也为覆冰地区通信OPGW光缆的可靠运行提供了新的技术手段。但在地线融冰的应用中出现了融冰线路OPGW光缆纤芯由于温度过高被损坏故障，导致通信通道中断，严重影响继保、安稳等生产实时控制业务的安全运行。为了确保OPGW光缆的融冰安全，近年来相关单位开展了较多研究[1-3]，除开展允许的最高融冰电流、最高温升、最长融冰时间等基础性研究以外，在融冰过程状态监测的研究主要包括以下两个方向。第一，OPGW光缆相关研究[1]。融冰过程不仅会使OPGW光缆温度升高，可能超过OPGW光缆允许温升，另一方面，OPGW光缆覆冰脱落时会使缆线产生振动，振动会增大光缆的受力，可能超过OPGW光缆的允许张力范围，由此，相关研究机构开展过融冰过程OPGW温度、应力相关研究，确保OPGW光缆融冰过程的安全。第二，OPGW光缆内部光纤相关的研究[2]。融冰过程的高温及脱冰时的振动同样会影响内部光纤，也有研究单位开展过融冰过程的光纤温度及应力监测[3]。还包括融冰高温对光纤衰减、光纤涂覆层、光纤膏的影响等基础性研究[4]。无论是OPGW光缆因覆冰发生的温度、应力变化；内部光纤发生的温度、应力变化；还是光纤高温对涂覆层及油膏的影响。最终对通信影响与否的判断标准依然是光纤衰耗。本文将展示分析融冰通流过程光纤测试信号，探讨OPGW直流融冰过程对通信光纤的影响。

1 OPGW直流融冰过程对通信光纤产生的影响

1.1 温度造成的影响

OPGW光缆具有接地、通信双重功能。在通信功能应用中，需要满足通信运行条件，要求使用温度要控制在零下40℃~零上70℃之间。根据实践表明，通信光纤长期在85℃的环境中运行，平均使用寿命为20年。所以，温度使用环境对光纤使用寿命起到了决定性的作用[5]。

目前已有融冰温度研究指出，如果融冰时对OPGW的表面温度控制按照载流公式计算，实际的OPGW内部的光纤温度要高于表面温度，而且这个差值随着OPGW表面温度升高而增大。最终会出现的问题是：虽然OPGW表面温度满足线路设计最高要求，但内部光纤环境温度可能已远远超过其安全使用温度。OPGW如果长期经受高温环境会导致光纤涂覆层加速老化，降低其对外力影响的缓存作用，影响光纤的长期寿命及光纤衰减[4]。

1.2 张力作用造成的影响

OPGW覆冰后，弧垂会随覆冰厚度增加而增大，可能造成与导线距离过近引发接地事故，有时可能低于导线垂度，甚至发生断线事故。OPGW在进行结构余长、光纤余长设计时充分考虑了线路覆冰情况[6]，理论上讲，只要OPGW不断线，内部光纤不会因为覆冰而产生额外张力。但融冰过程就更为复杂，融冰时，OPGW光缆上覆冰会快速融化，但档距内各位置覆冰融化程度可能不一样，不均匀脱冰可能会使光缆产生不规律震动，不规律震动可能会使内部光纤产生张力变化，从而影响光纤传输。OPGW弧垂就比导线更低。是因为OPGW直径更小，在同样覆冰环境拉升会更长。

2 OPGW直流融冰过程光纤参数分析

2.1 电力通信测量

光纤是电力通信通道中重要的载体，肩负着生产运营过程中的电力通信的重要任务。在OPGW融冰过程中光纤参数监控、测量则是非常重要的工作内容，落实融冰过程光纤测量，对于确保电力通信通道的安全性与可靠性具有重要意义。目前，南方电网各局对于OPGW融冰过程光纤参数测量已有明确要求，要求每15 min测量一组数据，并同时测量光缆表面温度，形成测量记录表，以及形成分析报告。

2.2 数据分析

对某500 kV变电站融冰装置对某220 kV线路进行了直流融冰。本次融冰最大通流值：150 A。本次融冰线路全线实测最高温度：7℃（未达到200 A）。

在融冰前、融冰过程中、融冰后分别对第13号纤芯进行了信号测试，图1、图2、图3分别是融冰前、融冰过程中、融冰后的测试曲线。

图1 融冰前光纤测试信号

图2 融冰过程光纤测试信号

图3 融冰后光纤测试信号

融冰前线路总衰耗为13.041 dB，融冰过程总衰耗为15.25 dB，融冰后线路总衰耗为13.929 dB。OPGW光缆光衰耗变化正常，融冰过程总损耗有所增加，但融冰后总损耗回归正常，未发现其他异常。

融冰前、中、后事件点损耗统计表如表1所示。融冰前、中、后事件点损耗对比分析如图4所示。融冰前线路事件点一共9个，融冰中和融冰后事件点均为13个，但事件点位置分布略有差异，如表1所示。其中全线路有6个事件点位置一致，其衰耗如表2所示。其中4个事件点在融冰过程中衰耗最高，融冰过程事件点衰耗最高占比66.7%。

表1 融冰前、中、后事件点损耗统计

图4 融冰前、中、后事件点衰耗对比分析

表2 全线路位置一致事件点衰耗统计

通过数据截图可以看到融冰前后整体衰耗虽然没有太大变化，但融冰过程衰耗还是有明显增加，并且融冰后事件点数量也有所增加。虽然短时间内对通信传输没有影响，但多年融冰累计影响也不容忽视，但目前缺乏更多的数据支撑说明融冰过程对通信光纤的影响。需要进一步收集更多数据开展研究。

3 OPGW直流融冰过程监测方案

3.1 系统结构

OTDR作为光纤参数测量仪器，能够在融冰时测量光纤基本参数，但开展OPGW直流融冰过程对通信光纤的影响需要更多的数据支撑，以及更高效智能的手段。在OTDR的基础上，结合COTDR系统优势，可实现线路杆塔定位及高效智能的光纤测量。本文介绍的技术方案最终可实现在办公室远程监控融冰通流过程的光纤状态。系统的总体架构分为3层。最底层是变电站数据采集终端，完成融冰通流过程的测试功能，测试硬件具备1~36条纤芯数量可调的测试方式。中间层是后台服务器层，包括数据库、后台控制程序。后台服务器完成数据的管理、测试控制、告警分析、数据管理、消息分发、资源和告警的同步。评估系统的最上层是客户端，用户通过客户端连接到评估系统服务器，完成界面表现和实现系统的各项操作功能。客户端并不支持操作远端数据采集终端，而通过后台分配执行，避免多客户端同时操作引起硬件资源冲突。这种基于客户端和服务器的方案使用简单，控制有效，并便于系统升级。系统示意图如图5所示[7]。

图5 系统示意图

通过非相干和相干激光源发出探测光信号，探测光信号经环形器传入监测光纤，散射回来的光纤信号经偏振器把数据发送至数据转换器，数据转换器把数据传输给计算机进行处理，计算机对数据进行处理、存储、展示，通过内部网络，用户可访问实时数据。智能系统可采集光缆中多芯光纤参数，更易于综合分析论证。

3.2 系统功能特点设计说明

1）对光缆融冰通流的全程全网监控：利用OTDR进行光纤融冰测试时，每根测试光纤都需要人手工接入，并每15 min测试一次，不能全面掌握融冰全过程光纤状态，并且每次需要安排技术人员到变电站蹲守测试。本融冰监测、评估系统利用网络和多路复用技术，可以将用户遍布各变电站的光缆都纳入到监控系统中，用户足不出户就可对全网融冰光缆进行测试。

2）自动测试和分析：融冰通流系统对接入监控范围的光缆不仅能在融冰通流过程实现高频率数据监测，还能定期进行自动测试，采集测试结果并自动进行分析比较，将维护人员从大量的手工测试工作中解放出来。同时系统能提供高频度的自动测试，有利于加强重点保障线路的维护，其测试的效果是人工无法达到的。

3）专业化的分析：系统数据库能够比 OTDR存储更多的测试数据，并提供比OTDR更灵活和强大的分析界面，辅助用户进行性能分析。同时系统内部集成了专家分析数据库和一些成熟的性能判断指标，即使不是经验丰富的维护人员也能借助系统进行性能分析。系统根据分析结果的异常可自动出光缆中断和性能劣化的实时告警，提醒用户及时处理故障。

4）测试和资源的紧密结合：用户的资源是由光缆、光缆段、管道段、地标、熔接和连接点构成。而光缆的测试结果是以测试曲线，曲线上的反射点和非反射点来反映，除了少数一线的维护人员，一般用户尤其是主管领导很难将具体的光缆段、地标和测试结果的信息对应。光缆监控系统通过结合光缆资源和测试信息，能让用户很清楚地了解到光缆网络当前的性能状况。

5）故障杆塔定位让故障定位更准确：传统OTDR故障定位的是故障点距离变电站的光纤距离，而本系统给出的定位是具体线路杆塔，方便抢修人员快速到达故障点。

4 结束语

通过上面的研究可以明确，OPGW直流融冰过程对通信光纤产生的影响进行研究是非常必要的。通过实际线路试验发现融冰过程光纤衰耗有所变化。但目前研究仅仅局限于短时间、少量试验数据的研究，对于每年都需要进行多次融冰操作的线路，经过多次融冰高温、融冰振动积少成多的影响，不可忽视。通过本文的方案建立监测系统收集更多实际融冰过程数据，以便进一步分析直流融冰对通信光纤的影响。