常恩山，張 彤

(榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 榆林 719000)

光纖復(fù)合架空相線是電力通信系統(tǒng)的特種光纜，即在既有相線結(jié)構(gòu)中復(fù)合光線單元于導(dǎo)線內(nèi)的光纜，此光纜可通過電力系統(tǒng)線路資源，有效防止頻率資源、路由協(xié)調(diào)、電磁兼容等與外界的沖突，以促使其兼具電能傳輸與通信功能，因此得以在電網(wǎng)輸電線路中倍受青睞[1]。傳統(tǒng)光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)內(nèi)部的光纖通常均為單模光纖，只應(yīng)用于光纖通信，為確保良好光傳輸性能，明確指出相線結(jié)構(gòu)內(nèi)部光纖最大程度上避免受到外界溫度與應(yīng)力應(yīng)變的影響。但是，當(dāng)前具備測溫功能的光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)，雖然可以實時監(jiān)測導(dǎo)線溫度，卻受制于相線結(jié)構(gòu)內(nèi)部光纖存有余長，導(dǎo)致既有相線受力偏小時，內(nèi)部光纖太過松弛，難以實時監(jiān)測相線結(jié)構(gòu)的分布式應(yīng)力應(yīng)變[2]。據(jù)此，本文提出了基于分布式溫度應(yīng)力監(jiān)測的光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)。

1 基于分布式溫度應(yīng)力監(jiān)測的光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于分布式溫度應(yīng)力監(jiān)測的光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)截面[3]具體如圖1所示。

光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)主要包含第一光單元、第二光單元，以及沿相線徑向從內(nèi)向外依次設(shè)置了中心層與絞合層。第一光單元安設(shè)于光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)中心層，內(nèi)置至少一根零余長緊套光纖，負(fù)責(zé)測量架空光纜應(yīng)力應(yīng)變；第二光單元安設(shè)于光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)絞合層，內(nèi)置至少一根0.5%～0.8%余長松套光纖，負(fù)責(zé)測量架空光纜溫度。

圖1 光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)截面圖

第一光單元包含負(fù)責(zé)放置緊套光纖的不銹鋼管；第二光單元則包含負(fù)責(zé)放置松套光纖的不銹鋼管,二者內(nèi)部都分別填充了油膏。光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)還包含鋁包鋼線與鋁線，且安設(shè)于絞合層；鋁包鋼線由多根鋁包鋼線構(gòu)成，鋁線則由多根鋁線構(gòu)成。

基于分布式溫度應(yīng)力監(jiān)測的光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)，在絞合層設(shè)置了余長比較大，負(fù)責(zé)測量溫度的松套光纖；在中心層設(shè)置了零余長，負(fù)責(zé)測量應(yīng)力應(yīng)變的緊套光纖，以此可實時監(jiān)測相線結(jié)構(gòu)的全過程溫度與應(yīng)力應(yīng)變，且實現(xiàn)電力傳輸、光纖通信、狀態(tài)監(jiān)測三項功能，從而提升電力傳輸監(jiān)測整體水平，保障電力輸送安全性與可靠性[4]。

2 光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力監(jiān)測流程設(shè)計

光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力監(jiān)測流程[5]具體如圖2所示。

圖2 光纖復(fù)合架空相線溫度應(yīng)力監(jiān)測流程

分布式光纖溫度應(yīng)力監(jiān)測主機基于光纖連接跳線與光纖連接盒相互對接，而光纖連接盒基于光纖復(fù)合架空相線與分布式光纖溫度應(yīng)力監(jiān)測主機相互銜接，其可實時在線監(jiān)控架空相線長距離運行溫度與分布應(yīng)力。分布式溫度應(yīng)力監(jiān)測主機原理[6]具體如圖3所示。

圖3 分布式溫度應(yīng)力監(jiān)測主機原理示意圖

3 監(jiān)測結(jié)果分析

以A供電公司為載體，在110 kV輸電線路中引進基于分布式溫度應(yīng)力監(jiān)測的光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)，以連續(xù)分布式測量相線結(jié)構(gòu)的全過程溫度與應(yīng)變。將線路A相導(dǎo)線更換為所設(shè)計的光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)，線路長度約15 km，最大檔距約570 m。光纖復(fù)合架空相線光纜于變電站的兩側(cè)端桿塔位置改造為利用全介質(zhì)自承式光纜，然后引入變電站中。布里淵光纖傳感器則安裝在線路起始端變電站通信機房中，其具備本地顯示與存儲功能，可供現(xiàn)場運維人員使用[7]。布里淵光纖傳感器測量數(shù)據(jù)可基于內(nèi)網(wǎng)傳送于監(jiān)測中心，以此為線路監(jiān)控、運維、故障處理提供有力的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3.1 光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測結(jié)果分析

光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)通過通電試運行，其通電前后的溫度分布[8]具體如圖4所示。

由圖4可知，在光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)無負(fù)載電流時，溫度相對偏低，且分布不均勻，這主要是由于周圍環(huán)境溫度、地理環(huán)境、風(fēng)速風(fēng)向所造成的；而在光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)添加負(fù)載電流時，全過程溫度綜合升高大約15～20 ℃，且分布更不均勻，即使忽視突變尖峰，通電之后相線結(jié)構(gòu)溫度分布依舊存在大約10 ℃起伏，這主要是由于光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)通電之后，溫度分布所承受的風(fēng)速風(fēng)向影響更大。在此基礎(chǔ)上，深入分析光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)溫度分布曲線的溫度突變點位置相關(guān)信息及設(shè)計資料得知，光纖溫度突變點數(shù)量與桿塔數(shù)量相同；溫度突變點尖峰發(fā)生于耐張線夾位置，主要是受耐張線夾渦流、接觸電阻影響，需加強重視；溫度突變點谷峰出現(xiàn)于光纖接續(xù)盒或者懸垂線夾位置，光纖接續(xù)盒中的盤纖與導(dǎo)線相分離，所以溫度偏低，但是懸垂線夾位置由于添加了光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)的線徑，使得散熱性能良好，溫度有所下降。

圖4 光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)通電前后的溫度分布曲線

由圖4中數(shù)據(jù)可知，布里淵光纖傳感器可真實反映光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)全過程溫度分布形態(tài)，以此為輸電線路動態(tài)化增容奠定堅實基礎(chǔ)，還可全面實時監(jiān)測溫度過熱位置。

3.2 光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析

中心層緊緊包裹光纖的設(shè)計余長相對于第一層裸光纖較小，所以通過布里淵光纖傳感器測量所得二者頻移變化量，可計算得出光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)分布式應(yīng)變值。光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)通過通電試運行，其通電前后的應(yīng)力應(yīng)變分布[9]具體如圖5所示。

圖5 光纖復(fù)合架空相線通電前后的應(yīng)變分布曲線

由圖5(a)可知，光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)在無負(fù)載電流時，出現(xiàn)了5處應(yīng)變異常位置，其他位置并未發(fā)生明顯應(yīng)變，這主要是由于生產(chǎn)工藝與安裝要求的局限性，導(dǎo)致中心層緊緊包裹光纖的設(shè)計余長依舊不能達(dá)到零余長；光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)在添加負(fù)載電流時，應(yīng)變分布狀況變得更加復(fù)雜，出現(xiàn)了更多新的應(yīng)變異常位置，然而通電前所存在的2處應(yīng)變異常位置恢復(fù)了正常狀態(tài)，應(yīng)變異常位置的新增加與恢復(fù)，與光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)通電之后溫度升高所造成的線纜受熱膨脹息息相關(guān)。由圖5中數(shù)據(jù)可知，布里淵光纖傳感器可全過程在線監(jiān)測光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。

4 結(jié) 論

綜上所述，本文提出了基于分布式溫度應(yīng)力監(jiān)測的光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)，可對相線結(jié)構(gòu)所有位置的溫度與應(yīng)力監(jiān)測，具備電力傳輸、光纖通信、狀態(tài)檢測三項主要功能，可保障電力輸送安全性與穩(wěn)定性。通過現(xiàn)場應(yīng)用測量結(jié)果表明，在光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)無負(fù)載電流時，溫度相對偏低，且分布不均勻；而在添加負(fù)載電流時，全過程溫度綜合升高大約15～20 ℃，且分布更不均勻，即使忽視突變尖峰，通電之后相線結(jié)構(gòu)溫度分布依舊存在大約10 ℃起伏；布里淵光纖傳感器可真實反映光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)全過程溫度分布形態(tài)，以此為輸電線路動態(tài)化增容奠定堅實基礎(chǔ)，還可全面實時監(jiān)測溫度過熱位置；光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)在無負(fù)載電流時，出現(xiàn)了5處應(yīng)變異常位置，其他位置并未發(fā)生明顯應(yīng)變；在添加負(fù)載電流時，應(yīng)變分布狀況變得更加復(fù)雜，出現(xiàn)了更多新的應(yīng)變異常位置，然而通電前所存在的2處應(yīng)變異常位置恢復(fù)了正常狀態(tài)；布里淵光纖傳感器可全過程在線監(jiān)測光纖復(fù)合架空相線結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。