CN105119227B - 一种opgw直流融冰系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种OPGW直流融冰系统，包括融冰地线、覆冰测量传感器、覆冰测量主机、融冰测量主机、直流融冰电源、485集线器、交换机、监测终端和光缆接头盒；融冰地线通过光缆接头盒连接融冰测量主机，覆冰测量传感器通过单模光纤连接覆冰测量主机，覆冰测量主机、融冰测量主机和直流融冰电源均连接485集线器，覆冰测量主机和融冰测量主机通过交换机连接监测终端。本发明利用分布式光纤测温技术、在线分析技术实现了长距离线路融冰过程中的温度超限监测问题和线路覆冰的脱冰时期不同情况下的融冰控制问题；利用光纤光栅覆冰测量技术实现了现场无源、抗电磁辐射、监测环境异常恶劣下的输电杆塔的覆冰监测难题，具备较强的实际应用价值。

Description

一种OPGW直流融冰系统

技术领域

本发明涉及一种直流融冰系统，具体涉及一种基于分布式光纤测温与光纤光栅测冰厚的OPGW直流融冰系统。

背景技术

架空输电线路的地线是输电线路中用于避雷使用的。OPGW(OPGW)兼具通信通道和避雷线的功能，十多年来已在高压输电线路中得到了广泛应用。在接地方式上，目前在工程中普通避雷线多采用分段绝缘、一点接地的方式；而OPGW基本采用逐基接地的方式。由于常规情况下地线与铁塔之间并不绝缘的，所以此前的输电导线直流融冰方案无法直接应用在地线覆冰上，直流融冰装置不能直接对架空OPGW地线进行融冰。

架空OPGW地线的融冰非常重要，一旦输电架空地线覆冰厚度超过极限值，将引起倒塔、线路跳闸，OPGW地线断裂造成通讯中断，导致电网崩溃，造成灾难性后果。因此，实施架空地线防冰综合治理项目，对提高输电线路整体防冰能力，保障电网供电可靠性有着十分重要的意义。

典型融冰导线方案有外缠式、内嵌式和全绝缘方式。外缠式是在OPGW地线的外表面以一定节距缠绕绝缘发热导线，利用发热导线的发热融化覆盖在光缆表面的覆冰，从而达到融冰效果；内嵌式是在光缆的内部放置一定数量的发热导线，利用发热导线产生的焦耳热并将热量层层传递出来，不断融化附着在光缆表面的覆冰，直至脱落，从而达到融冰效果；全绝缘式是在传统的OPGW地线的基础上，通过绝缘化改造使地线与杆塔之间实现绝缘，对于地线融冰可以像导线融冰一样通过短路加载电流，实现交流或直流方式的融冰操作。

光纤传感器与以电测量原理为基础的传感器有本质区别，它是一种用光作为敏感信息载体，用光纤作为传递敏感信息媒质的新型传感器。因此，光纤传感器具有很好的电绝缘性、很强的抗电磁干扰能力和较高的灵敏度；可实现不带电的全光型探头；便于与计算机和光纤传输系统相连实现对被测信号的远距离监控。光纤传感器很适合在输电网的高压、强电磁干扰、强腐蚀等恶劣环境下工作，且较其他方法而言更能保障测量数据的精确度及监测系统工作的稳定性。基于光纤传感与光通信技术的输电线路覆冰监测技术国内外已经有相关的研究，光纤光栅是实现光纤输电线缆监测的最早技术，在电信号监测系统基础上完成线路拉力、温度物理量的测量；基于拉曼散射的光纤传感器技术已经比较成熟，但目前只能用于温度的测量；而基于布里渊散射的光纤传感器可以用于温度和应变的同时测量。由于布里渊光纤传感技术具有传感距离长、抗电磁干扰、监测精度高、易于组成监测网络等优点，此可以更好地指导人们掌握线路应力变化，获得导线温度和应力变化规律.为及时采取预防和除冰措施提供科学的依据，最大程度地减小灾害带来的损失。

申请号201410039527.5的发明专利公开了一种OPGW状态监测系统，利用移动无线网络技术实现监测数据回传，利用GIS模块实现监测数据定位的OPGW光缆状态监测系统。没有涉及光纤分布式温度测量方法和利用时域反射技术进行数据定位的技术。申请号为200910175452.2的发明专利公开了一种分布式光纤测温系统，包括单片机控制板、光纤温度场信息采集模块、光电探测器和电路信号后处理模块，可完成对测温光缆的温度监测，没有提到在OPGW光缆上应用来解决融冰过程中的温度超限告警及脱冰进度的控制功能。申请号为201310164034.X的发明专利公开了一种输电线路架空地线和OPGW的直流融冰方法，介绍了架空地线和OPGW光缆实现直流融冰的技术方法，未涉及一种内嵌发热体的OPGW融冰方式和分布式光纤温度监测的技术。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于分布式光纤测温与光纤光栅测冰厚的OPGW直流融冰系统，利用分布式光纤测温技术、在线分析技术实现了长距离线路融冰过程中的温度超限监测问题和线路覆冰的脱冰时期不同情况下的融冰控制问题；利用光纤光栅覆冰测量技术实现了现场无源、抗电磁辐射、监测环境异常恶劣下的输电杆塔的覆冰监测难题，具备较强的实际应用价值。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种OPGW直流融冰系统，所述系统包括融冰地线、覆冰测量传感器、覆冰测量主机、融冰测量主机、直流融冰电源、485集线器、交换机、监测终端和光缆接头盒；所述融冰地线通过光缆接头盒连接融冰测量主机，所述覆冰测量传感器通过单模光纤连接覆冰测量主机，所述覆冰测量主机、融冰测量主机和直流融冰电源均连接485集线器，所述覆冰测量主机和融冰测量主机通过交换机连接监测终端。

所述融冰地线通过光缆接头盒与多模光纤熔接，并连接到融冰测量主机；所述融冰地线通过两根电力电缆连接直流融冰电源的正负极输出端。

所述覆冰测量主机和融冰测量主机分别利用屏蔽双绞线连接到485集线器的两个输出端子上，所述直流融冰电源利用屏蔽双绞线连接到485集线器的输入端子上，构成串口通信网络。

所述覆冰测量主机、融冰测量主机和监测终端均通过五类双绞线连接交换机，构成了以太网通信网络。

所述融冰地线为内嵌式融冰地线；所述内嵌式融冰地线包括从内向外依次排列的最内层、中间层和最外层。

所述最内层包括不锈钢光单元管和发热漆包线，发热漆包线与不锈钢光单元管按照顺时针或逆时针方向绞合，所述不锈钢光单元管中的光纤余长在6～8‰的控制范围内。

所述中间层包括无缝铝管，所述最外层包括铝包钢线，铝包钢线按逆时针方向绞合在无缝铝管的外部。

所述发热漆包线之间、发热漆包线与无缝铝管之间通过聚酰亚胺膜实现绝缘，绝缘等级在10kv电压等级。

通过覆冰测量传感器和覆冰测量主机完成覆冰厚度的测量；所述覆冰测量传感器安装在输电线路杆塔上部，由覆冰测量主机的光源发出的光信号经过单模光纤传送到覆冰测量传感器，所述覆冰测量传感器将经过调制的光信号回传到覆冰测量主机的光纤光栅解调仪中，被光纤光栅解调仪解调为数字信号；当融冰地线结冰时，覆冰测量主机将覆冰测量传感器测量冰体的重量转换为等效覆冰厚度。

通过融冰测量主机、融冰地线、光缆接头盒和测温系统完成融冰温度的测量；由融冰测量主机的光源发出的光信号通过测温光纤进行温度调制，调制后的光信号回传到融冰测量主机的光电探测器后被转换为电信号，电信号经过解析得到融冰温度。

根据融冰地线的位置和长度选取直流融冰电源。

所述系统运行时，直流融冰电源向覆冰测量主机和融冰测量主机分别发起握手通信，融冰地线的覆冰厚度达到启动融冰条件时，覆冰测量主机向直流融冰电源发出启动融冰过程指令；融冰过程中，融冰测量主机与直流融冰电源实时通信，控制融冰温度的高低和融冰电流的大小；融冰完成后，融冰测量主机发出直流融冰电源停止工作的指令，直流融冰电源停止工作，融冰结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)基于分布式光纤测温和光纤光栅测重力的直流融冰系统为光纤复合架空地线的融冰和在线监测、保护难题解决提供了有效的途径；

2)通过内嵌式OPGW融冰地线、分布式光纤测温技术、光纤光栅覆冰测量技术、直流融冰技术等综合应用，利用光缆本体实现光缆覆冰的实时监测、光缆融冰过程的安全保护、光缆融冰结束的智能判断，增强光纤复合架空地线的抗灾减灾效用；

3)利用分布式光纤测温技术、在线分析技术实现了长距离线路融冰过程中的温度超限监测问题和线路覆冰的脱冰时期不同情况下的融冰控制问题；

4)利用光纤光栅覆冰测量技术实现了现场无源、抗电磁辐射、监测环境异常恶劣下的输电杆塔的覆冰监测难题，具备较强的实际应用价值；

5)实现了覆冰监测部分、融冰监测部分、直流融冰电源相互之间的互联，建立起三者之间的信令与数据传输的通道，实时实现覆冰状态监测与融冰系统的自动化动态控制，提高了系统的智能化水平。

附图说明

图1是本发明实施例中OPGW直流融冰系统结构图；

图2是本发明实施例中OPGW直流融冰系统原理图；

图3是本发明实施例中融冰地线结构图；

图4是本发明实施例中融冰地线电流发热融冰原理图；

图5是本发明实施例中悬臂梁测量原理示意图；

图6是本发明实施例中分布式光纤测温部分原理图；

图7是本发明实施例中串口通信网络示意图；

图8是本发明实施例中以太网通信网络示意图；

其中，1-铝包钢线，2-聚酰亚胺膜，3-不锈钢光单元管，4-发热漆包线，5-无缝铝管，6-A组发热漆包线，7-B组发热漆包线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

按照目前监测技术水平和线路工程建设要求，融冰测量主机和覆冰测量主机均安装在变电站的机房内，覆冰测量信号产生后从变电站的主机发出传送到输电线路的各个覆冰监测点，经调制后传回到光栅解调主机解析出覆冰厚度数据；融冰测量光信号同样从变电站的主机发出后，携带着光缆分布的温度信息返回变电站的解调主机，解析后获取光缆的温度数据。经过后台的监控软件进行数据分析，掌握光缆的覆冰厚度，光缆的温度状态，控制融冰装置的启动/停止、增加融冰电流和降低融冰电流值等。

基于分布式光纤测温和光纤光栅测重力的OPGW直流融冰系统(如图1和图2)包括融冰地线、覆冰测量传感器、覆冰测量主机、融冰测量主机、直流融冰电源、485集线器、交换机、监测终端和光缆接头盒；所述融冰地线通过光缆接头盒连接融冰测量主机，所述覆冰测量传感器通过单模光纤连接覆冰测量主机，所述覆冰测量主机、融冰测量主机和直流融冰电源均连接485集线器，所述覆冰测量主机和融冰测量主机通过交换机连接监测终端。

所述融冰地线通过光缆接头盒与多模光纤熔接，并连接到融冰测量主机；所述融冰地线通过两根电力电缆连接直流融冰电源的正负极输出端。

所述覆冰测量主机和融冰测量主机分别利用屏蔽双绞线连接到485集线器的两个输出端子上，所述直流融冰电源利用屏蔽双绞线连接到485集线器的输入端子上，构成串口通信网络(如图7)。

所述覆冰测量主机、融冰测量主机和监测终端均通过五类双绞线连接交换机，构成了以太网通信网络(如图8)。

如图3，所述融冰地线为内嵌式融冰地线；所述内嵌式融冰地线包括从内向外依次排列的最内层、中间层和最外层。

所述最内层包括不锈钢光单元管3和发热漆包线4，发热漆包线4与不锈钢光单元管3按照顺时针或逆时针方向绞合，所述不锈钢光单元管3中的光纤余长在6～8‰的控制范围内。

所述中间层包括无缝铝管5，所述最外层包括铝包钢线1，铝包钢线1按逆时针方向绞合在无缝铝管5的外部。

所述发热漆包线4之间、发热漆包线4与无缝铝管5之间通过聚酰亚胺膜2实现绝缘，绝缘等级在10kv电压等级。

融冰地线结构成分说明如表1：

表1

直流短路焦耳热融冰方案具体的线路接法是：(如图4)把六根发热漆包线分成两组A与B，在OPGW光缆的末端把A组发热漆包线6与B组发热漆包线7直接连接起来，在OPGW光缆的起始端把A组发热漆包线6与B组发热漆包线7分别与融冰直流电源正负级连接起来，从而构成利用短路电流产生焦耳热进行地线融冰的回路。如果融冰线路比较长，在线路中间利用光缆接头盒依次把多个张力段的漆包线连接起来，实现长距离线路的融冰。

内嵌式融冰地线单位规格的焦耳热热量Q表示为：Q＝I²Rt；其中I为融冰地线加载的融冰直流电流；R为单位长度OPGW导体直流电阻，t为融冰时间。

如图5，覆冰厚度测量是采用光纤光栅传感技术实现的，通过覆冰测量传感器和覆冰测量主机完成覆冰厚度的测量；所述覆冰测量传感器安装在输电线路杆塔上部，由覆冰测量主机的光源发出的光信号经过单模光纤传送到覆冰测量传感器，所述覆冰测量传感器将经过调制的光信号回传到覆冰测量主机的光纤光栅解调仪中，被光纤光栅解调仪解调为数字信号；当融冰地线结冰时，覆冰测量主机将覆冰测量传感器测量冰体的重量转换为等效覆冰厚度。

如图6，融冰温度测量采用反射式原理的分布式全光传感技术来实现，通过融冰测量主机、融冰地线、光缆接头盒和测温系统完成融冰温度的测量；由融冰测量主机的光源发出的光信号通过测温光纤进行温度调制，调制后的光信号回传到融冰测量主机的光电探测器后被转换为电信号，电信号经过解析得到融冰温度。通过融冰监测温度数据，掌握融冰地线上的分布式温度，分析融冰地线上覆冰区域与非覆冰区域的温度特性差异，掌握融冰地线上的覆冰状态。融冰温度监测部分完成两个功能：

一是融冰过程超温监控。影响OPGW光缆性能的是光纤涂覆材料和纤膏，目前，使用涂覆材料多数是丙烯酸树脂，使用温度一般是-60℃～+80℃，纤膏采用全合成触变性化合物，可承受150℃的短期温度。因此OPGW光缆要求融冰温度控制在80℃以下的范围内。

二是融冰过程脱冰进度控制。融冰时间控制是较难的部分，1)由于线路环境比较复杂，温度和风影响是瞬息万变的，同时位置影响也非常大，按照固定状况进行判断是不合理的；2)导线上覆上的冰体厚薄不一，在融冰过程中线路脱冰时间不一，按照评估的融冰时间存在融冰死角；若线路覆冰已经融完，继续加电将浪费能源。在融冰温度监测部分，增加了通过分析OPGW地线上覆冰区域与非覆冰区域的温度特性差异，间接了解融冰地线的融冰进展，为融冰过程控制提供有效手段。

根据融冰地线的位置和长度选取直流融冰电源。直流融冰电源采用采用从系统电源整流或发电车电源整流获取。

1)发电车电源整流；

采用发电车电源整流的发电机主要为大功率柴油发电机组，对发电机组主接线改造后，通过旁路接到整流器，对覆冰线路实施融冰作业。在严重冰灾时，很难从系统获得电源，发电车移动灵活，可发挥重要的作用。

2)系统电源整流；

从电力系统取电时，35kV和10kV直接作为阀侧电压时经整流变压器，再经整流器变成直流电，对覆冰线路实施融冰。对接在500kV主变压器35kV侧的直流融冰装置，鉴于500kV主变压器的重要性，推荐采用带整流变压器接入。

所述系统运行时，直流融冰电源向覆冰测量主机和融冰测量主机分别发起握手通信，融冰地线的覆冰厚度达到启动融冰条件时，覆冰测量主机向直流融冰电源发出启动融冰过程指令；融冰过程中，融冰测量主机与直流融冰电源实时通信，控制融冰温度的高低和融冰电流的大小；融冰完成后，融冰测量主机发出直流融冰电源停止工作的指令，直流融冰电源停止工作，融冰结束。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种OPGW直流融冰系统，其特征在于：所述系统包括融冰地线、覆冰测量传感器、覆冰测量主机、融冰测量主机、直流融冰电源、485集线器、交换机、监测终端和光缆接头盒；所述融冰地线通过光缆接头盒连接融冰测量主机，所述覆冰测量传感器通过单模光纤连接覆冰测量主机，所述覆冰测量主机、融冰测量主机和直流融冰电源均连接485集线器，所述覆冰测量主机和融冰测量主机通过交换机连接监测终端；

所述融冰地线通过光缆接头盒与多模光纤熔接，并连接到融冰测量主机；所述融冰地线通过两根电力电缆连接直流融冰电源的正负极输出端；

所述覆冰测量主机和融冰测量主机分别利用屏蔽双绞线连接到485集线器的两个输出端子上，所述直流融冰电源利用屏蔽双绞线连接到485集线器的输入端子上，构成串口通信网络；

所述覆冰测量主机、融冰测量主机和监测终端均通过五类双绞线连接交换机，构成了以太网通信网络；

所述融冰地线为内嵌式融冰地线；所述内嵌式融冰地线包括从内向外依次排列的最内层、中间层和最外层；

所述最内层包括不锈钢光单元管和发热漆包线，发热漆包线与不锈钢光单元管按照顺时针或逆时针方向绞合，所述不锈钢光单元管中的光纤余长在6～8‰的控制范围内；

所述中间层包括无缝铝管，所述最外层包括铝包钢线，铝包钢线按逆时针方向绞合在无缝铝管的外部；

所述发热漆包线之间、发热漆包线与无缝铝管之间通过聚酰亚胺膜实现绝缘，绝缘等级在10kv电压等级；

通过覆冰测量传感器和覆冰测量主机完成覆冰厚度的测量；所述覆冰测量传感器安装在输电线路杆塔上部，由覆冰测量主机的光源发出的光信号经过单模光纤传送到覆冰测量传感器，所述覆冰测量传感器将经过调制的光信号回传到覆冰测量主机的光纤光栅解调仪中，被光纤光栅解调仪解调为数字信号；当融冰地线结冰时，覆冰测量主机将覆冰测量传感器测量冰体的重量转换为等效覆冰厚度；

通过融冰测量主机、融冰地线、光缆接头盒和测温系统完成融冰温度的测量；由融冰测量主机的光源发出的光信号通过测温光纤进行温度调制，调制后的光信号回传到融冰测量主机的光电探测器后被转换为电信号，电信号经过解析得到融冰温度；

根据融冰地线的位置和长度选取直流融冰电源；

所述系统运行时，直流融冰电源向覆冰测量主机和融冰测量主机分别发起握手通信，融冰地线的覆冰厚度达到启动融冰条件时，覆冰测量主机向直流融冰电源发出启动融冰过程指令；融冰过程中，融冰测量主机与直流融冰电源实时通信，控制融冰温度的高低和融冰电流的大小；融冰完成后，融冰测量主机发出直流融冰电源停止工作的指令，直流融冰电源停止工作，融冰结束。