分布式光纤测温技术在普侨直流接地极中的研究与应用

王飞，禹晋云，吕涛，陶雄俊

(超高压输电公司昆明局,云南 昆明 650217)

0 引 言

直流输电接地极是特高压直流输电系统的重要组成部分，在投产初期、计划检修或事故情况下，直流输电系统将利用接地极以大地返回方式单极运行；在正常双极运行时起着限制换流阀中性点电位的作用，保护换流阀的安全，避免两极对地电压不平衡而损害设备。随着我国直流输电朝着高电压、大容量方向的快速发展，直流接地极的设计电压也不断增大，接地极选址工作变得愈加困难。垂直型直流接地极占地面积小，能将电流导入地底深处，有利于改善跨步电压和接触电势，对环境影响小[1]，是一种可行的新型直流接地极安装方式，但同时垂直型接地极存在电流入地不平均，土壤温升过高的现象，可能导致接地极在运行过程中出现土壤烧结、腐蚀严重等问题,从而影响系统安全运行[2]。因此，通过对特高压直流输电接地极温度监测，及时了解现场设备状况，从而改变系统运行方式(如减少大地运行时间)，具有重要的现实意义。

因为特高压直流输电接地极一般分布在山地荒野，现场监测数据需远程无线传输，所以接地极在线监测系统对信号传输功能方面有特殊要求。本文作者研究和讨论的分布式光纤测温系统，采用4 G无线通信技术设计，比以往基于3 G、2 G网络传输监测数据的设计[3-4]，更好地提高了监测数据传输的速度及可靠性，并能实时传输现场视频数据，实现接地极现场环境的实时监视，防外力破坏，该技术的研究与应用将能解决特高压直流输电接地极的现场测温困难，运行状况在线诊断及接地极体寿命评估的问题。

1 普洱换流站接地极系统结构

南方电网普侨直流接地极系统主要由接地极、接地极馈电电缆和接地极线路构成。普洱换流站接地极线路导线采用NRLH60GJ-300/40钢芯耐热铝合金绞线，2 组2 分裂，分挂于横担两侧，其连接换流站中性母线与接地极馈电电缆；接地极和接地线路之间通过接地极馈电电缆连接；而接地极是埋设于地下的，由接地极散流材料和活性填充材料组成，散流材料主要作用是将电流导入大地，填充材料主要是扩大馈电体的散流面积，减小接地电阻，同时避免馈电体与土壤接触，降低馈电体的腐蚀速率。普洱换流站极址采用依地形布置的不规则双环垂直型接地极设计，为国内首次采用。外环半径300 m，均匀分四段，设置38 个垂直电极井，内环半径210 m，均匀为两段，设置23 个垂直电极井。电极长30 m，电极顶端距地面不小于5 m。电极井直径1.2 m，采用石油煅烧焦炭填充，外环有6 个电极井装设温度传感器。当系统单极大地回线运行时，会有强大的直流电流经接地极注入大地，此时在极址土壤中将形成一个恒定的直流电流场，随之大地电位升高，接地极竖井内的温度相继升高。

因此，本文作者利用分布式光纤测温技术对普侨直流输电接地极温度实时监测，并对数据进行分析，指导接地极运行工况研究。

2 光纤光栅在线测温系统设计

普洱站接地极在线测温系统由光纤测温子系统、通信子系统、接地极在线监测后台和电源子系统四个部分组成。由于接地极设在野外无人区,现场电源接入,采用太阳能转化为直流电源为现场设备供电，现场监控系统负载主要为解调仪表，TD-LTE发送模块。光纤光栅在线测温系统结构如图1所示。

图1 光纤测温监测系统结构

2.1 分布式光纤光栅测温原理

分布式光纤光栅工作原理主要是光纤的光时域反射(OTDR)和后向拉曼散射温度效应, 即传感器用OTDR 技术定位，用拉曼散射效应测温[5-11]。当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产生瑞利散射，有一小部分拉曼散射光会沿光纤反射回来,anti-Stokes Light与Stokes Light光子强度比值与温度关系可用式(1)表示：

(1)

式中：Ia、Ib分别是anti-Stokes Light和Stokes Light光子强度;h为普朗克常数；c为真空中的光速;k为波尔兹曼常数；σ为波数；T为绝对温度。设光纤散射点距离为L，那么激光脉冲在光纤中来回走过的路程为2L，根据式(2)计算发射光的返程时间可得被测点的空间距离。

(2)

(3)

式中：V为光在光纤中的传播速度;C为真空中的光速;n为光纤折射率。在测得时刻t时，就可以得出距光源L处的距离。

2.2 分布式光纤在线测温系统的构成

2.2.1光纤测温子系统

普洱换流站接地极共选取8个接地极深井安装测温设备，通过对换流站接地极的监测，能在换流站内对极环深井内部温度进行在线探测。接地极深井深度为35 m，井内填充焦炭，深井中部有一根排气管，PPR材质，在PPR管四周固定有引流电流、馈电棒等，运行时最大电流约6 000 A，接地极共有61个深井，深井间采用电缆沟连接。测温探头在每个接地极深井中的-35 m，-20 m，-5 m，分别设置测温点，整个接地极共设置24个测温点。接地极深井中采用焦炭填充，测温设备要求满足接地极深井中的温度、湿度以及压力的要求，接地极深井中的设备布置如图2所示。

图2 测温探头在深井中的布置图

图3 感温光缆深井中实际布置图

测温子系统采用光纤测温，系统包括光纤光栅波长调制解调器，光纤光栅温度传感器和传输光缆等。感温光缆选用GWC-3003温度传感器(GWC-3003型传感器是针对电力行业专门设计的一款产品，采用陶瓷等绝缘材料进行封装，耐高压，抗电磁干扰，体积小，质量轻，贴覆式安装，适合高电压环境)，因此每个接地极井中有三套感温光缆，布置规格如图3所示。

通过理论计算，将光缆敷设于地下35 m，周围石墨粉填充后，对探测缆压力约为150 N，施工过程中缆还将受到其他外部拉力，因此需将感温光缆穿于波纹管中，达到缓冲拉力以及压力的作用。波纹管具有很高的弯曲疲劳强度和耐蚀性，可用作腐蚀性介质中的密封、连接原件。选用波纹管材质为304不锈钢，将感温光缆穿入波纹管中，尾端将光缆抽出约15 cm，利用绝缘胶布缠绕固定于波纹管外侧，在这个过程中，确保探测缆传输损耗小于1 dB。

光纤测温解调设备用于实时解调光纤测温传感设备传送过来的光信号，该设备安装于接地极测量屏内。

2.2.2通信子系统

光纤测温系统通过无线方式将监测数据传送至监控后台，数据发送频率设置为10 min/次。系统中选用4 G模组与解调仪表相连，该设备安装于接地极测量屏内，采用TD-LTE传输装置，通过无线方式发出在线监测数据。换流站内的接地极在线监测后台直接连接到Internet上，接收接地极的在线监测数据。

在线监测系统的测量数据上传间隔可根据要求调整，最低的数据上传间隔为1 min/次，在线监测系统能暂存7天以上的监测数据，系统后台能够暂存30天以上的历史数据循环存储。能够在网络断开后暂存数据，在网络恢复后能自动上传网络断开期间未能上传的数据。

2.2.3接地极在线监测后台

普洱站内配置在线监测系统后台，接收并显示接地极在线监测数据,效果如图4所示。

图4 在线监测后台登录界面

2.2.4电源子系统

由于接地极地处偏远野外，无电力供应，现场采用“太阳能系统”供电，包括蓄电池、电源控制器、电源逆变器、电源整流器、变压器以及太阳能电池板等设备，设备应采用组屏安装方式，集中布置于接地极中心塔的箱式柜内。太阳能电池板布置于箱式柜附近。现场监控系统负载主要为解调仪表、无线发送模块。蓄电池容量在太阳能板不工作条件下能正常工作48 h。

经过查询普洱当地天气，雨季的时候阴雨天比较多，按照7个阴雨天设计，系统最大功率小于30 W，电池标准容值选用300 Ah，电压值选用24 V，那么系统在无阴雨天的环境下可运行时间为9.25天，满足7个阴雨天的条件。

为了适应在野外条件下运行，系统监控电路元件均采用低功耗工业级元件，系统采用间歇式供电方式，确保系统在太阳能供电不足的情况下也能够长时间运行。同时，控制机箱满足IP65防护要求，采用全封闭式结构。其中电源子系统和通信子系统测量屏、电源设备均统一布置于箱式柜内，箱式柜采用户外式结构，具有良好的防雨、通风和防凝露能力，箱式柜内设置二次等电位接地网。

3 分布式光纤测温系统在接地极中的应用测试

本文以普洱换流站接地极光纤测温系统应用为例，通过数据分析间接指导直流输电接地极运行状态的诊断，同时可以进行接地极极体的寿命评估，本系统特点是既可以实现特高压直流输电接地极温度的远程在线监测，还可以实现接地极现场环境的实时视频监控。

通过对接地极在线测温数据进行分析，接地极温度与入地电流具有较强的对应关系，如图5所示，以19#接地极5号测温点为例，当接地极电流偏大时，其对应点温度呈明显上升趋势，因此测温系统可设定一个或多个警告和报警温度点，在选择单极大地回线运行时，实现接地极监测预警。

图5 系统分析监测点历史温差曲线图

另外系统采用基于4 G通信的无线通信方式，远程在线视频更流畅，更清晰，当系统监控未连接网络时，视频处于10 min后台拍照录像状态;当连接4 G网络时，摄像头实现在线实时传递图像，数据传输更稳定、可靠。

4 对接地极运行状态的诊断

(1)通过接地极极址温度和环境湿度数据分析，进而对接地极馈线棒周围的土壤状态进行判断。系统监控后台可实时接收接地极极址的温度和现场环境湿度，经过分析可以及时掌握接地极周围土壤状态。接地极的温度偏高或湿度偏低，直接导致土壤电阻率升高，从而影响接地极入地电流分布，伴随着的是大地电位升高，出现地面跨步电压和接触电势等，加快接地极本体腐蚀[12]。

(2)通过馈电电流对接地极运行状态进行诊断。系统监控后台接收到接地极馈电电流后，可以确定接地极电流分布及大小情况，若馈电电流过大会引起接地极本体腐蚀加速，缩短接地极运行寿命[13-14]。一般情况下，馈电电流与电极长度大致成正比关系，如果所测得的入地电流较它的基准值偏差大，则表明接地极电极可能被腐蚀。

(3)对接地极体的寿命进行评估。根据我国《高压直流接地极技术导则》规定，直流接地极的设计寿命一般至少运行使用30年。由于接地极腐蚀的速度与接地极电流密切相关，所以根据系统所采集到的接地极的温度和其他系统采集的接地极电流，可以评估该接地极的腐蚀程度，甚至进一步分析影响接地极体寿命的有关因素，以便更好地维护和及时更新。

5 结束语

分布式光纤测温是一种比较成熟的测温技术,但是在特高压直流输电线路接地极测温中应用鲜少,通过分析光纤光栅测温原理,并对其应用进行介绍,主要特点有：

(1)分布式光纤测温系统在不干扰接地极运行的情况下，检测深井馈线棒的温度分布，传统方式测温较麻烦或无法轻易获得[15]，提高了工作效率。

(2)系统测温和定位精度高，可适应野外环境，实现深埋地下的大范围多点的温度测量，运行稳定可靠。

(3)试验数据证明，该技术在接地极温度测量方面起到一定的作用,为接地极运行工况提供技术支持[16]。该技术应用于我国特高压直流垂直型接地极监测方面，将有效提高直流输电运维水平。