220kV交聯聚乙烯絕緣光纖測溫電力電纜的研制及性能試驗

梁國華

(揚州曙光電纜股份有限公司，江蘇 揚州225652)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展和城市用電需求的快速增長，交聯電纜由于其電氣性能優良、工作溫度高、傳輸容量大、維護簡單等優點而被廣泛使用，220 kV交聯聚乙烯(XLPE)絕緣電纜已經越來越多地用于城市電網和大型工礦企業。

為保證供電的穩定性，對220 kV XLPE絕緣電力電纜運行時各層溫度監視已十分必要，光纖溫度傳感器作為一項新技術在國內已經開始運用推廣，通過光纖測量絕緣外表面，可以計算出導體實時溫度，而無需考慮電纜外部的環境影響。對于敷設環境復雜的電纜線路，還可以通過監測電纜導體溫度，為及時調控電纜載流量提供指導，使電纜最大限度地發揮輸送能力，又可避免電纜因過載造成損傷，這對于電纜線路的設計和運行具有重要的意義。

1 研制過程

1.1 電纜結構設計

本次研制的樣品為220 kV、2 000 mm2XLPE絕緣超高壓光纖測溫電力電纜，導體結構為5+1分割型(5個股塊，中間放置一根50 mm2圓型緊壓導體)，電纜結構設計和性能指標依據GB/Z18890—2002。光纖測溫方式目前主要有:(1)電纜外護套表面貼裝測溫光纜，這種方法與電纜制造分開進行，俗稱外置式，缺點是反應導體溫度遲緩，受周圍環境影響較大，適用于對沒有光纖的電纜進行改造和要求不高的場合;(2)在半導電緩沖層與金屬套中放入測溫光纖，光纖置入分縱向及繞包方法，縱向植入光纖的缺點是電纜在彎曲過程中易發生斷裂，不安全，繞包方法由于經一定節距纏繞在膨松棉上，在電纜彎曲時不易斷裂，同時膨松棉也可吸收電纜絕緣的膨脹尺寸;(3)光纖植入導體中，這種方法在生產中操作十分困難，光纖極易斷裂，同時附件需特殊設計，目前處于研究階段。根據以上情況分析，我公司采用在緩沖層與鋁管之間植入測溫光纖，這種方法安全可靠，能夠非常準確地檢查出電纜線路的故障點。電纜結構見圖1。

1.2 測溫光纖單元設計

圖1 220 kV XLPE絕緣光纖測溫電力電纜結構圖

220 kV XLPE絕緣電力電纜由于受到裝盤長度及感應電壓限制，其單根電纜長度一般在1 km以內，單模光纖采用固體激光器做光源，主要用于長途通信，多模光纖采用發光二極管做光源，傳輸速度低、距離短，但成本比較低，所以我公司設計時選用符合GB/T 12357.1—2004《通信用多模光纖第1部分:A1類多模光纖特性》標準中的A1a(50/125)的多模光纖，為了提高可靠性，選用2芯光纖。測溫光纜主要有不銹鋼鋼管測溫光纜、扁平式感溫光纜及螺旋鎧裝測溫光纜等形式，根據電纜結構特點及對光纖的保護效果，最終選擇了無縫非磁性不銹鋼鋼管測溫光纜作為測溫光纖單元，見圖2。無縫不銹鋼鋼管測溫光纜有多種不同外徑，常用的有 2.3 mm、 1.8 mm、 1.3 mm幾種。試驗發現，外徑越小，對電纜結構影響也越小，抗側壓力也越大，性能更有保證，但光纜生產難度也更大，價格也更高。我們選擇了 1.3 mm的無縫不銹鋼鋼管測溫光纜，其主要技術參數見表1。

圖2 測溫光纖單元

2 主要工藝措施

(1)分割導體采用法國波迪亞公司帶有預扭裝置的框絞機及帶有自動相位檢測裝置的盤絞機生產。

(2)導體半導電帶與保護隔離帶同時繞包，可以避免灰塵落在半導電帶表面，同時保護半導電帶在電纜轉序的過程中不被損傷，保護隔離帶在進入交聯三層共擠機頭前拆掉。

(3)采用立式麥拉菲爾三層共擠化學交聯生產線、SIKORA冷端及熱端連續檢測系統和NCC交聯工藝計算軟件，全電腦控制、全封閉式材料干燥、重力加料系統。加料的正壓凈化間分為兩個區域，半導體凈化間和絕緣凈化間，其中半導體凈化間的凈化等級為1000級，絕緣料凈化間的凈化等級為100級，輸料管道采用衛生級的不銹鋼材料，直接進入加料斗，與外界完全隔離，保證電纜料出廠凈化等級不改變。

(4)測溫光纜置于金屬護套內、屏蔽層外，以約6～8倍纜芯外徑的節距纏繞在半導電緩沖層外，右向旋繞與軋紋方向相同，避免鋼管內光纖余長發生較大變化。光纖余長取決于不銹鋼管內的光纖余長，而不銹鋼鋼管內的光纖余εF，由式(1)表示:

式中，Lf為不銹鋼鋼管內光纖長度，Lt為不銹鋼鋼管長度。

由式(1)可知，如果εF太大，不銹鋼鋼管內光纖彎曲半徑就小，同時光纖緊靠管壁受力也較大，容易造成微彎損耗，甚至使光纖折斷;如果εF太小，光纜受外力拉伸時，即使發生較小的變形，應力也會作用到光纖上，導致衰減增大，或光纖斷裂。經試驗，我們確定將光纖余長控制在1%～3%范圍內。纏繞光纜前后均應檢查每芯光纖衰減，并進行比較，以對工藝進行調整，光纜放線張力不能過大，否則易對不銹鋼鋼管造成拉伸，另外，張力過大還會使光纜纏繞在緩沖層上過緊，而影響緩沖層的效果，并易使光纜承受側壓力增大;張力過小，則光纜纏繞在緩沖層上過松，使光纜產生微彎，甚至光纖折斷。

(5)在絕緣線芯外重疊繞包二層半導電阻水緩沖帶，緩沖帶厚度1.5 mm，緩沖層外纏繞測溫光纜，再在光纜外重疊繞包一層2.0 mm阻水緩沖帶。根據交聯電纜熱膨脹量計算，交聯料的線脹率η為:

絕緣徑向膨脹量Δt為:

式中，β為交聯料的線脹系數，取1×10－3℃－1;T為XLPE絕緣平均溫升，取50℃;Δt為絕緣徑向膨脹量(mm);R1、R2分別為導體半徑和絕緣屏蔽半徑，本次樣品R1=28.1 mm，R2=54.6 mm。

由式(2)、式(3)計算得η=0.016，Δt=0.66 mm。光纜內側二層緩沖層總厚度達3.0 mm，光纜外徑只有1.35 mm，能有效吸收、緩沖電纜在受熱膨脹過程中引起的附加拉力，而光纜上繞包的緩沖帶，則吸收了在熱膨脹時鋁套對光纜的反向壓力，減少了因電纜受熱膨脹引起光纖的附加衰減。

(6)線芯纏繞上測溫光纜之后和氬弧焊之前的所有設備上的導輪，均應包上兩層硅橡膠或其它合適的橡膠帶，以減少不銹鋼鋼管測溫光纜在導輪上所受的側壓力，鋁套后還應檢查光纜衰減情況。

3 試驗

220 kV XLPE絕緣光纖測溫電力電纜的主要功能有二部分，一是傳輸電力，必須滿足GB/Z 18890—2002《額定電壓220 kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件》標準要求，其試驗項目參照GB/Z 18890—2002執行，在此就不列出;另一個是傳輸光信號，進行測溫，由于電纜在生產及使用過程中經常有彎曲情況，以及運行時會發熱，產生溫升，我們設計了表2的試驗方案，用以模擬鑒定測溫光纜使用性能。

表2 光纖參數及性能

4 結束語

我公司試制的樣品YJLW02-Z-127/220 kV-1×2000+GQ-2A1a已通過國家電線電纜質量監督檢驗中心的型式試驗，相關產品已在廣東、遼寧等地使用，用戶反映良好。本研制方案亦可應用于66 kV、110 kV等電壓等級的電纜上，同時希望有關部門能早日起草該產品的國家標準或行業標準，以促進產品的健康發展。