分割導體內預置測溫光纖的XLPE電纜及附件的研制及試驗

呂庚民，張道利，富成偉，楊黎明，周長城，吳雪嬌，劉本東

(1.沈陽古河電纜有限公司，遼寧 沈陽110115;2.國網電力科學研究院，湖北 武漢430074)

0 引言

電力電纜的運行溫度是反映其運行狀態的重要參數。隨著分布式光纖傳感技術的發展和應用，電力部門為確保電力電纜線傳輸電能的安全，希望利用測溫光纖對整個線路中的電纜進行安全運行的自動監控。通過對電纜溫度的測量和監視可以全面了解其絕緣老化情況、準確評估其工作狀態、及時發現其故障隱患，對提高電纜運行可靠性、減少故障發生次數、降低故障損失具有重要意義［1］。

目前，國內外交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜測溫光纖的設置方式都是以不同的方法將光纖設置在電纜的外表面或金屬護套內電纜絕緣層的表面，通過測量電纜外表面或絕緣層表面的溫度來計算電纜導體的溫度。由于受到外界環境以及電纜絕緣層的影響，幾乎無法真實地跟蹤負載的實時變化情況。而電纜的使用壽命主要取決于XLPE材料在高溫作用下的老化情況。在理想情況下，光纖應被置于盡可能靠近電纜導體的位置來精確地測量電纜的實際溫度。但是，為了接近電纜導體而破壞絕緣層的方法是不適用的［2］。

現有的超高壓XLPE絕緣光纖復合電力電纜不能把測溫光纖放入電纜導體內，故不能準確測量電纜導體溫度，無法滿足對整個電纜線路運行狀態自動監控的要求。

1 電纜及附件的結構

為了實現把測溫光纖設置于電纜導體內，以便準確地測量電纜的實際運行溫度，必須解決下述三個問題:

(1)電纜導體內具有放置光纖的穩固空間。在電纜導體的成型過程中，將帶有不銹鋼護套的光纖一同置入導體內的穩固空間內，并且保證電纜后續制造的各道工序、出廠試驗以及在施工現場敷設中光纖不被損壞;

(2)在附件施工現場進行相鄰兩段電纜連接作業時，電纜導體空間內的光纖能自由地移動，電纜導體及光纖能夠較容易地連接，且光纖的使用性能不受影響;

(3)在電纜線路兩端所安裝的戶外終端或GIS終端內部，把設置在導體預留空間內處于高電位的光纖順利地引到地電位，并較容易地從終端絕緣套管內引出到終端外部與DTS測試系統的光纖連接。

在不改變電纜及附件整體絕緣結構的前題下，解決上述問題是研制的主要任務。下面是220 kV、2 500 mm2XLPE電纜及附件的研制過程。

1.1 電纜導體結構

五分割的電纜導體是由五個相同扇形導體絞合成的圓形導體。在成型后的導體中心，自然形成一個有效直徑約5 mm的小孔。小孔在電纜導體絞合成型后，形成穩固的結構。在導體絞合時，將一根 2.0 mm不銹鋼護套的光纜同時絞入到導體中心的預留空間內(見圖1)。不銹鋼護套內有兩根耐高溫光纖，并含有填充油膏，光纖的耐溫等級為300℃。為了避免光纜在進入導體中心時被夾在兩扇形導體單元的縫隙中，光纜通過一個空心的、前端為錐形的導引芯棒進入圓形導體中心的小孔中間。光纜在電纜制造的后續各工序、出廠試驗及現場敷設過程中不會被損壞。

1.2 連接盒的結構

在不改變連接盒絕緣結構的前提下，在電纜導體連接管外設置有半圓形的光纖接頭盒和保護蓋(見圖2)。切斷電纜時，預留一定長度的電纜，以保證有足夠的余長進行光纖連接。導體壓接前，將帶不銹鋼護套的光纖從分割導體相鄰的兩扇形導體單元之間的縫隙中引出。導體連接管壓接后，光纖在導體連接管外連接，將余長的光纖規整地盤在半圓形光纖接頭盒上固定，扣上保護蓋。然后進行接頭其他安裝工作。

圖1 導體內預置測溫光纖的電纜

圖2 電纜導體內預置光纖的電纜接頭

1.3 戶外終端的結構

戶外終端主要結構不做改變，只是在套管下端密封板上預留一個光纖引出孔。在制作終端切斷電纜時，額外預留1.2倍套管高度的電纜余長。去掉多余的絕緣和導體，露出光纖。光纖從導體引出棒的下端，分割導體相鄰的兩扇形導體單元之間的縫隙中引出。光纖沿電纜絕緣表面，應力錐與絕緣套管之間的空隙向下，從套管下端密封板的預留孔引出到終端外部，引出孔進行密封(見圖3)。

圖3 電纜導體內預置光纖的戶外終端

1.4 GIS終端結構

GIS終端與戶外終端有所不同，GIS終端內的應力錐與環氧套管之間一般沒有間隙，應力錐外表面與環氧套管的內表面在應力錐壓緊裝置的作用下形成一定的壓力以保證其電氣性能。內部無需填充絕緣油，沒有光纖可以穿過的空間，光纖只能從環氧套管壁內穿過。

在澆注環氧套管時，在模具內環氧樹脂填充的空間里設置一根直徑10 mm的鋼芯從上部電極到下部電極貫穿整個套管。環氧樹脂澆注完成，經固化成型后，脫掉模具時將鋼芯抽出。在環氧套管壁內就形成了一個直徑約10 mm的從上到下貫穿整個套管的通道。光纖從導體引出棒下端的分割導體相鄰的兩扇形導體單元之間的縫隙中引出，從環氧套管的上部電極預留孔穿過環氧套管壁內的通道，再從下部電極預留孔引出。通道內填充絕緣油，以保證環氧套管的絕緣性能(見圖4)。

圖4 電纜導體內預置光纖的GIS終端

2 初期的性能試驗

2.1 光纖在絕緣油中的試驗

在進行絕緣油電性能試驗時，取一小段裸光纖夾在測試杯兩測試電極中間，光纖垂直于測試電極的平面。試驗結果為絕緣油的性能與無光纖時相同，光纖的存在對絕緣油的性能沒有影響。

2.2 光纖穿過GIS套管的電氣性能試驗

用一段導體內預置光纖的電纜，電纜的一端組裝一套GIS終端。制作GIS終端時，預留1.5倍環氧套管高度的電纜長度，去掉絕緣;將光纖從分割導體相鄰的兩個扇形單元之間的縫隙中引出;去掉多余的導體;壓接導體引出棒;光纖從導體引出棒下端，通過設置在終端絕緣套管壁內的通道引到終端外面，通道內填充絕緣油。電纜的另一端裝入水終端內，進行電氣性能試驗。試品通過了局部放電和工頻318 kV、30 min的例行試驗。

2.3 光纖連接的可操作性試驗

用兩段導體內預置光纖的電纜，在兩段電纜連接時，被連接的兩段電纜各留出300 mm的余長，去掉外護套、金屬護套、絕緣，露出導體。將分割導體按扇形單元分開，去掉絕緣隔離層，將分割導體中心預置的帶不銹鋼護套的光纖從電纜分割導體相鄰兩扇形單元之間的縫隙中引出。將電纜導體的扇形單元按原絞合節距恢復成原來形狀，去掉多余的電纜導體。將電纜導體用導體連接管按正常的壓接方法壓接好。按正常的光纖熔接前的處理方法將光纖的端頭處理好并在光纖熔接機上進行光纖熔接，套上接頭保護管。整個過程在完全模擬現場實際情況下進行，可以確定此方案在現場施工中具有可行性。

3 預鑒定試驗現場的安裝

預鑒定試驗線路由220 kV、1×2 500 mm2分割導體內預置光纖的XLPE電纜140 m;戶外終端2套;GIS終端2套;變壓器終端2套;整體預制接頭1套;組合預制接頭1套組成。

試驗回路的電纜敷設方式為地下直埋、地下穿管和隧道敷設。模擬回路由220 kV、1×2 500 mm2分割導體內預置光纖的XLPE電纜30 m，分地下穿管和地上空氣兩部分組成，電纜導體連接成閉合回路。兩段電纜的導體表面分別設置測量導體表面溫度的熱電偶。

3.1 整體預制接頭的安裝

按2.3節所述的方法對被連接的兩段電纜進行處理，電纜導體用導體連接管按正常的壓接方法壓接(見圖5)。

圖5 光纖的引出和導體的壓接

在連接管表面扣上兩個半圓形的金屬光纖接頭盒，并將光纖接頭盒與電纜導體連接管用螺栓等電位連接。按正常的光纖熔接前的處理方法將光纖的端頭處理好并在光纖熔接機上進行光纖熔接。然后將光纖接頭保護管固定在接頭盒上，再將余長的光纖規整地盤在接頭盒上并固定，盤纖時要注意光纖的彎曲半徑應滿足光纖允許的彎曲半徑?？凵辖宇^盒兩個半圓形的金屬保護蓋，并使保護蓋與接頭盒等電位連接。在保護蓋外繞包2層半導電帶，光纖連接工作結束(見圖6)。

圖6 接頭中光纖連接后的固定和保護

3.2 GIS終端的安裝

GIS終端安裝時電纜預留長度為1.5倍環氧套管高度。按上述相同的方法將預置在電纜導體中心的光纖引出，然后進行電纜導體引出棒的壓接。安裝環氧套管后，將去掉不銹鋼護套的裸光纖從環氧套管上部電極的預留孔穿入，從環氧套管的下部電極預留孔引出。對引出口處的光纖加以保護，安裝注油閥并對光纖出口密封，向環氧套管內部光纖通道內注油(見圖7)。

圖7 GIS終端光纖從環氧套管中穿入和引出

3.3 戶外終端的安裝

戶外終端安裝時電纜的預留長度為1.2倍的終端套管高度。按上述相同的方法將預置在電纜導體中心的光纖引出，然后進行電纜導體引出棒的壓接。安裝完應力錐后，將已去掉不銹鋼護套的裸光纖從導體引出棒下端沿電纜絕緣表面向下，從套管下密封板預留孔引出到終端外，對引出口處光纖加以保護和密封(見圖8)。

4 溫度監測

4.1 測溫回路的組成

圖8 戶外終端光纖穿過絕緣表面從下端引出

電纜導體內的預置光纖從一側戶外終端下引出后通過一段連接光纖與上海波匯通信科技有限公司提供的DTS測溫系統連接，形成一個溫度測試回路(見圖9)。

圖9 試驗回路、模擬回路示意圖

4.2 導體溫度的測試

試驗回路、模擬回路于2011年2月28日開始熱循環試驗。通過DTS系統顯示器可清楚看到試驗回路中各部分電纜導體的實際溫度(見圖10)。

圖10 試驗回路直埋段電纜導體的各點溫度

4.3 溫升曲線的繪制

2011年10月22 日對加熱過程中模擬回路空氣中、地下穿管中的電纜通過熱電偶測量的電纜導體溫度數據進行提取，與試驗回路隧道中、地下穿管中敷設的電纜導體內光纖測量的溫度數據進行對比，并繪制出電纜導體的溫升曲線(見圖11)。通過記錄數據和溫升曲線可以看出，預置在電纜導體中心的光纖測得的試驗回路中電纜導體的溫度與模擬回路中設置在電纜導體表面熱電偶所測得的溫度保持了很好的同步性和一致性。

圖11 電纜導體溫升曲線

5 結束語

通過對在分割導體內預置測溫光纖的電纜及附件的、初期電性能試驗和模擬安裝試驗，證明完全可以實現把測溫光纖設置于電纜導體內，準確地測量電纜的實際運行溫度。2012年5月，預鑒定試驗全部結束。DTS系統的計算機記錄了整個試驗過程各部分電纜導體溫度的全部數據。光纖分布式溫度傳感器能對電力系統中的高壓電纜進行全線的實時溫度監測。將測溫光纖預置在電纜導體內，能夠及時準確地監測電纜導體的溫度，可以實現系統的負載能力、電網短期超負荷能力的實時監控，進行負荷的經濟調配。在不超過電纜允許運行溫度的情況下，最大限度地發揮整個線路中電纜的傳輸能力［3］。

［1］詹樂明，種鵬蛟，王喜星.電纜分布式光纖測溫系統的工程及應用［C］//電力電纜狀態檢修技術交流會論文集.2010.

［2］陳 軍，李永麗.應用于高壓電纜的光纖分布式溫度傳感新技術［J］.電力系統及其自動化學報，2005(3):47-49.

［3］張振鵬，趙健康，楊 峰，等.電力電纜線路應急負荷仿真計算及試驗研究［C］//電力電纜狀態檢修技術交流會論文集.2010.