光纖在高壓電纜中的應用與注意事項

劉本東 蘇丹丹 郝鋼 周長城 宋威

摘要：利用光纖時域反射、頻域反射、拉曼散射、布里淵散射及布拉格光柵的特性，光纖可用于電纜測溫、故障探測與定位、數據傳輸，以及監測電纜應變、振動動和電纜路由變化。文章重點描述光纖在超高壓電力電纜中的應用，敷設方式、光纖的分布在電纜及附件中的位置，以及光纖接續的注意事項。

關鍵詞：光纖復合；光纖測溫；高壓電纜；光纖熔接

1光纖在高壓電纜中的應用

1.1光纖測溫

目前測溫是電纜在線監測的研究熱點，大多采用分布式測溫系統。在高壓光纖復合電纜系統一般采用DTS測溫系統。光纖對整條電纜線路進行溫度監測有這重要的意義，由于季節、氣候的變化，電纜敷設環境的改變，都會引起電纜熱場的變化，這些變化可以通過分布式測溫系統監測到。通過對這些測量數據的比較和分析，可以評估電纜的動態載流能力，幫助電纜運營商做出合理的運行策略。與傳統的靜態的載流量相比，此系統能夠在考慮現場實際環境條件下計算電纜線路的動態載流量。對于參與電力市場交易的運營商，應用此測溫系統可以獲得更大的收益，同時又無電纜過熱損傷的風險。DTS測溫系統還可以自動超溫報警，可以在電纜出線故障時或者電纜系統將要出現異常時產生局部高溫監測并報警，提醒電力運行部門維護檢修。

圖1光纖在高壓電纜中測溫數據監控

1.2故障探測與定位

光纖也能用于電力電纜的故障定位。現代OTDR定位方法在通信電纜的應用上已經有了很好的發展，且易于使用。標準的OTDR通過測量反向散射激光脈沖來確定光纖損傷點的位置。這樣對于光纖復合電纜出現擊穿故障之后的位置判定，相當準確且省時省力。

2光纖在高壓電纜及附件中的敷設位置

2.1光纖敷設在高壓電纜金屬護套內部

高壓電纜復合光纖在我國起步較晚，通常都是光纖敷設在電纜絕緣屏蔽緩沖阻水帶層。通過測量電纜絕緣屏蔽處的溫度，根據經驗公式、材料熱阻等因素換算成電纜導體上的溫度。間接的實現了對高壓電纜的溫度監控。如圖2，此方式的敷設位置根據其特點有其優缺點：

優點：對于電纜的制造工藝相對簡單，光纖在敷設中不易損壞；光纖不易受力，損耗極小；且方便熔接；成本小；對于高壓電纜附件要求低，安裝相對簡便。

缺點：此方式通過間接溫度取樣，來轉換成電纜導體的溫度，測量溫度精度差，且有一定的延時；不能第一時間監測到電纜系統的故障及準確位置。該敷設條件的光纖不能測試電纜系統中電纜附件的溫度。

2.2光纖敷設在高壓電纜導體內部

對于大截面的高壓電纜來說，都采用分割導體型式。分割導體在成纜過程中就會有一部分空間，光纖恰好可以敷設在分割導體的縫隙中，進行測溫。如圖3，該方式也有其優缺點：

優點：該敷設方式使得光纖直接接觸電纜導體，時時精準的測試出電纜導體的溫度。及時有效的反應當前時間內電纜系統的運行狀態。可以為運營部門提供更為快捷準確的數據參考。同時對于出現事故的電力系統定位更加精準快捷。由于該敷設位置的特殊，也可以測試電纜系統中電纜附件的溫度。在整個電纜系統中，電纜附件相對電纜本體出現的事故率更高，所以測試電纜附件的狀態更有意義。

缺點：電纜生產工藝要求難道大，需要很高的技術水平；光纖接續困難；對電纜附件要求技術含量高；電纜附件接續光纖難度大，要求高。成本稍高。

圖2光纖在阻水帶層圖3 光纖在導體內部

3高壓電纜附件光纖接續注意事項

因為光纖測溫高壓電力電纜的應用起步比較晚，現在市場上運行的線路也相對較少。所以在進行電纜附件安裝時，人們容易忽略到光纖熔接的注意事項。光纖熔接是整個電纜系統安裝敷設過程中一項非常重要的關節，一旦忽略關鍵點或者不專業的安裝熔接，會造成相當嚴重的后果。

3.1光纖熔接對整個電纜系統接地方式的影響

在電纜在交變電壓下運行時，線芯中通過的交變電流必然會產生交變的磁場。磁場產生的磁鏈不僅和線芯相鏈，也和金屬屏蔽層相鏈，必然會再金屬屏蔽層上產生感應電動勢。對于電纜線路特別長的項目來說，高壓電纜金屬護套上的感應電壓就是特別大，會造成對電纜外護套的損壞。所以我們在設計線路時，為了降低金屬護套的感應電纜，采用交叉換位（交叉互聯）的接地方式。

對于短段線路的電纜系統來說，我們采用一點直接接地，一端經保護器接地的方式進行。這樣防止多點接地造成環流燒壞電纜。

3.1.1在做高壓電纜接頭時熔接光纖注意事項。一般長線路電纜在電纜接頭處做交叉換位來降低感應電壓。而敷設在金屬護套內的光纖的金屬鎧裝層與電纜的金屬護套等電位，所以在做電纜接頭熔接光纖時，一定首先要將光纖金屬鎧裝去掉，在進行裸光纖的熔接。一定不要將兩段電纜的金屬護套通過光纖鎧裝層短接或者光纖鎧裝管在電纜絕緣屏蔽處纏繞成閉合磁路，這樣會造成多點接地，產生環流；或者形成閉合磁路，產生渦流。燒壞電纜外護套甚至金屬護套溫度過高燒壞電纜絕緣屏蔽造成電纜本體擊穿。高壓電纜接頭的絕緣法蘭就是為了斷開長段電纜的金屬護套，使之降低感應電壓，一些不專業的施工人員或者光纖熔接人員不經意容易弄不好使其短接，這點一定要注意。

3.1.2在做高壓電纜終端時熔接光纖注意事項。在對電纜終端的光纖引出熔接時，也一定要注意，不要降光纖的金屬鎧裝層引出電纜終端外部。光纖的鎧裝層與電纜金屬護套等電位，一旦將光纖鎧裝引出終端外部，會造成電纜系統多點接地，也會造成電纜系統的事故。一定要裸光纖引出終端外部，也可以將光纖用絕緣材質的套管保護好在引出進行熔接。

3.2內置光纖的衰減對電纜系統的影響

因為內置光纖電纜在電纜生產、運輸過程中都有可能對光纖造成擠壓，造成光纖衰減比較大；或者光纖在熔接時熔接效果不好導致衰減大；或者光纖彎曲變徑過小都會造成光纖的衰減。光纖的衰減會對光纖傳輸信號造成影響，造成光纖傳感測溫不準確。而高壓電纜一旦安裝敷設完投入運行，衰減大或者斷了的光纖就無法修復。所以在做光纖熔接之前，必須要對電纜中的光纖進行測試。測量光纖的長度及衰減是否合格；在光纖熔接后也要對光纖進行測試，測試光纖熔接效果，是否有較大衰減等。來最大程度的保障光纖復合電纜在運行中的光纖測溫功能。

一般OTDR測試會有區別，但這種區別是測試原理造成的，實際總衰耗差異不大。各個波長衰減差異很大。現對于多模光纖的衰減測試，較多的方法都是以850nm和1300nm的波長進行測試。1300nm實際衰減一般為0.6~0.7dB/km，允許最大衰減值為1.5dB/km ；850nm實際衰減為2.0~3.0dB/km，允許最大衰減值為3.5dB/km。對于單模光纖在1310nm一般為0.33~0.35dB/km；1550nm為0.19~0.21dB/km。單模光纖應用在高壓電力電纜內置的情況比較少，而對于單模光纖的允許最大衰減，暫時還沒有一個統一的標準數值。

4結論

4.1光纖越來越多的應用于電纜行業中，其主要作用為測溫、故障定位、數據傳輸，以及探測電纜應變、振動和電纜路由變化等。目前國內仍以光纖測溫為主；隨著智能電纜的發展，光纖的用途也將會越來越多。

4.2由于光纖在電纜中敷設的位置不同，也使得兩種光纖復合電纜系統具有不同的優缺點。運營部門可以根據自己的需要，找到適合自己使用的敷設方式。

4.3隨著光纖復合電纜越來越廣泛的應用，在進行光纖電纜熔接時一定要細致、耐心。按工藝要求來施工，降低光纖衰減、避免事故的發生。

參考文獻

[1] 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.

[2] 王國忠.海底光纖復合電力電纜的開發[J].電線電纜,2005.

[3] 羅俊華,周作春,李華春.電力電纜線路運行溫度在線監測技術應用研究[J].高電壓技術,2007.