10 kV配電網(wǎng)智能電纜的研發(fā)

陳 鋼， 鄧聲華， 劉和平， 黎照銘， 黃寶俊， 馬 仲， 陳浩然， 劉澤華

（廣州嶺南電纜股份有限公司，廣東廣州511400）

0 引言

近些年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加速和城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推進(jìn)，國(guó)家加快了配電網(wǎng)的建設(shè)，10 kV電力電纜的覆蓋率和資產(chǎn)規(guī)模正在以空前的速度增加，為保證龐大網(wǎng)路安全、可靠和智能地運(yùn)行，人工巡檢方法和常規(guī)的監(jiān)測(cè)設(shè)備已經(jīng)無(wú)法勝任。因此，如何充分、合理地發(fā)揮電纜的傳輸能力，如何對(duì)電纜運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)成為城市電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要課題。電纜載流量是基于IEC 60287標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得來(lái)的，與實(shí)際運(yùn)行情況有很大差別，電纜載流過(guò)高，運(yùn)行溫度超過(guò)允許值，會(huì)加速絕緣老化，影響電纜壽命；電纜載流過(guò)低，將造成資源浪費(fèi)。

為滿足配電網(wǎng)運(yùn)維管理的需求，一些新型的傳感檢測(cè)設(shè)備被開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于10 kV電力電纜的在線監(jiān)測(cè)，如分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)（DTS），主要用于電纜運(yùn)行溫度、應(yīng)力及故障監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)載流量調(diào)節(jié)。

1 智能電網(wǎng)概述

智能電網(wǎng)就是電網(wǎng)的智能化，也被稱為“電網(wǎng)2.0”，它是建立在集成、高速、雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，以各種發(fā)電設(shè)備、輸配電設(shè)備、用電設(shè)備和儲(chǔ)能設(shè)備的物理電網(wǎng)為基礎(chǔ)，將現(xiàn)代先進(jìn)的傳感器測(cè)量技術(shù)、通訊技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和決策支持系統(tǒng)技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成而形成的新型電網(wǎng)。

新型光纖傳感器具有絕緣、抗電磁干擾、耐高電壓、耐化學(xué)腐蝕、安全等特點(diǎn)，成為目前傳感領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。新型光纖傳感器可沿光纖路徑上獲得被測(cè)量時(shí)間和空間的分布信息，具有長(zhǎng)距離傳輸和分布式監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、變電站和輸電線路進(jìn)行電壓、電流、溫度、應(yīng)變、局部放電量等物理量的監(jiān)測(cè)，是有效解決電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，是智能電網(wǎng)的堅(jiān)強(qiáng)技術(shù)支撐。

2 配電網(wǎng)智能電纜的特點(diǎn)

依據(jù)智能電網(wǎng)技術(shù)需求開(kāi)發(fā)的配電網(wǎng)智能電纜，就是在電纜導(dǎo)體內(nèi)植入新型光纖傳感器單元，通過(guò)與測(cè)控設(shè)備組合形成智能電纜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電纜運(yùn)行動(dòng)態(tài)測(cè)控、智能化運(yùn)維管理、動(dòng)態(tài)增容、狀態(tài)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等功能，并提升運(yùn)維管理效率，有效保證供電的可靠性。

與傳統(tǒng)電纜相比，配電網(wǎng)智能電纜具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用新型光纖傳感器，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)傳感技術(shù)的不足，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：①光纖傳感器既是信號(hào)的傳輸介質(zhì)，又是敏感的傳感元件，具有靈敏度高，響應(yīng)速度快，與電子系統(tǒng)易兼容，可實(shí)現(xiàn)“傳輸”和“傳感”合二為一等優(yōu)點(diǎn)。②具有無(wú)源特性，可實(shí)現(xiàn)不帶電遠(yuǎn)距離測(cè)量，解決了有源傳感器植入電纜無(wú)法取電的技術(shù)缺陷，并且不存在過(guò)電壓?jiǎn)栴}，不存在漏電和電擊危險(xiǎn)，具有良好的安全性。③具有分布式特點(diǎn)，可沿電纜長(zhǎng)度方向分布式布置，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離連續(xù)監(jiān)測(cè)，可探測(cè)出沿著電纜長(zhǎng)度方向不同位置的物理量，如溫度、應(yīng)變等，實(shí)現(xiàn)真正意義的分布式監(jiān)控功能。④新型光纖傳感器不受電磁波干擾影響，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

（2）新型光纖傳感器直接植入電纜導(dǎo)體，可更直接、更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)電纜運(yùn)行的各項(xiàng)物理量。

（3）隨著新型光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，為產(chǎn)品的升級(jí)開(kāi)發(fā)帶來(lái)了無(wú)限可能。

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

3.1 技術(shù)路線

配電網(wǎng)智能電纜開(kāi)發(fā)的依據(jù)是基于光時(shí)域反射技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種新型光纖傳感器，其核心技術(shù)是在電纜導(dǎo)體內(nèi)植入新型光纖傳感器單元，實(shí)現(xiàn)在線分布式測(cè)控功能。

3.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)智能電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依據(jù)GB／T 12706.2，并在每芯導(dǎo)體中心植入新型光纖傳感器單元，纜芯之間植入了通訊光纜單元［1］，電纜型號(hào)為SG-YJV22 8.7／15 3×300的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)

3.3.1 配電網(wǎng)智能電纜的使用特性

（1）導(dǎo)體最高長(zhǎng)期工作溫度：90℃；

（2）短路時(shí)（持續(xù)最長(zhǎng)為5 s）溫度：250℃；

（3）電纜最小允許彎曲半徑：12D（D為電纜外徑）。

3.3.2 測(cè)控主機(jī)技術(shù)參數(shù)

測(cè)控主機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 測(cè)控主機(jī)技術(shù)參數(shù)

3.3.3 新型光纖傳感器性能設(shè)計(jì)

（1）新型光纖傳感器直接植入電纜導(dǎo)體，其性能必須滿足導(dǎo)體最高長(zhǎng)期工作溫度90℃和短路時(shí)（持續(xù)最長(zhǎng)為5 s）溫度250℃的要求［2］。常規(guī)光纖長(zhǎng)期工作溫度為-40℃至85℃，不滿足要求，因此新型光纖傳感器設(shè)計(jì)選用一種特種光纖，其長(zhǎng)期工作溫度為-40℃至150℃。

（2）新型光纖傳感器應(yīng)與測(cè)控主機(jī)技術(shù)參數(shù)相匹配，其設(shè)計(jì)選用型號(hào)為 GI 62.5／125（A1b）的多模光纖。

（3）新型光纖傳感器應(yīng)滿足電纜最小允許彎曲半徑的要求，且應(yīng)保證在電纜加工及施工過(guò)程中新型光纖傳感器可承受一定的拉伸力和壓扁力，因此新型光纖傳感器設(shè)計(jì)采用了松套光纜，護(hù)層采用了不銹鋼螺旋管和不銹鋼編織網(wǎng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

（4）新型光纖傳感器主要性能見(jiàn)表2。

表2 新型光纖傳感器主要性能指標(biāo)

4 新型光纖傳感器性能驗(yàn)證

4.1 耐溫性能驗(yàn)證

（1）長(zhǎng)期工作溫度驗(yàn)證

新型光纖傳感器選用一種特種光纖，按GB／T 15972.52通過(guò)了-40℃至150℃的溫度循環(huán)試驗(yàn)，驗(yàn)證了其長(zhǎng)期最高工作溫度可達(dá)150℃，滿足電纜導(dǎo)體最高長(zhǎng)期工作溫度90℃的要求。

（2）耐高溫性能驗(yàn)證

將新型光纖傳感器整盤放入烘箱，如圖2所示，分別加熱 150 ℃、2 h，200 ℃、2 h，250 ℃、2 h，然后冷卻至常溫，測(cè)量各種條件下光纖衰減數(shù)值，以驗(yàn)證新型光纖傳感器是否滿足電纜短路時(shí)250℃（5 s）的要求。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3。250℃、2 h光纖衰減OTDR測(cè)試曲線如圖3。

圖2 烘箱加熱試驗(yàn)

表3 耐高溫性能驗(yàn)證數(shù)據(jù)

圖3 光纖衰減OTDR測(cè)試曲線

由表3可知，新型光纖傳感器在短時(shí)內(nèi)耐受250℃，光纖衰減滿足表2要求，驗(yàn)證了新型光纖傳感器可滿足電纜短路時(shí)250℃（5 s）的要求。

4.2 允許拉伸力驗(yàn)證

取3段試樣，每段50 m，用微電腦拉力機(jī)逐級(jí)進(jìn)行拉力試驗(yàn)，拉伸速率為100 mm／min，并用光功率計(jì)測(cè)量附加損耗，如圖4。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4、表5。

圖4 拉力試驗(yàn)

表4 承受拉伸力試驗(yàn)數(shù)據(jù)（長(zhǎng)期200 N、5 min；測(cè)試波長(zhǎng)1 300 nm） （單位：dB）

新型光纖傳感器允許拉伸力要求：長(zhǎng)期200 N、保持5 min，附加損耗≤0.03 dB；短期300 N，保持1 min，附加損耗≤0.1 dB。

由表4可知，新型光纖傳感器承受長(zhǎng)期允許拉伸力200 N、5 min，光纖附加損耗≤0.03 dB，符合設(shè)計(jì)要求。

表5 承受拉伸力試驗(yàn)數(shù)據(jù)（短期300 N、1 min；測(cè)定波長(zhǎng)1 300 nm） （單位：dB）

由表5可知，新型光纖傳感器承受短期允許拉伸力300 N、1 min，光纖附加損耗≤0.1 dB，符合設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)證明新型光纖傳感器拉伸力達(dá)700 N時(shí)，仍符合設(shè)計(jì)要求；拉伸力大于700 N出現(xiàn)斷裂，并出現(xiàn)較大附加損耗。

4.3 允許壓扁力驗(yàn)證

取3段試樣，每段50 m，用壓力裝置進(jìn)行試驗(yàn)，并用光功率計(jì)測(cè)量附加損耗，如圖5。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

新型光纖傳感器允許壓扁力的要求：長(zhǎng)期3 000 N／10 cm，保持 5 min，附加損耗≤0.03 dB；短期4 000 N／10cm，保持 1 min，附加損耗≤0.1 dB。試驗(yàn)后光纖傳感器應(yīng)無(wú)目視可見(jiàn)的開(kāi)裂。

圖5 壓力試驗(yàn)

表6 承受壓扁力試驗(yàn)數(shù)據(jù)（單位：dB）

由表6可知，新型光纖傳感器承受允許壓扁力：長(zhǎng)期 3 000 N／10 cm，保持 5 min；短期 4 000 N／10 cm，保持1 min，未產(chǎn)生較大的附加損耗，且無(wú)目視可見(jiàn)的開(kāi)裂，符合設(shè)計(jì)要求。

5 配電網(wǎng)智能電纜性能驗(yàn)證

5.1 彎曲特性驗(yàn)證

5.1.1 電纜彎曲試驗(yàn)

電纜型號(hào)規(guī)格為SG-YJV22 8.7／15 3×300，導(dǎo)體直徑為 22.0 mm，電纜外徑為 93.5 mm，按 GB／T 12 706.2規(guī)定彎曲試驗(yàn)的圓筒直徑應(yīng)不大于15（d+D）×（1+5%），經(jīng)計(jì)算以圓筒直徑1 700 mm為試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，分別在 1 500，1 300，1 100，900 mm等不同直徑的圓柱體上進(jìn)行彎曲試驗(yàn)（正、反彎曲各1次計(jì)1次循環(huán)），隨后在1 300 nm波長(zhǎng)下測(cè)試光纖衰減，以驗(yàn)證配電網(wǎng)智能電纜的彎曲性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表7可知，配電網(wǎng)智能電纜的彎曲性能滿足GB／T 12706.2的要求。

按GB／T 3048.12進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，在1.73U0條件下，未檢測(cè)到超過(guò)試驗(yàn)靈敏度（3.8 pC）的放電。

5.1.2 電纜運(yùn)行時(shí)允許彎曲半徑驗(yàn)證

在不同彎曲半徑下，在導(dǎo)體上通以電流加熱，直至溫度超過(guò)導(dǎo)體最高溫度5～10 K，并在溫度穩(wěn)定48 h后，在1 300 nm波長(zhǎng)下測(cè)試光纖衰減，以驗(yàn)證配電網(wǎng)智能電纜運(yùn)行時(shí)的允許彎曲半徑，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 運(yùn)行允許彎曲半徑驗(yàn)證結(jié)果

由表8可知，在不同彎曲半徑下（最小450 mm）通以電流，加熱，光纖特性未發(fā)生明顯變化，且電纜未發(fā)生任何局部放電，證明配電網(wǎng)智能電纜運(yùn)行時(shí)允許彎曲半徑滿足12D（1 122 mm）的要求。

在92.9℃高溫下按GB／T 3048.12進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，在1.73U0下，未檢測(cè)到超過(guò)（3.2 pC）靈敏度的放電。

5.1.3 電纜安裝時(shí)允許彎曲半徑驗(yàn)證

在不同彎曲半徑（R）下，用鋼絲網(wǎng)套牽引，施加電纜允許最大牽引力（T），此時(shí)，電纜承受的側(cè)壓力P＝T／R。在1 300 nm波長(zhǎng)下測(cè)試光纖衰減，以驗(yàn)證配電網(wǎng)智能電纜安裝時(shí)的允許彎曲半徑，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

由表9可知，在不同彎曲半徑下（最小450 mm），施加電纜允許最大牽引力，電纜承受的最大側(cè)壓力達(dá)15.6 kN／m，光纖特性未發(fā)生明顯變化，且電纜未發(fā)生任何局部放電，證明配電網(wǎng)智能電纜安裝時(shí)允許彎曲半徑滿足12D（1 122 mm）的要求。

按GB／T 3048.12進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，在1.73U0下，未檢測(cè)到超過(guò)試驗(yàn)靈敏度（4.4 pC）的放電。

表9 安裝時(shí)允許彎曲半徑驗(yàn)證數(shù)據(jù)

5.2 電纜抗扭轉(zhuǎn)特性驗(yàn)證

在盤式成纜機(jī)上對(duì)電纜進(jìn)行復(fù)繞，采用3150中心放線架放線，放線盤不旋轉(zhuǎn)退扭，通過(guò)牽引和收線左右方向旋轉(zhuǎn)復(fù)繞讓電纜產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，并在1 300 nm波長(zhǎng)下測(cè)試光纖衰減特性，以驗(yàn)證配電網(wǎng)智能電纜的抗扭轉(zhuǎn)特性，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 抗扭轉(zhuǎn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)

由表10可知，配電網(wǎng)智能電纜在發(fā)生嚴(yán)重扭轉(zhuǎn)時(shí)光纖衰減將變大，并出現(xiàn)不連續(xù)點(diǎn)。

5.3 連接管壓接驗(yàn)證

為驗(yàn)證附件安裝時(shí)連接管壓接對(duì)光纖衰減性能的影響，在長(zhǎng)度為1 500 m的配電網(wǎng)智能電纜中間，對(duì)導(dǎo)體連接管按附件安裝要求進(jìn)行壓接，并在1 300 nm波長(zhǎng)下測(cè)試光纖衰減，以驗(yàn)證附件安裝時(shí)，壓接工藝對(duì)光纖衰減的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表11。

由表11可知，在附件安裝時(shí)，導(dǎo)體連接管壓接對(duì)光纖衰減性能不會(huì)造成影響。

5.4 熱循環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證

按GB／T 12706.2進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)，然后在1 300 nm波長(zhǎng)下測(cè)試光纖衰減，以驗(yàn)證配電網(wǎng)智能電纜是否滿足熱循環(huán)試驗(yàn)要求，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表12。

由表12可知，配電網(wǎng)智能電纜滿足 GB／T 12706.2規(guī)定的熱循環(huán)試驗(yàn)要求。

表11 連接管壓接驗(yàn)證數(shù)據(jù)

表12 熱循環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)

在高溫（90～95℃）下按GB／T 3048.12進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，在1.73U0下，未檢測(cè)到超過(guò)試驗(yàn)靈敏度（3.8 pC）的放電。

5.5 沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證

按 GB／T 12706.2進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，然后在1 300 nm波長(zhǎng)下測(cè)試光纖衰減特性，以驗(yàn)證配電網(wǎng)智能電纜是否滿足沖擊試驗(yàn)要求，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表13。

表13 沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

由表13可知，配電網(wǎng)智能電纜滿足 GB／T 12706.2規(guī)定的沖擊試驗(yàn)要求。

沖擊試驗(yàn)后，按工頻2.5U0、15 min進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，絕緣未發(fā)生擊穿。

6 結(jié)束語(yǔ)

本工作介紹了配電網(wǎng)智能電纜和基于光時(shí)域反射技術(shù)新型光纖傳感器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵性能的驗(yàn)證和第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行的電纜系統(tǒng)型式試驗(yàn)，結(jié)論如下：

（1）新型光纖傳感器植入電纜導(dǎo)體具有可行性，并可更直接、更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)電纜運(yùn)行的各項(xiàng)物理量。具有靈敏度高、響應(yīng)速率快、無(wú)源、分布式、不受電磁波干擾等特點(diǎn)，解決了有源傳感器植入電纜本體無(wú)法取電的技術(shù)缺陷。

（2）新型光纖傳感器滿足電纜導(dǎo)體最高長(zhǎng)期工作溫度90℃，短路時(shí)250℃（5 s）的使用特性要求。其允許拉伸力和允許壓扁力符合設(shè)計(jì)要求，為電纜的生產(chǎn)加工提供了保障。

（3）配電網(wǎng)智能電纜的彎曲試驗(yàn)滿足 GB／T 12706.2的要求，運(yùn)行和安裝時(shí)允許彎曲半徑滿足12D的要求，并滿足GB／T 12706.2規(guī)定的熱循環(huán)和沖擊試驗(yàn)的要求。

（4）配電網(wǎng)智能電纜在發(fā)生嚴(yán)重扭轉(zhuǎn)時(shí)光纖衰減將變大，并出現(xiàn)不連續(xù)點(diǎn)，在施工過(guò)程中為避免電纜發(fā)生扭轉(zhuǎn)，應(yīng)加裝消扭器。

（5）電纜附件連接管安裝可直接采用壓接方式，但要控制壓縮量。