10 kV智能光纖復(fù)合電纜技術(shù)研究與測試驗(yàn)證

葉亮，阮永麗，丁科宇

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，昆明 650011）

0 前言

近年來，在泛電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的背景下，我國城市輸配電電纜線路發(fā)展迅速，電力電纜使用數(shù)量逐年增長，成為輸配電網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分。電力電纜因其具有良好的電氣性能、敷設(shè)容易、運(yùn)行維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，但是電纜故障也不可避免。

由于電力電纜敷設(shè)主要采用電纜隧道、電纜溝或電纜管道敷設(shè)的方式，具有敷設(shè)距離長、空間狹小、電纜接頭多、環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)也為電纜故障埋下了安全隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國發(fā)生火災(zāi)中因電氣原因引發(fā)的數(shù)量為31933起，占火災(zāi)總數(shù)的26.1%，其中因電纜線路引起的火災(zāi)占整個電氣火災(zāi)數(shù)量的50%以上。

因此，從提高電纜線路安全穩(wěn)定運(yùn)行和防止發(fā)生故障的角度出發(fā)，需要對電纜線路進(jìn)行在線監(jiān)測，而對電纜進(jìn)行監(jiān)測最有效的手段是對其進(jìn)行溫度監(jiān)測，盡早的發(fā)現(xiàn)電纜中存在的故障以及對故障點(diǎn)的準(zhǔn)確定位對電力運(yùn)行具有重要意義。

1 現(xiàn)狀分析

從提高電纜線路安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，防止發(fā)生嚴(yán)重故障的角度出發(fā)，需要對電纜線路進(jìn)行在線監(jiān)測；從實(shí)現(xiàn)動態(tài)增容的角度也需要對電纜運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。近年來有較多的大學(xué)、研究院所、供電公司都在開展電纜運(yùn)行溫度監(jiān)測方面的研究與應(yīng)用。國網(wǎng)與電纜分布式光纖測溫相關(guān)的論文[1-3]講了三種方法：

1）采用的測溫方式為沿電纜表層敷設(shè)，膠皮進(jìn)行綁扎固定，實(shí)現(xiàn)電纜表層溫度監(jiān)測。

2）采用將測溫光纖置于絕緣線芯和金屬護(hù)套之間的半導(dǎo)電緩沖層中的方式，實(shí)現(xiàn)高壓電力電纜緩沖層的溫度監(jiān)測。

3）利用 Brillouin 光時域反射測溫技術(shù)，將感溫光纖分別植入110 kV交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜的導(dǎo)體中央、絕緣屏蔽層表面和阻水帶中央，實(shí)現(xiàn)了電力電纜的溫度監(jiān)測。

另外，還有將光纖置與電纜外護(hù)套或金屬護(hù)套內(nèi)壁[4-5]。文獻(xiàn)[6]將光纖置于電纜鎧裝層中，但測溫光纖與導(dǎo)體之間仍然間隔著護(hù)套、絕緣層等多層結(jié)構(gòu)，在單芯電纜外表面布置光纖的方法區(qū)別不大。

以上研究均采用分布式光纖測溫的方式實(shí)現(xiàn)高壓電力電纜的溫度檢測，但還沒有針對10 kV電纜的光纖復(fù)合電纜的設(shè)計(jì)和研究。本文即采用分布式光纖測溫技術(shù)、光纖復(fù)合電纜技術(shù)、電纜載流量動態(tài)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)10 kV智能光纖復(fù)合電纜設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的智能化、測溫實(shí)時化和電纜溫度狀態(tài)可視化，實(shí)現(xiàn)電纜狀態(tài)的自主快速感知和故障預(yù)警。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 內(nèi)置光纜設(shè)計(jì)

目前電力電纜測溫所采用的外置測溫光纖或者高壓電力電纜內(nèi)置測溫光纖多采用螺旋鎧裝測溫光纖、不銹鋼管測溫光纖，由于為金屬材料，會影響電纜的電場和磁場分布狀況；或者采用非磁性金屬材料，但測溫光纜的成本會大幅增加。本次內(nèi)置光纜設(shè)計(jì)為非金屬測溫光纜，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 內(nèi)置測溫光纜結(jié)構(gòu)圖

內(nèi)置測溫光纜結(jié)構(gòu)主要有4部分組成，1為光纜外護(hù)套，使用低壓無鹵LZSH材質(zhì)；2為耐高溫加強(qiáng)管，提高耐高溫性能和抗拉抗壓性能，可以耐100℃高溫；1和2中間加入Kevlar以提高抗拉能力；3和4為0.9 mm緊包光纖，可以為測溫光纖，也可是振動光纖，根據(jù)情況定制。

2.2 智能光纖復(fù)合電纜設(shè)計(jì)

10 kV智能光纖復(fù)合電纜采用圖2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其外護(hù)套、繞包層、填充層絕緣層和導(dǎo)體均和普通電纜相同，不同的是在其中心嵌入一根內(nèi)置測溫光纜，測溫光纜的纖芯可以使用測溫光纖實(shí)現(xiàn)電纜內(nèi)部溫度監(jiān)測；也可以使用振動光纖實(shí)現(xiàn)電纜周界環(huán)境挖掘監(jiān)測。

圖2 智能光纖復(fù)合電纜結(jié)構(gòu)圖

通過10 kV智能光纖復(fù)合電纜嵌入測溫光纜，實(shí)現(xiàn)了電纜運(yùn)行的本體溫度狀態(tài)監(jiān)測、溫升變化監(jiān)測、溫度異常狀態(tài)監(jiān)測和故障定位；由此使電纜具有了自我感知和自我診斷的功能，同時提供故障定位，減少運(yùn)維工作量，實(shí)現(xiàn)電纜的智能化。

另外，10 kV智能光纖復(fù)合電纜嵌入振動光纜，可以實(shí)現(xiàn)電纜附近的振動在線監(jiān)測，可以防止施工誤挖電纜，實(shí)現(xiàn)電纜的自我保護(hù)。

其他，也可以嵌入通信光纜，實(shí)現(xiàn)電纜光纖到戶，避免重復(fù)建設(shè)、重復(fù)開挖，并解決電力數(shù)據(jù)傳輸最后一公里的通信問題。

2.3 分布式光纖測溫系統(tǒng)

10 kV智能光纖復(fù)合電纜測試所采用的分布式光纖測溫系統(tǒng)為采用高精度分布式光纖測溫系統(tǒng)，主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 主要性能指標(biāo)

該分布式光纖測溫系統(tǒng)具有如下功能：

1）分布式測溫功能，采樣間隔0.2米，10公里電纜上具有5萬個溫度點(diǎn)，使電纜本體成為了一個溫度計(jì)；

2）故障精確定位功能，采樣間隔0.2米，定位精度±0.2米，故障的定位偏差為0.2米，可以精確定位故障位置，減少運(yùn)維工作量；

3）測溫精度高，溫度精度為±0.5℃，為溫度異常變化提供精確比對；

4）報(bào)警功能多樣化，定溫報(bào)警、差溫報(bào)警、溫升報(bào)警、最大溫度超限報(bào)警；

5）歷史報(bào)警查詢功能、溫度曲線回放功能、異常溫度溫度回放功能。

3 可視化設(shè)計(jì)

結(jié)合GIS地圖實(shí)現(xiàn)電纜隧道、電纜溝、電纜排管和埋地電纜的可視化重構(gòu)。對于新建電纜技術(shù)資料齊全，結(jié)合CAD圖實(shí)現(xiàn)電纜與GIS地圖的匹配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)新建電纜的可視化。但可視化重構(gòu)的重點(diǎn)是原有的老舊電纜，缺少技術(shù)資料，電纜運(yùn)行時間長，安全隱患多，可視化重構(gòu)難度大，需要使用金屬探測結(jié)合GPS定位儀的方式實(shí)現(xiàn)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)所需設(shè)備有高精度分布式光纖測溫系統(tǒng)一套、10 kV智能光纖復(fù)合電纜（3*240mm2）300米、內(nèi)嵌測溫光纜100米、熱電偶溫度傳感器5套。試驗(yàn)環(huán)境為電纜直埋、電纜溝、架空、穿管、隧道，用于驗(yàn)證10 kV智能光纖復(fù)合電纜各種施工工況的測溫準(zhǔn)確性；空氣中光纜用于測試驗(yàn)證故障定位的準(zhǔn)確性。

根據(jù)10 kV智能光纖復(fù)合電纜的額定電流500 A，設(shè)計(jì)試驗(yàn)電流分別為額定電流的60 %、80 %、100 %、和110 %，分別對應(yīng)的試驗(yàn)電流為300 A、400 A、500 A和550 A。

4.2 試驗(yàn)分析

光纖測溫為內(nèi)置測溫光纜，熱電偶測量導(dǎo)體溫度。試驗(yàn)電流按照300 A、400 A、500 A和550 A的電流逐級增加，每級試驗(yàn)電流穩(wěn)定四小時后記錄數(shù)據(jù)。

4.2.1 溫度精度分析

對10 kV智能光纖負(fù)荷電纜的測溫精度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從數(shù)據(jù)可以看出，300 A電流對應(yīng)的最大正溫度偏差為0.35℃，最大負(fù)溫度偏差為-0.22℃；400 A電流對應(yīng)的最大正溫度偏差為0.35℃，最大負(fù)溫度偏差為-0.44℃；500 A電流對應(yīng)的最大正溫度偏差為0.36℃，最大負(fù)溫度偏差為-0.24℃；550 A電流對應(yīng)的最大正溫度偏差為0.36℃，最大負(fù)溫度偏差為-0.32℃。可見，采用內(nèi)置測溫光纖的方式實(shí)現(xiàn)電纜本地測溫的最大正溫度偏差為0.36℃，最大負(fù)溫度偏差為-0.44℃。因此，與外置測溫光纖，采用內(nèi)置測溫光纜的方式可以準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)電纜本體的溫度監(jiān)測。

4.2.2 不同工況下電纜溫度分析

為了有效分析不同施工工況和不同電流情況對電纜本體溫度的影響，整理表2和圖3如下。

表2 不同施工工況下的溫度值

圖3 不同施工工況下的溫度折線圖

4.2.2.1 在各電流情況下

1）電纜溝內(nèi)的電纜溫度最低，與電纜溝內(nèi)水比熱容大、熱傳導(dǎo)效率高存在著必然聯(lián)系；

2）穿管方式敷設(shè)的電纜溫度最高，與電纜管內(nèi)封閉，空氣流動差存在關(guān)系；

3）架空方式和隧道方式敷設(shè)的電纜溫度差異不大，主要是由于電纜所處環(huán)境條件好，采用空氣傳導(dǎo)的方式散熱；

4）采用直埋的方式，熱傳導(dǎo)方式為土壤，散熱條件好，溫度低。所以，由于熱傳導(dǎo)方式不同、散熱介質(zhì)不同，熱傳導(dǎo)效率也不相同，造成了相同電流情況下，電纜在各種施工工況中的溫度高低不同，基本順序由高到低為穿管、架空（或隧道）、直埋和電纜溝。

4.2.2.2 在同一施工工況下

1）隨著通過電纜的電流增加其電纜溫度有不同程度的增加，但趨勢基本相同；

2）額定電流為500 A的10 kV智能光纖復(fù)合電纜，當(dāng)通過500 A電流時，各工況情況下的溫度均小于80℃，小于交聯(lián)聚乙烯電纜的纜芯最高允許工作溫度；

3）電纜運(yùn)行在1.1倍的額定電流情況下，穿管工況敷設(shè)的電纜纜芯溫度為92.83℃，短時情況下可以工作；可以為搶修、迎峰度夏時，負(fù)荷切換和載流量分析提供實(shí)時在線技術(shù)支撐和保障。

4.2.3 故障定位精度分析

為便于驗(yàn)證溫度異常點(diǎn)發(fā)生時故障點(diǎn)的定位精度，在300米10 kV智能光纖復(fù)合電纜尾部再熔接上100米內(nèi)置測溫光纜。由此整個測溫光纜的總長度為400米，選擇兩個測溫點(diǎn)，根據(jù)光纜米標(biāo)分別選在為320和350米處。將兩個測溫點(diǎn)放入溫度為60℃的恒溫水槽中，測試為準(zhǔn)確位置為320.13米和350.13，然后再將該兩個測溫點(diǎn)反復(fù)至于恒溫水槽中7次，可以看出，定位正偏差最大值為0.2 m，定位負(fù)偏差最大值為-0.2 m。可知，該10 kV智能光纖復(fù)合電纜的故障定位精度為±0.2 m。

5 結(jié)束語

1）通過高精度分布式光纖測溫系統(tǒng)進(jìn)行測溫，該復(fù)合電纜的溫度測量精度可以保證在±0.5℃范圍內(nèi)；

2）在不同負(fù)載電流情況下，可以得出相同的結(jié)論，即不同施工工況情況，溫度傳導(dǎo)介質(zhì)不同，不同工況下的電纜溫度就不同。但所測溫度趨勢基本相同，溫度由高到低為穿管、架空（或隧道）、直埋和電纜溝；

3）在同一施工工況下，電纜運(yùn)行在1.1倍的額定電流情況下，穿管工況敷設(shè)的電纜纜芯溫度為92.83℃，短時情況下可以正常工作，為搶修、迎峰度夏、負(fù)荷切換和載流量分析提供實(shí)時在線技術(shù)支撐和保障；

4）該10 kV智能光纖復(fù)合電纜的故障定位精度為±0.2 m。

因此，該10 kV智能光纖復(fù)合電纜內(nèi)置測溫光纜后，具有實(shí)時、分布式溫度監(jiān)測功能；且測溫精度高、故障定位精確；可以為搶修、迎峰度夏、負(fù)荷切換和載流量分析提供實(shí)時在線技術(shù)支撐和保障。