分割導(dǎo)體內(nèi)預(yù)置測(cè)溫光纖的XLPE電纜及附件的研制及試驗(yàn)

呂庚民，張道利，富成偉，楊黎明，周長(zhǎng)城，吳雪嬌，劉本東

(1.沈陽(yáng)古河電纜有限公司，遼寧 沈陽(yáng)110115;2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430074)

0 引言

電力電纜的運(yùn)行溫度是反映其運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)。隨著分布式光纖傳感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)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(cè)溫光纖對(duì)整個(gè)線路中的電纜進(jìn)行安全運(yùn)行的自動(dòng)監(jiān)控。通過對(duì)電纜溫度的測(cè)量和監(jiān)視可以全面了解其絕緣老化情況、準(zhǔn)確評(píng)估其工作狀態(tài)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)其故障隱患，對(duì)提高電纜運(yùn)行可靠性、減少故障發(fā)生次數(shù)、降低故障損失具有重要意義［1］。

目前，國(guó)內(nèi)外交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電力電纜測(cè)溫光纖的設(shè)置方式都是以不同的方法將光纖設(shè)置在電纜的外表面或金屬護(hù)套內(nèi)電纜絕緣層的表面，通過測(cè)量電纜外表面或絕緣層表面的溫度來計(jì)算電纜導(dǎo)體的溫度。由于受到外界環(huán)境以及電纜絕緣層的影響，幾乎無(wú)法真實(shí)地跟蹤負(fù)載的實(shí)時(shí)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(yīng)被置于盡可能靠近電纜導(dǎo)體的位置來精確地測(cè)量電纜的實(shí)際溫度。但是，為了接近電纜導(dǎo)體而破壞絕緣層的方法是不適用的［2］。

現(xiàn)有的超高壓XLPE絕緣光纖復(fù)合電力電纜不能把測(cè)溫光纖放入電纜導(dǎo)體內(nèi)，故不能準(zhǔn)確測(cè)量電纜導(dǎo)體溫度，無(wú)法滿足對(duì)整個(gè)電纜線路運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)控的要求。

1 電纜及附件的結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)把測(cè)溫光纖設(shè)置于電纜導(dǎo)體內(nèi)，以便準(zhǔn)確地測(cè)量電纜的實(shí)際運(yùn)行溫度，必須解決下述三個(gè)問題:

(1)電纜導(dǎo)體內(nèi)具有放置光纖的穩(wěn)固空間。在電纜導(dǎo)體的成型過程中，將帶有不銹鋼護(hù)套的光纖一同置入導(dǎo)體內(nèi)的穩(wěn)固空間內(nèi)，并且保證電纜后續(xù)制造的各道工序、出廠試驗(yàn)以及在施工現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)中光纖不被損壞;

(2)在附件施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行相鄰兩段電纜連接作業(yè)時(shí)，電纜導(dǎo)體空間內(nèi)的光纖能自由地移動(dòng)，電纜導(dǎo)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(nèi)部，把設(shè)置在導(dǎo)體預(yù)留空間內(nèi)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(nèi)引出到終端外部與DTS測(cè)試系統(tǒng)的光纖連接。

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

1.1 電纜導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

五分割的電纜導(dǎo)體是由五個(gè)相同扇形導(dǎo)體絞合成的圓形導(dǎo)體。在成型后的導(dǎo)體中心，自然形成一個(gè)有效直徑約5 mm的小孔。小孔在電纜導(dǎo)體絞合成型后，形成穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)。在導(dǎo)體絞合時(shí)，將一根 2.0 mm不銹鋼護(hù)套的光纜同時(shí)絞入到導(dǎo)體中心的預(yù)留空間內(nèi)(見圖1)。不銹鋼護(hù)套內(nèi)有兩根耐高溫光纖，并含有填充油膏，光纖的耐溫等級(jí)為300℃。為了避免光纜在進(jìn)入導(dǎo)體中心時(shí)被夾在兩扇形導(dǎo)體單元的縫隙中，光纜通過一個(gè)空心的、前端為錐形的導(dǎo)引芯棒進(jìn)入圓形導(dǎo)體中心的小孔中間。光纜在電纜制造的后續(xù)各工序、出廠試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)過程中不會(huì)被損壞。

1.2 連接盒的結(jié)構(gòu)

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

圖1 導(dǎo)體內(nèi)預(yù)置測(cè)溫光纖的電纜

圖2 電纜導(dǎo)體內(nèi)預(yù)置光纖的電纜接頭

1.3 戶外終端的結(jié)構(gòu)

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

圖3 電纜導(dǎo)體內(nèi)預(yù)置光纖的戶外終端

1.4 GIS終端結(jié)構(gòu)

GIS終端與戶外終端有所不同，GIS終端內(nèi)的應(yīng)力錐與環(huán)氧套管之間一般沒有間隙，應(yīng)力錐外表面與環(huán)氧套管的內(nèi)表面在應(yīng)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(nèi)部無(wú)需填充絕緣油，沒有光纖可以穿過的空間，光纖只能從環(huán)氧套管壁內(nèi)穿過。

在澆注環(huán)氧套管時(shí)，在模具內(nèi)環(huán)氧樹脂填充的空間里設(shè)置一根直徑10 mm的鋼芯從上部電極到下部電極貫穿整個(gè)套管。環(huán)氧樹脂澆注完成，經(jīng)固化成型后，脫掉模具時(shí)將鋼芯抽出。在環(huán)氧套管壁內(nèi)就形成了一個(gè)直徑約10 mm的從上到下貫穿整個(gè)套管的通道。光纖從導(dǎo)體引出棒下端的分割導(dǎo)體相鄰的兩扇形導(dǎo)體單元之間的縫隙中引出，從環(huán)氧套管的上部電極預(yù)留孔穿過環(huán)氧套管壁內(nèi)的通道，再?gòu)南虏侩姌O預(yù)留孔引出。通道內(nèi)填充絕緣油，以保證環(huán)氧套管的絕緣性能(見圖4)。

圖4 電纜導(dǎo)體內(nèi)預(yù)置光纖的GIS終端

2 初期的性能試驗(yàn)

2.1 光纖在絕緣油中的試驗(yàn)

在進(jìn)行絕緣油電性能試驗(yàn)時(shí)，取一小段裸光纖夾在測(cè)試杯兩測(cè)試電極中間，光纖垂直于測(cè)試電極的平面。試驗(yàn)結(jié)果為絕緣油的性能與無(wú)光纖時(shí)相同，光纖的存在對(duì)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(yàn)

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

2.3 光纖連接的可操作性試驗(yàn)

用兩段導(dǎo)體內(nèi)預(yù)置光纖的電纜，在兩段電纜連接時(shí)，被連接的兩段電纜各留出300 mm的余長(zhǎng)，去掉外護(hù)套、金屬護(hù)套、絕緣，露出導(dǎo)體。將分割導(dǎo)體按扇形單元分開，去掉絕緣隔離層，將分割導(dǎo)體中心預(yù)置的帶不銹鋼護(hù)套的光纖從電纜分割導(dǎo)體相鄰兩扇形單元之間的縫隙中引出。將電纜導(dǎo)體的扇形單元按原絞合節(jié)距恢復(fù)成原來形狀，去掉多余的電纜導(dǎo)體。將電纜導(dǎo)體用導(dǎo)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(jī)上進(jìn)行光纖熔接，套上接頭保護(hù)管。整個(gè)過程在完全模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況下進(jìn)行，可以確定此方案在現(xiàn)場(chǎng)施工中具有可行性。

3 預(yù)鑒定試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的安裝

預(yù)鑒定試驗(yàn)線路由220 kV、1×2 500 mm2分割導(dǎo)體內(nèi)預(yù)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(yù)制接頭1套;組合預(yù)制接頭1套組成。

試驗(yàn)回路的電纜敷設(shè)方式為地下直埋、地下穿管和隧道敷設(shè)。模擬回路由220 kV、1×2 500 mm2分割導(dǎo)體內(nèi)預(yù)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(dǎo)體連接成閉合回路。兩段電纜的導(dǎo)體表面分別設(shè)置測(cè)量導(dǎo)體表面溫度的熱電偶。

3.1 整體預(yù)制接頭的安裝

按2.3節(jié)所述的方法對(duì)被連接的兩段電纜進(jìn)行處理，電纜導(dǎo)體用導(dǎo)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(dǎo)體的壓接

在連接管表面扣上兩個(gè)半圓形的金屬光纖接頭盒，并將光纖接頭盒與電纜導(dǎo)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(jī)上進(jìn)行光纖熔接。然后將光纖接頭保護(hù)管固定在接頭盒上，再將余長(zhǎng)的光纖規(guī)整地盤在接頭盒上并固定，盤纖時(shí)要注意光纖的彎曲半徑應(yīng)滿足光纖允許的彎曲半徑?？凵辖宇^盒兩個(gè)半圓形的金屬保護(hù)蓋，并使保護(hù)蓋與接頭盒等電位連接。在保護(hù)蓋外繞包2層半導(dǎo)電帶，光纖連接工作結(jié)束(見圖6)。

圖6 接頭中光纖連接后的固定和保護(hù)

3.2 GIS終端的安裝

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

圖7 GIS終端光纖從環(huán)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(shí)電纜的預(yù)留長(zhǎng)度為1.2倍的終端套管高度。按上述相同的方法將預(yù)置在電纜導(dǎo)體中心的光纖引出，然后進(jìn)行電纜導(dǎo)體引出棒的壓接。安裝完應(yīng)力錐后，將已去掉不銹鋼護(hù)套的裸光纖從導(dǎo)體引出棒下端沿電纜絕緣表面向下，從套管下密封板預(yù)留孔引出到終端外，對(duì)引出口處光纖加以保護(hù)和密封(見圖8)。

4 溫度監(jiān)測(cè)

4.1 測(cè)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(dǎo)體內(nèi)的預(yù)置光纖從一側(cè)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(cè)溫系統(tǒng)連接，形成一個(gè)溫度測(cè)試回路(見圖9)。

圖9 試驗(yàn)回路、模擬回路示意圖

4.2 導(dǎo)體溫度的測(cè)試

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

圖10 試驗(yàn)回路直埋段電纜導(dǎo)體的各點(diǎn)溫度

4.3 溫升曲線的繪制

2011年10月22 日對(duì)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(cè)量的電纜導(dǎo)體溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，與試驗(yàn)回路隧道中、地下穿管中敷設(shè)的電纜導(dǎo)體內(nèi)光纖測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并繪制出電纜導(dǎo)體的溫升曲線(見圖11)。通過記錄數(shù)據(jù)和溫升曲線可以看出，預(yù)置在電纜導(dǎo)體中心的光纖測(cè)得的試驗(yàn)回路中電纜導(dǎo)體的溫度與模擬回路中設(shè)置在電纜導(dǎo)體表面熱電偶所測(cè)得的溫度保持了很好的同步性和一致性。

圖11 電纜導(dǎo)體溫升曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)在分割導(dǎo)體內(nèi)預(yù)置測(cè)溫光纖的電纜及附件的、初期電性能試驗(yàn)和模擬安裝試驗(yàn)，證明完全可以實(shí)現(xiàn)把測(cè)溫光纖設(shè)置于電纜導(dǎo)體內(nèi)，準(zhǔn)確地測(cè)量電纜的實(shí)際運(yùn)行溫度。2012年5月，預(yù)鑒定試驗(yàn)全部結(jié)束。DTS系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)記錄了整個(gè)試驗(yàn)過程各部分電纜導(dǎo)體溫度的全部數(shù)據(jù)。光纖分布式溫度傳感器能對(duì)電力系統(tǒng)中的高壓電纜進(jìn)行全線的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)。將測(cè)溫光纖預(yù)置在電纜導(dǎo)體內(nèi)，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)電纜導(dǎo)體的溫度，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的負(fù)載能力、電網(wǎng)短期超負(fù)荷能力的實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)行負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)調(diào)配。在不超過電纜允許運(yùn)行溫度的情況下，最大限度地發(fā)揮整個(gè)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(cè)溫系統(tǒng)的工程及應(yīng)用［C］//電力電纜狀態(tài)檢修技術(shù)交流會(huì)論文集.2010.

［2］陳 軍，李永麗.應(yīng)用于高壓電纜的光纖分布式溫度傳感新技術(shù)［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2005(3):47-49.

［3］張振鵬，趙健康，楊 峰，等.電力電纜線路應(yīng)急負(fù)荷仿真計(jì)算及試驗(yàn)研究［C］//電力電纜狀態(tài)檢修技術(shù)交流會(huì)論文集.2010.