光纖在高壓電纜中的應(yīng)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(shù)據(jù)傳輸，以及監(jiān)測電纜應(yīng)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(yīng)用，敷設(shè)方式、光纖的分布在電纜及附件中的位置，以及光纖接續(xù)的注意事項。

關(guān)鍵詞：光纖復(fù)合；光纖測溫；高壓電纜；光纖熔接

1光纖在高壓電纜中的應(yīng)用

1.1光纖測溫

目前測溫是電纜在線監(jiān)測的研究熱點，大多采用分布式測溫系統(tǒng)。在高壓光纖復(fù)合電纜系統(tǒng)一般采用DTS測溫系統(tǒng)。光纖對整條電纜線路進(jìn)行溫度監(jiān)測有這重要的意義，由于季節(jié)、氣候的變化，電纜敷設(shè)環(huán)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(tǒng)監(jiān)測到。通過對這些測量數(shù)據(jù)的比較和分析，可以評估電纜的動態(tài)載流能力，幫助電纜運營商做出合理的運行策略。與傳統(tǒng)的靜態(tài)的載流量相比，此系統(tǒng)能夠在考慮現(xiàn)場實際環(huán)境條件下計算電纜線路的動態(tài)載流量。對于參與電力市場交易的運營商，應(yīng)用此測溫系統(tǒng)可以獲得更大的收益，同時又無電纜過熱損傷的風(fēng)險。DTS測溫系統(tǒng)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(tǒng)將要出現(xiàn)異常時產(chǎn)生局部高溫監(jiān)測并報警，提醒電力運行部門維護(hù)檢修。

圖1光纖在高壓電纜中測溫數(shù)據(jù)監(jiān)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?，F(xiàn)代OTDR定位方法在通信電纜的應(yīng)用上已經(jīng)有了很好的發(fā)展，且易于使用。標(biāo)準(zhǔn)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(fù)合電纜出現(xiàn)擊穿故障之后的位置判定，相當(dāng)準(zhǔn)確且省時省力。

2光纖在高壓電纜及附件中的敷設(shè)位置

2.1光纖敷設(shè)在高壓電纜金屬護(hù)套內(nèi)部

高壓電纜復(fù)合光纖在我國起步較晚，通常都是光纖敷設(shè)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(jù)經(jīng)驗公式、材料熱阻等因素?fù)Q算成電纜導(dǎo)體上的溫度。間接的實現(xiàn)了對高壓電纜的溫度監(jiān)控。如圖2，此方式的敷設(shè)位置根據(jù)其特點有其優(yōu)缺點：

優(yōu)點：對于電纜的制造工藝相對簡單，光纖在敷設(shè)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(zhuǎn)換成電纜導(dǎo)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(jiān)測到電纜系統(tǒng)的故障及準(zhǔn)確位置。該敷設(shè)條件的光纖不能測試電纜系統(tǒng)中電纜附件的溫度。

2.2光纖敷設(shè)在高壓電纜導(dǎo)體內(nèi)部

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

優(yōu)點：該敷設(shè)方式使得光纖直接接觸電纜導(dǎo)體，時時精準(zhǔn)的測試出電纜導(dǎo)體的溫度。及時有效的反應(yīng)當(dāng)前時間內(nèi)電纜系統(tǒng)的運行狀態(tài)?？梢詾檫\營部門提供更為快捷準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考。同時對于出現(xiàn)事故的電力系統(tǒng)定位更加精準(zhǔn)快捷。由于該敷設(shè)位置的特殊，也可以測試電纜系統(tǒng)中電纜附件的溫度。在整個電纜系統(tǒng)中，電纜附件相對電纜本體出現(xiàn)的事故率更高，所以測試電纜附件的狀態(tài)更有意義。

缺點：電纜生產(chǎn)工藝要求難道大，需要很高的技術(shù)水平；光纖接續(xù)困難；對電纜附件要求技術(shù)含量高；電纜附件接續(xù)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(dǎo)體內(nèi)部

3高壓電纜附件光纖接續(xù)注意事項

因為光纖測溫高壓電力電纜的應(yīng)用起步比較晚，現(xiàn)在市場上運行的線路也相對較少。所以在進(jìn)行電纜附件安裝時，人們?nèi)菀缀雎缘焦饫w熔接的注意事項。光纖熔接是整個電纜系統(tǒng)安裝敷設(shè)過程中一項非常重要的關(guān)節(jié)，一旦忽略關(guān)鍵點或者不專業(yè)的安裝熔接，會造成相當(dāng)嚴(yán)重的后果。

3.1光纖熔接對整個電纜系統(tǒng)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(chǎn)生交變的磁場。磁場產(chǎn)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(chǎn)生感應(yīng)電動勢。對于電纜線路特別長的項目來說，高壓電纜金屬護(hù)套上的感應(yīng)電壓就是特別大，會造成對電纜外護(hù)套的損壞。所以我們在設(shè)計線路時，為了降低金屬護(hù)套的感應(yīng)電纜，采用交叉換位（交叉互聯(lián)）的接地方式。

對于短段線路的電纜系統(tǒng)來說，我們采用一點直接接地，一端經(jīng)保護(hù)器接地的方式進(jìn)行。這樣防止多點接地造成環(huán)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(yīng)電壓。而敷設(shè)在金屬護(hù)套內(nèi)的光纖的金屬鎧裝層與電纜的金屬護(hù)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(jìn)行裸光纖的熔接。一定不要將兩段電纜的金屬護(hù)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(chǎn)生環(huán)流；或者形成閉合磁路，產(chǎn)生渦流。燒壞電纜外護(hù)套甚至金屬護(hù)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(hù)套，使之降低感應(yīng)電壓，一些不專業(yè)的施工人員或者光纖熔接人員不經(jīng)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(hù)套等電位，一旦將光纖鎧裝引出終端外部，會造成電纜系統(tǒng)多點接地，也會造成電纜系統(tǒng)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(zhì)的套管保護(hù)好在引出進(jìn)行熔接。

3.2內(nèi)置光纖的衰減對電纜系統(tǒng)的影響

因為內(nèi)置光纖電纜在電纜生產(chǎn)、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(dǎo)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(zhǔn)確。而高壓電纜一旦安裝敷設(shè)完投入運行，衰減大或者斷了的光纖就無法修復(fù)。所以在做光纖熔接之前，必須要對電纜中的光纖進(jìn)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(jìn)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(fù)合電纜在運行中的光纖測溫功能。

一般OTDR測試會有區(qū)別，但這種區(qū)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?，F(xiàn)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(jìn)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(yīng)用在高壓電力電纜內(nèi)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(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。

4結(jié)論

4.1光纖越來越多的應(yīng)用于電纜行業(yè)中，其主要作用為測溫、故障定位、數(shù)據(jù)傳輸，以及探測電纜應(yīng)變、振動和電纜路由變化等。目前國內(nèi)仍以光纖測溫為主；隨著智能電纜的發(fā)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(shè)的位置不同，也使得兩種光纖復(fù)合電纜系統(tǒng)具有不同的優(yōu)缺點。運營部門可以根據(jù)自己的需要，找到適合自己使用的敷設(shè)方式。

4.3隨著光纖復(fù)合電纜越來越廣泛的應(yīng)用，在進(jìn)行光纖電纜熔接時一定要細(xì)致、耐心。按工藝要求來施工，降低光纖衰減、避免事故的發(fā)生。

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