10kV智能光纖復(fù)合電纜技術(shù)研究與測試驗證

葉亮 阮永麗 丁科宇

摘?要：在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的背景下，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)，實現(xiàn)10kV智能光纖復(fù)合電纜設(shè)計和驗證，實現(xiàn)配電網(wǎng)的智能化、測溫實時化和電纜溫度狀態(tài)可視化，實現(xiàn)電纜狀態(tài)的自主快速感知和故障預(yù)警。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng);光纖傳感;復(fù)合電纜

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 內(nèi)置光纜設(shè)計

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)計為非金屬測溫光纜，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

內(nèi)置測溫光纜結(jié)構(gòu)主要有4部分組成，1為光纜外護套，使用低壓無鹵LZSH材質(zhì);2為耐高溫加強管，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以提高抗拉能力能;3和4為0.9mm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。

1.2 智能光纖復(fù)合電纜設(shè)計

10kV智能光纖復(fù)合電纜采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其外護套、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現(xiàn)電纜內(nèi)部溫度監(jiān)測;也可以使用振動光纖實現(xiàn)電纜周界環(huán)境挖掘監(jiān)測。通過10kV智能光纖復(fù)合電纜嵌入測溫光纜，實現(xiàn)了電纜運行的本體溫度狀態(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，減少運維工作量，實現(xiàn)電纜的智能化。

1.3 分布式光纖測溫系統(tǒng)

10kV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)，該系統(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，使電纜本體成為了一個溫度計。

（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）報警功能多樣化，定溫報警、差溫報警、溫升報警、最大溫度超限報警。

2 試驗驗證

2.1 試驗準備

試驗所需設(shè)備有高精度分布式光纖測溫系統(tǒng)一套、10kV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。試驗環(huán)境為電纜直埋、電纜溝、架空、穿管、隧道，用于驗證10kV智能光纖復(fù)合電纜各種施工工況的測溫準確性;空氣中光纜用于測試驗證故障定位的準確性。

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

2.2 試驗分析

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

2.2.1 溫度精度分析

對10kV智能光纖負荷電纜的測溫精度進行數(shù)據(jù)分析，整理各數(shù)據(jù)如表1至表4。

從表1至表4中可以看出，300A電流對應(yīng)的最大正溫度偏差為0.35℃，最大負溫度偏差為-0.22℃;400A電流對應(yīng)的最大正溫度偏差為0.35℃，最大負溫度偏差為-0.44℃;500A電流對應(yīng)的最大正溫度偏差為0.36℃，最大負溫度偏差為-0.24℃;550A電流對應(yīng)的最大正溫度偏差為0.36℃，最大負溫度偏差為-0.32℃?？梢姡捎脙?nèi)置測溫光纖的方式實現(xiàn)電纜本地測溫的最大正溫度偏差為0.36℃，最大負溫度偏差為-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確的實現(xiàn)電纜本體的溫度監(jiān)測。

2.2.2 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5和圖2如下。

在各電流情況下，從表5和圖2中可以看出：（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。

在同一施工工況下，從表5和圖2中可以看出：（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500A的10kV智能光纖復(fù)合電纜，當通過500A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，負荷切換和載流量分析提供實時在線技術(shù)支撐和保障。

2.2.3 故障定位精度分析

為便于驗證溫度異常點發(fā)生時故障點的定位精度，在300米10kV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，根據(jù)光纜米標分別選在為320和350米處。將兩個測溫點放入溫度為60℃的恒溫水槽中，測試為準確位置為32013米和350.13米，然后再將該兩個測溫點反復(fù)至于恒溫水槽中7次，定位正偏差最大值為0.2m，定位負偏差最大值為-0.2m。可知，該10kV智能光纖復(fù)合電纜的故障定位精度為±0.2m。

3 結(jié)論

（1）通過高精度分布式光纖測溫系統(tǒng)進行測溫，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、負荷切換和載流量分析提供實時在線技術(shù)支撐和保障;

（4）該10kV智能光纖復(fù)合電纜的故障定位精度為±0.2m。

參考文獻：

[1]劉曉波.10kV智能光纖復(fù)合電纜技術(shù)研究[J].科技與創(chuàng)新，2018（18）.

[2]鄧瑞.10kV光纖復(fù)合電纜技術(shù)探究[J].電子世界，2019（18）.

作者簡介：葉亮（1982—?），男，漢族，云南紅河人，碩士，工程師，研究方向：電網(wǎng)基建項目管理。