10 kV智能光纖復合電纜技術研究與測試驗證

葉亮，阮永麗，丁科宇

（云南電網有限責任公司昆明供電局，昆明 650011）

0 前言

近年來，在泛電力物聯網建設的背景下，我國城市輸配電電纜線路發展迅速，電力電纜使用數量逐年增長，成為輸配電網絡的主要組成部分。電力電纜因其具有良好的電氣性能、敷設容易、運行維護簡單等優點而被廣泛應用，但是電纜故障也不可避免。

由于電力電纜敷設主要采用電纜隧道、電纜溝或電纜管道敷設的方式，具有敷設距離長、空間狹小、電纜接頭多、環境復雜等特點。這些特點也為電纜故障埋下了安全隱患。據統計，我國發生火災中因電氣原因引發的數量為31933起，占火災總數的26.1%，其中因電纜線路引起的火災占整個電氣火災數量的50%以上。

因此，從提高電纜線路安全穩定運行和防止發生故障的角度出發，需要對電纜線路進行在線監測，而對電纜進行監測最有效的手段是對其進行溫度監測，盡早的發現電纜中存在的故障以及對故障點的準確定位對電力運行具有重要意義。

1 現狀分析

從提高電纜線路安全穩定運行水平，防止發生嚴重故障的角度出發，需要對電纜線路進行在線監測；從實現動態增容的角度也需要對電纜運行狀態進行監測。近年來有較多的大學、研究院所、供電公司都在開展電纜運行溫度監測方面的研究與應用。國網與電纜分布式光纖測溫相關的論文[1-3]講了三種方法：

1）采用的測溫方式為沿電纜表層敷設，膠皮進行綁扎固定，實現電纜表層溫度監測。

2）采用將測溫光纖置于絕緣線芯和金屬護套之間的半導電緩沖層中的方式，實現高壓電力電纜緩沖層的溫度監測。

3）利用 Brillouin 光時域反射測溫技術，將感溫光纖分別植入110 kV交聯聚乙烯（XLPE）電纜的導體中央、絕緣屏蔽層表面和阻水帶中央，實現了電力電纜的溫度監測。

另外，還有將光纖置與電纜外護套或金屬護套內壁[4-5]。文獻[6]將光纖置于電纜鎧裝層中，但測溫光纖與導體之間仍然間隔著護套、絕緣層等多層結構，在單芯電纜外表面布置光纖的方法區別不大。

以上研究均采用分布式光纖測溫的方式實現高壓電力電纜的溫度檢測，但還沒有針對10 kV電纜的光纖復合電纜的設計和研究。本文即采用分布式光纖測溫技術、光纖復合電纜技術、電纜載流量動態分析技術，實現10 kV智能光纖復合電纜設計和驗證，實現配電網的智能化、測溫實時化和電纜溫度狀態可視化，實現電纜狀態的自主快速感知和故障預警。

2 結構設計

2.1 內置光纜設計

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。本次內置光纜設計為非金屬測溫光纜，結構如圖1所示。

圖1 內置測溫光纜結構圖

內置測溫光纜結構主要有4部分組成，1為光纜外護套，使用低壓無鹵LZSH材質；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；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，根據情況定制。

2.2 智能光纖復合電纜設計

10 kV智能光纖復合電纜采用圖2結構設計，其外護套、繞包層、填充層絕緣層和導體均和普通電纜相同，不同的是在其中心嵌入一根內置測溫光纜，測溫光纜的纖芯可以使用測溫光纖實現電纜內部溫度監測；也可以使用振動光纖實現電纜周界環境挖掘監測。

圖2 智能光纖復合電纜結構圖

通過10 kV智能光纖復合電纜嵌入測溫光纜，實現了電纜運行的本體溫度狀態監測、溫升變化監測、溫度異常狀態監測和故障定位；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，實現電纜的智能化。

另外，10 kV智能光纖復合電纜嵌入振動光纜，可以實現電纜附近的振動在線監測，可以防止施工誤挖電纜，實現電纜的自我保護。

其他，也可以嵌入通信光纜，實現電纜光纖到戶，避免重復建設、重復開挖，并解決電力數據傳輸最后一公里的通信問題。

2.3 分布式光纖測溫系統

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

表1 主要性能指標

該分布式光纖測溫系統具有如下功能：

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；

5）歷史報警查詢功能、溫度曲線回放功能、異常溫度溫度回放功能。

3 可視化設計

結合GIS地圖實現電纜隧道、電纜溝、電纜排管和埋地電纜的可視化重構。對于新建電纜技術資料齊全，結合CAD圖實現電纜與GIS地圖的匹配，進而實現新建電纜的可視化。但可視化重構的重點是原有的老舊電纜，缺少技術資料，電纜運行時間長，安全隱患多，可視化重構難度大，需要使用金屬探測結合GPS定位儀的方式實現。

4 試驗驗證

4.1 試驗準備

試驗所需設備有高精度分布式光纖測溫系統一套、10 kV智能光纖復合電纜（3*240mm2）300米、內嵌測溫光纜100米、熱電偶溫度傳感器5套。試驗環境為電纜直埋、電纜溝、架空、穿管、隧道，用于驗證10 kV智能光纖復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10 kV智能光纖復合電纜的額定電流500 A，設計試驗電流分別為額定電流的60 %、80 %、100 %、和110 %，分別對應的試驗電流為300 A、400 A、500 A和550 A。

4.2 試驗分析

光纖測溫為內置測溫光纜，熱電偶測量導體溫度。試驗電流按照300 A、400 A、500 A和550 A的電流逐級增加，每級試驗電流穩定四小時后記錄數據。

4.2.1 溫度精度分析

對10 kV智能光纖負荷電纜的測溫精度進行數據分析，從數據可以看出，300 A電流對應的最大正溫度偏差為0.35℃，最大負溫度偏差為-0.22℃；400 A電流對應的最大正溫度偏差為0.35℃，最大負溫度偏差為-0.44℃；500 A電流對應的最大正溫度偏差為0.36℃，最大負溫度偏差為-0.24℃；550 A電流對應的最大正溫度偏差為0.36℃，最大負溫度偏差為-0.32℃。可見，采用內置測溫光纖的方式實現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，采用內置測溫光纜的方式可以準確的實現電纜本體的溫度監測。

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）電纜溝內的電纜溫度最低，與電纜溝內水比熱容大、熱傳導效率高存在著必然聯系；

2）穿管方式敷設的電纜溫度最高，與電纜管內封閉，空氣流動差存在關系；

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

4）采用直埋的方式，熱傳導方式為土壤，散熱條件好，溫度低。所以，由于熱傳導方式不同、散熱介質不同，熱傳導效率也不相同，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智能光纖復合電纜，當通過500 A電流時，各工況情況下的溫度均小于80℃，小于交聯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支撐和保障。

4.2.3 故障定位精度分析

為便于驗證溫度異常點發生時故障點的定位精度，在300米10 kV智能光纖復合電纜尾部再熔接上100米內置測溫光纜。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320.13米和350.13，然后再將該兩個測溫點反復至于恒溫水槽中7次，可以看出，定位正偏差最大值為0.2 m，定位負偏差最大值為-0.2 m。可知，該10 kV智能光纖復合電纜的故障定位精度為±0.2 m。

5 結束語

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

2）在不同負載電流情況下，可以得出相同的結論，即不同施工工況情況，溫度傳導介質不同，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支撐和保障；

4）該10 kV智能光纖復合電纜的故障定位精度為±0.2 m。

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