220kV交联聚乙烯绝缘光纤测温电力电缆的研制及性能试验

梁国华

(扬州曙光电缆股份有限公司，江苏 扬州225652)

0 引言

随着我国经济的快速发展和城市用电需求的快速增长，交联电缆由于其电气性能优良、工作温度高、传输容量大、维护简单等优点而被广泛使用，220 kV交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆已经越来越多地用于城市电网和大型工矿企业。

为保证供电的稳定性，对220 kV XLPE绝缘电力电缆运行时各层温度监视已十分必要，光纤温度传感器作为一项新技术在国内已经开始运用推广，通过光纤测量绝缘外表面，可以计算出导体实时温度，而无需考虑电缆外部的环境影响。对于敷设环境复杂的电缆线路，还可以通过监测电缆导体温度，为及时调控电缆载流量提供指导，使电缆最大限度地发挥输送能力，又可避免电缆因过载造成损伤，这对于电缆线路的设计和运行具有重要的意义。

1 研制过程

1.1 电缆结构设计

本次研制的样品为220 kV、2 000 mm2XLPE绝缘超高压光纤测温电力电缆，导体结构为5+1分割型(5个股块，中间放置一根50 mm2圆型紧压导体)，电缆结构设计和性能指标依据GB/Z18890—2002。光纤测温方式目前主要有:(1)电缆外护套表面贴装测温光缆，这种方法与电缆制造分开进行，俗称外置式，缺点是反应导体温度迟缓，受周围环境影响较大，适用于对没有光纤的电缆进行改造和要求不高的场合;(2)在半导电缓冲层与金属套中放入测温光纤，光纤置入分纵向及绕包方法，纵向植入光纤的缺点是电缆在弯曲过程中易发生断裂，不安全，绕包方法由于经一定节距缠绕在膨松棉上，在电缆弯曲时不易断裂，同时膨松棉也可吸收电缆绝缘的膨胀尺寸;(3)光纤植入导体中，这种方法在生产中操作十分困难，光纤极易断裂，同时附件需特殊设计，目前处于研究阶段。根据以上情况分析，我公司采用在缓冲层与铝管之间植入测温光纤，这种方法安全可靠，能够非常准确地检查出电缆线路的故障点。电缆结构见图1。

1.2 测温光纤单元设计

图1 220 kV XLPE绝缘光纤测温电力电缆结构图

220 kV XLPE绝缘电力电缆由于受到装盘长度及感应电压限制，其单根电缆长度一般在1 km以内，单模光纤采用固体激光器做光源，主要用于长途通信，多模光纤采用发光二极管做光源，传输速度低、距离短，但成本比较低，所以我公司设计时选用符合GB/T 12357.1—2004《通信用多模光纤第1部分:A1类多模光纤特性》标准中的A1a(50/125)的多模光纤，为了提高可靠性，选用2芯光纤。测温光缆主要有不锈钢钢管测温光缆、扁平式感温光缆及螺旋铠装测温光缆等形式，根据电缆结构特点及对光纤的保护效果，最终选择了无缝非磁性不锈钢钢管测温光缆作为测温光纤单元，见图2。无缝不锈钢钢管测温光缆有多种不同外径，常用的有 2.3 mm、 1.8 mm、 1.3 mm几种。试验发现，外径越小，对电缆结构影响也越小，抗侧压力也越大，性能更有保证，但光缆生产难度也更大，价格也更高。我们选择了 1.3 mm的无缝不锈钢钢管测温光缆，其主要技术参数见表1。

图2 测温光纤单元

2 主要工艺措施

(1)分割导体采用法国波迪亚公司带有预扭装置的框绞机及带有自动相位检测装置的盘绞机生产。

(2)导体半导电带与保护隔离带同时绕包，可以避免灰尘落在半导电带表面，同时保护半导电带在电缆转序的过程中不被损伤，保护隔离带在进入交联三层共挤机头前拆掉。

(3)采用立式麦拉菲尔三层共挤化学交联生产线、SIKORA冷端及热端连续检测系统和NCC交联工艺计算软件，全电脑控制、全封闭式材料干燥、重力加料系统。加料的正压净化间分为两个区域，半导体净化间和绝缘净化间，其中半导体净化间的净化等级为1000级，绝缘料净化间的净化等级为100级，输料管道采用卫生级的不锈钢材料，直接进入加料斗，与外界完全隔离，保证电缆料出厂净化等级不改变。

(4)测温光缆置于金属护套内、屏蔽层外，以约6～8倍缆芯外径的节距缠绕在半导电缓冲层外，右向旋绕与轧纹方向相同，避免钢管内光纤余长发生较大变化。光纤余长取决于不锈钢管内的光纤余长，而不锈钢钢管内的光纤余εF，由式(1)表示:

式中，Lf为不锈钢钢管内光纤长度，Lt为不锈钢钢管长度。

由式(1)可知，如果εF太大，不锈钢钢管内光纤弯曲半径就小，同时光纤紧靠管壁受力也较大，容易造成微弯损耗，甚至使光纤折断;如果εF太小，光缆受外力拉伸时，即使发生较小的变形，应力也会作用到光纤上，导致衰减增大，或光纤断裂。经试验，我们确定将光纤余长控制在1%～3%范围内。缠绕光缆前后均应检查每芯光纤衰减，并进行比较，以对工艺进行调整，光缆放线张力不能过大，否则易对不锈钢钢管造成拉伸，另外，张力过大还会使光缆缠绕在缓冲层上过紧，而影响缓冲层的效果，并易使光缆承受侧压力增大;张力过小，则光缆缠绕在缓冲层上过松，使光缆产生微弯，甚至光纤折断。

(5)在绝缘线芯外重叠绕包二层半导电阻水缓冲带，缓冲带厚度1.5 mm，缓冲层外缠绕测温光缆，再在光缆外重叠绕包一层2.0 mm阻水缓冲带。根据交联电缆热膨胀量计算，交联料的线胀率η为:

绝缘径向膨胀量Δt为:

式中，β为交联料的线胀系数，取1×10－3℃－1;T为XLPE绝缘平均温升，取50℃;Δt为绝缘径向膨胀量(mm);R1、R2分别为导体半径和绝缘屏蔽半径，本次样品R1=28.1 mm，R2=54.6 mm。

由式(2)、式(3)计算得η=0.016，Δt=0.66 mm。光缆内侧二层缓冲层总厚度达3.0 mm，光缆外径只有1.35 mm，能有效吸收、缓冲电缆在受热膨胀过程中引起的附加拉力，而光缆上绕包的缓冲带，则吸收了在热膨胀时铝套对光缆的反向压力，减少了因电缆受热膨胀引起光纤的附加衰减。

(6)线芯缠绕上测温光缆之后和氩弧焊之前的所有设备上的导轮，均应包上两层硅橡胶或其它合适的橡胶带，以减少不锈钢钢管测温光缆在导轮上所受的侧压力，铝套后还应检查光缆衰减情况。

3 试验

220 kV XLPE绝缘光纤测温电力电缆的主要功能有二部分，一是传输电力，必须满足GB/Z 18890—2002《额定电压220 kV交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件》标准要求，其试验项目参照GB/Z 18890—2002执行，在此就不列出;另一个是传输光信号，进行测温，由于电缆在生产及使用过程中经常有弯曲情况，以及运行时会发热，产生温升，我们设计了表2的试验方案，用以模拟鉴定测温光缆使用性能。

表2 光纤参数及性能

4 结束语

我公司试制的样品YJLW02-Z-127/220 kV-1×2000+GQ-2A1a已通过国家电线电缆质量监督检验中心的型式试验，相关产品已在广东、辽宁等地使用，用户反映良好。本研制方案亦可应用于66 kV、110 kV等电压等级的电缆上，同时希望有关部门能早日起草该产品的国家标准或行业标准，以促进产品的健康发展。