分割导体内预置测温光纤的XLPE电缆及附件的研制及试验

吕庚民，张道利，富成伟，杨黎明，周长城，吴雪娇，刘本东

(1.沈阳古河电缆有限公司，辽宁 沈阳110115;2.国网电力科学研究院，湖北 武汉430074)

0 引言

电力电缆的运行温度是反映其运行状态的重要参数。随着分布式光纤传感技术的发展和应用，电力部门为确保电力电缆线传输电能的安全，希望利用测温光纤对整个线路中的电缆进行安全运行的自动监控。通过对电缆温度的测量和监视可以全面了解其绝缘老化情况、准确评估其工作状态、及时发现其故障隐患，对提高电缆运行可靠性、减少故障发生次数、降低故障损失具有重要意义［1］。

目前，国内外交联聚乙烯(XLPE)电力电缆测温光纤的设置方式都是以不同的方法将光纤设置在电缆的外表面或金属护套内电缆绝缘层的表面，通过测量电缆外表面或绝缘层表面的温度来计算电缆导体的温度。由于受到外界环境以及电缆绝缘层的影响，几乎无法真实地跟踪负载的实时变化情况。而电缆的使用寿命主要取决于XLPE材料在高温作用下的老化情况。在理想情况下，光纤应被置于尽可能靠近电缆导体的位置来精确地测量电缆的实际温度。但是，为了接近电缆导体而破坏绝缘层的方法是不适用的［2］。

现有的超高压XLPE绝缘光纤复合电力电缆不能把测温光纤放入电缆导体内，故不能准确测量电缆导体温度，无法满足对整个电缆线路运行状态自动监控的要求。

1 电缆及附件的结构

为了实现把测温光纤设置于电缆导体内，以便准确地测量电缆的实际运行温度，必须解决下述三个问题:

(1)电缆导体内具有放置光纤的稳固空间。在电缆导体的成型过程中，将带有不锈钢护套的光纤一同置入导体内的稳固空间内，并且保证电缆后续制造的各道工序、出厂试验以及在施工现场敷设中光纤不被损坏;

(2)在附件施工现场进行相邻两段电缆连接作业时，电缆导体空间内的光纤能自由地移动，电缆导体及光纤能够较容易地连接，且光纤的使用性能不受影响;

(3)在电缆线路两端所安装的户外终端或GIS终端内部，把设置在导体预留空间内处于高电位的光纤顺利地引到地电位，并较容易地从终端绝缘套管内引出到终端外部与DTS测试系统的光纤连接。

在不改变电缆及附件整体绝缘结构的前题下，解决上述问题是研制的主要任务。下面是220 kV、2 500 mm2XLPE电缆及附件的研制过程。

1.1 电缆导体结构

五分割的电缆导体是由五个相同扇形导体绞合成的圆形导体。在成型后的导体中心，自然形成一个有效直径约5 mm的小孔。小孔在电缆导体绞合成型后，形成稳固的结构。在导体绞合时，将一根 2.0 mm不锈钢护套的光缆同时绞入到导体中心的预留空间内(见图1)。不锈钢护套内有两根耐高温光纤，并含有填充油膏，光纤的耐温等级为300℃。为了避免光缆在进入导体中心时被夹在两扇形导体单元的缝隙中，光缆通过一个空心的、前端为锥形的导引芯棒进入圆形导体中心的小孔中间。光缆在电缆制造的后续各工序、出厂试验及现场敷设过程中不会被损坏。

1.2 连接盒的结构

在不改变连接盒绝缘结构的前提下，在电缆导体连接管外设置有半圆形的光纤接头盒和保护盖(见图2)。切断电缆时，预留一定长度的电缆，以保证有足够的余长进行光纤连接。导体压接前，将带不锈钢护套的光纤从分割导体相邻的两扇形导体单元之间的缝隙中引出。导体连接管压接后，光纤在导体连接管外连接，将余长的光纤规整地盘在半圆形光纤接头盒上固定，扣上保护盖。然后进行接头其他安装工作。

图1 导体内预置测温光纤的电缆

图2 电缆导体内预置光纤的电缆接头

1.3 户外终端的结构

户外终端主要结构不做改变，只是在套管下端密封板上预留一个光纤引出孔。在制作终端切断电缆时，额外预留1.2倍套管高度的电缆余长。去掉多余的绝缘和导体，露出光纤。光纤从导体引出棒的下端，分割导体相邻的两扇形导体单元之间的缝隙中引出。光纤沿电缆绝缘表面，应力锥与绝缘套管之间的空隙向下，从套管下端密封板的预留孔引出到终端外部，引出孔进行密封(见图3)。

图3 电缆导体内预置光纤的户外终端

1.4 GIS终端结构

GIS终端与户外终端有所不同，GIS终端内的应力锥与环氧套管之间一般没有间隙，应力锥外表面与环氧套管的内表面在应力锥压紧装置的作用下形成一定的压力以保证其电气性能。内部无需填充绝缘油，没有光纤可以穿过的空间，光纤只能从环氧套管壁内穿过。

在浇注环氧套管时，在模具内环氧树脂填充的空间里设置一根直径10 mm的钢芯从上部电极到下部电极贯穿整个套管。环氧树脂浇注完成，经固化成型后，脱掉模具时将钢芯抽出。在环氧套管壁内就形成了一个直径约10 mm的从上到下贯穿整个套管的通道。光纤从导体引出棒下端的分割导体相邻的两扇形导体单元之间的缝隙中引出，从环氧套管的上部电极预留孔穿过环氧套管壁内的通道，再从下部电极预留孔引出。通道内填充绝缘油，以保证环氧套管的绝缘性能(见图4)。

图4 电缆导体内预置光纤的GIS终端

2 初期的性能试验

2.1 光纤在绝缘油中的试验

在进行绝缘油电性能试验时，取一小段裸光纤夹在测试杯两测试电极中间，光纤垂直于测试电极的平面。试验结果为绝缘油的性能与无光纤时相同，光纤的存在对绝缘油的性能没有影响。

2.2 光纤穿过GIS套管的电气性能试验

用一段导体内预置光纤的电缆，电缆的一端组装一套GIS终端。制作GIS终端时，预留1.5倍环氧套管高度的电缆长度，去掉绝缘;将光纤从分割导体相邻的两个扇形单元之间的缝隙中引出;去掉多余的导体;压接导体引出棒;光纤从导体引出棒下端，通过设置在终端绝缘套管壁内的通道引到终端外面，通道内填充绝缘油。电缆的另一端装入水终端内，进行电气性能试验。试品通过了局部放电和工频318 kV、30 min的例行试验。

2.3 光纤连接的可操作性试验

用两段导体内预置光纤的电缆，在两段电缆连接时，被连接的两段电缆各留出300 mm的余长，去掉外护套、金属护套、绝缘，露出导体。将分割导体按扇形单元分开，去掉绝缘隔离层，将分割导体中心预置的带不锈钢护套的光纤从电缆分割导体相邻两扇形单元之间的缝隙中引出。将电缆导体的扇形单元按原绞合节距恢复成原来形状，去掉多余的电缆导体。将电缆导体用导体连接管按正常的压接方法压接好。按正常的光纤熔接前的处理方法将光纤的端头处理好并在光纤熔接机上进行光纤熔接，套上接头保护管。整个过程在完全模拟现场实际情况下进行，可以确定此方案在现场施工中具有可行性。

3 预鉴定试验现场的安装

预鉴定试验线路由220 kV、1×2 500 mm2分割导体内预置光纤的XLPE电缆140 m;户外终端2套;GIS终端2套;变压器终端2套;整体预制接头1套;组合预制接头1套组成。

试验回路的电缆敷设方式为地下直埋、地下穿管和隧道敷设。模拟回路由220 kV、1×2 500 mm2分割导体内预置光纤的XLPE电缆30 m，分地下穿管和地上空气两部分组成，电缆导体连接成闭合回路。两段电缆的导体表面分别设置测量导体表面温度的热电偶。

3.1 整体预制接头的安装

按2.3节所述的方法对被连接的两段电缆进行处理，电缆导体用导体连接管按正常的压接方法压接(见图5)。

图5 光纤的引出和导体的压接

在连接管表面扣上两个半圆形的金属光纤接头盒，并将光纤接头盒与电缆导体连接管用螺栓等电位连接。按正常的光纤熔接前的处理方法将光纤的端头处理好并在光纤熔接机上进行光纤熔接。然后将光纤接头保护管固定在接头盒上，再将余长的光纤规整地盘在接头盒上并固定，盘纤时要注意光纤的弯曲半径应满足光纤允许的弯曲半径。扣上接头盒两个半圆形的金属保护盖，并使保护盖与接头盒等电位连接。在保护盖外绕包2层半导电带，光纤连接工作结束(见图6)。

图6 接头中光纤连接后的固定和保护

3.2 GIS终端的安装

GIS终端安装时电缆预留长度为1.5倍环氧套管高度。按上述相同的方法将预置在电缆导体中心的光纤引出，然后进行电缆导体引出棒的压接。安装环氧套管后，将去掉不锈钢护套的裸光纤从环氧套管上部电极的预留孔穿入，从环氧套管的下部电极预留孔引出。对引出口处的光纤加以保护，安装注油阀并对光纤出口密封，向环氧套管内部光纤通道内注油(见图7)。

图7 GIS终端光纤从环氧套管中穿入和引出

3.3 户外终端的安装

户外终端安装时电缆的预留长度为1.2倍的终端套管高度。按上述相同的方法将预置在电缆导体中心的光纤引出，然后进行电缆导体引出棒的压接。安装完应力锥后，将已去掉不锈钢护套的裸光纤从导体引出棒下端沿电缆绝缘表面向下，从套管下密封板预留孔引出到终端外，对引出口处光纤加以保护和密封(见图8)。

4 温度监测

4.1 测温回路的组成

图8 户外终端光纤穿过绝缘表面从下端引出

电缆导体内的预置光纤从一侧户外终端下引出后通过一段连接光纤与上海波汇通信科技有限公司提供的DTS测温系统连接，形成一个温度测试回路(见图9)。

图9 试验回路、模拟回路示意图

4.2 导体温度的测试

试验回路、模拟回路于2011年2月28日开始热循环试验。通过DTS系统显示器可清楚看到试验回路中各部分电缆导体的实际温度(见图10)。

图10 试验回路直埋段电缆导体的各点温度

4.3 温升曲线的绘制

2011年10月22 日对加热过程中模拟回路空气中、地下穿管中的电缆通过热电偶测量的电缆导体温度数据进行提取，与试验回路隧道中、地下穿管中敷设的电缆导体内光纤测量的温度数据进行对比，并绘制出电缆导体的温升曲线(见图11)。通过记录数据和温升曲线可以看出，预置在电缆导体中心的光纤测得的试验回路中电缆导体的温度与模拟回路中设置在电缆导体表面热电偶所测得的温度保持了很好的同步性和一致性。

图11 电缆导体温升曲线

5 结束语

通过对在分割导体内预置测温光纤的电缆及附件的、初期电性能试验和模拟安装试验，证明完全可以实现把测温光纤设置于电缆导体内，准确地测量电缆的实际运行温度。2012年5月，预鉴定试验全部结束。DTS系统的计算机记录了整个试验过程各部分电缆导体温度的全部数据。光纤分布式温度传感器能对电力系统中的高压电缆进行全线的实时温度监测。将测温光纤预置在电缆导体内，能够及时准确地监测电缆导体的温度，可以实现系统的负载能力、电网短期超负荷能力的实时监控，进行负荷的经济调配。在不超过电缆允许运行温度的情况下，最大限度地发挥整个线路中电缆的传输能力［3］。

［1］詹乐明，种鹏蛟，王喜星.电缆分布式光纤测温系统的工程及应用［C］//电力电缆状态检修技术交流会论文集.2010.

［2］陈 军，李永丽.应用于高压电缆的光纤分布式温度传感新技术［J］.电力系统及其自动化学报，2005(3):47-49.

［3］张振鹏，赵健康，杨 峰，等.电力电缆线路应急负荷仿真计算及试验研究［C］//电力电缆状态检修技术交流会论文集.2010.