光纤在高压电缆中的应用与注意事项

刘本东 苏丹丹 郝钢 周长城 宋威

摘要：利用光纤时域反射、频域反射、拉曼散射、布里渊散射及布拉格光栅的特性，光纤可用于电缆测温、故障探测与定位、数据传输，以及监测电缆应变、振动动和电缆路由变化。文章重点描述光纤在超高压电力电缆中的应用，敷设方式、光纤的分布在电缆及附件中的位置，以及光纤接续的注意事项。

关键词：光纤复合；光纤测温；高压电缆；光纤熔接

1光纤在高压电缆中的应用

1.1光纤测温

目前测温是电缆在线监测的研究热点，大多采用分布式测温系统。在高压光纤复合电缆系统一般采用DTS测温系统。光纤对整条电缆线路进行温度监测有这重要的意义，由于季节、气候的变化，电缆敷设环境的改变，都会引起电缆热场的变化，这些变化可以通过分布式测温系统监测到。通过对这些测量数据的比较和分析，可以评估电缆的动态载流能力，帮助电缆运营商做出合理的运行策略。与传统的静态的载流量相比，此系统能够在考虑现场实际环境条件下计算电缆线路的动态载流量。对于参与电力市场交易的运营商，应用此测温系统可以获得更大的收益，同时又无电缆过热损伤的风险。DTS测温系统还可以自动超温报警，可以在电缆出线故障时或者电缆系统将要出现异常时产生局部高温监测并报警，提醒电力运行部门维护检修。

图1光纤在高压电缆中测温数据监控

1.2故障探测与定位

光纤也能用于电力电缆的故障定位。现代OTDR定位方法在通信电缆的应用上已经有了很好的发展，且易于使用。标准的OTDR通过测量反向散射激光脉冲来确定光纤损伤点的位置。这样对于光纤复合电缆出现击穿故障之后的位置判定，相当准确且省时省力。

2光纤在高压电缆及附件中的敷设位置

2.1光纤敷设在高压电缆金属护套内部

高压电缆复合光纤在我国起步较晚，通常都是光纤敷设在电缆绝缘屏蔽缓冲阻水带层。通过测量电缆绝缘屏蔽处的温度，根据经验公式、材料热阻等因素换算成电缆导体上的温度。间接的实现了对高压电缆的温度监控。如图2，此方式的敷设位置根据其特点有其优缺点：

优点：对于电缆的制造工艺相对简单，光纤在敷设中不易损坏；光纤不易受力，损耗极小；且方便熔接；成本小；对于高压电缆附件要求低，安装相对简便。

缺点：此方式通过间接温度取样，来转换成电缆导体的温度，测量温度精度差，且有一定的延时；不能第一时间监测到电缆系统的故障及准确位置。该敷设条件的光纤不能测试电缆系统中电缆附件的温度。

2.2光纤敷设在高压电缆导体内部

对于大截面的高压电缆来说，都采用分割导体型式。分割导体在成缆过程中就会有一部分空间，光纤恰好可以敷设在分割导体的缝隙中，进行测温。如图3，该方式也有其优缺点：

优点：该敷设方式使得光纤直接接触电缆导体，时时精准的测试出电缆导体的温度。及时有效的反应当前时间内电缆系统的运行状态。可以为运营部门提供更为快捷准确的数据参考。同时对于出现事故的电力系统定位更加精准快捷。由于该敷设位置的特殊，也可以测试电缆系统中电缆附件的温度。在整个电缆系统中，电缆附件相对电缆本体出现的事故率更高，所以测试电缆附件的状态更有意义。

缺点：电缆生产工艺要求难道大，需要很高的技术水平；光纤接续困难；对电缆附件要求技术含量高；电缆附件接续光纤难度大，要求高。成本稍高。

图2光纤在阻水带层图3 光纤在导体内部

3高压电缆附件光纤接续注意事项

因为光纤测温高压电力电缆的应用起步比较晚，现在市场上运行的线路也相对较少。所以在进行电缆附件安装时，人们容易忽略到光纤熔接的注意事项。光纤熔接是整个电缆系统安装敷设过程中一项非常重要的关节，一旦忽略关键点或者不专业的安装熔接，会造成相当严重的后果。

3.1光纤熔接对整个电缆系统接地方式的影响

在电缆在交变电压下运行时，线芯中通过的交变电流必然会产生交变的磁场。磁场产生的磁链不仅和线芯相链，也和金属屏蔽层相链，必然会再金属屏蔽层上产生感应电动势。对于电缆线路特别长的项目来说，高压电缆金属护套上的感应电压就是特别大，会造成对电缆外护套的损坏。所以我们在设计线路时，为了降低金属护套的感应电缆，采用交叉换位（交叉互联）的接地方式。

对于短段线路的电缆系统来说，我们采用一点直接接地，一端经保护器接地的方式进行。这样防止多点接地造成环流烧坏电缆。

3.1.1在做高压电缆接头时熔接光纤注意事项。一般长线路电缆在电缆接头处做交叉换位来降低感应电压。而敷设在金属护套内的光纤的金属铠装层与电缆的金属护套等电位，所以在做电缆接头熔接光纤时，一定首先要将光纤金属铠装去掉，在进行裸光纤的熔接。一定不要将两段电缆的金属护套通过光纤铠装层短接或者光纤铠装管在电缆绝缘屏蔽处缠绕成闭合磁路，这样会造成多点接地，产生环流；或者形成闭合磁路，产生涡流。烧坏电缆外护套甚至金属护套温度过高烧坏电缆绝缘屏蔽造成电缆本体击穿。高压电缆接头的绝缘法兰就是为了断开长段电缆的金属护套，使之降低感应电压，一些不专业的施工人员或者光纤熔接人员不经意容易弄不好使其短接，这点一定要注意。

3.1.2在做高压电缆终端时熔接光纤注意事项。在对电缆终端的光纤引出熔接时，也一定要注意，不要降光纤的金属铠装层引出电缆终端外部。光纤的铠装层与电缆金属护套等电位，一旦将光纤铠装引出终端外部，会造成电缆系统多点接地，也会造成电缆系统的事故。一定要裸光纤引出终端外部，也可以将光纤用绝缘材质的套管保护好在引出进行熔接。

3.2内置光纤的衰减对电缆系统的影响

因为内置光纤电缆在电缆生产、运输过程中都有可能对光纤造成挤压，造成光纤衰减比较大；或者光纤在熔接时熔接效果不好导致衰减大；或者光纤弯曲变径过小都会造成光纤的衰减。光纤的衰减会对光纤传输信号造成影响，造成光纤传感测温不准确。而高压电缆一旦安装敷设完投入运行，衰减大或者断了的光纤就无法修复。所以在做光纤熔接之前，必须要对电缆中的光纤进行测试。测量光纤的长度及衰减是否合格；在光纤熔接后也要对光纤进行测试，测试光纤熔接效果，是否有较大衰减等。来最大程度的保障光纤复合电缆在运行中的光纤测温功能。

一般OTDR测试会有区别，但这种区别是测试原理造成的，实际总衰耗差异不大。各个波长衰减差异很大。现对于多模光纤的衰减测试，较多的方法都是以850nm和1300nm的波长进行测试。1300nm实际衰减一般为0.6~0.7dB/km，允许最大衰减值为1.5dB/km ；850nm实际衰减为2.0~3.0dB/km，允许最大衰减值为3.5dB/km。对于单模光纤在1310nm一般为0.33~0.35dB/km；1550nm为0.19~0.21dB/km。单模光纤应用在高压电力电缆内置的情况比较少，而对于单模光纤的允许最大衰减，暂时还没有一个统一的标准数值。

4结论

4.1光纤越来越多的应用于电缆行业中，其主要作用为测温、故障定位、数据传输，以及探测电缆应变、振动和电缆路由变化等。目前国内仍以光纤测温为主；随着智能电缆的发展，光纤的用途也将会越来越多。

4.2由于光纤在电缆中敷设的位置不同，也使得两种光纤复合电缆系统具有不同的优缺点。运营部门可以根据自己的需要，找到适合自己使用的敷设方式。

4.3随着光纤复合电缆越来越广泛的应用，在进行光纤电缆熔接时一定要细致、耐心。按工艺要求来施工，降低光纤衰减、避免事故的发生。

参考文献

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[3] 罗俊华,周作春,李华春.电力电缆线路运行温度在线监测技术应用研究[J].高电压技术,2007.