10kV智能光纤复合电缆技术研究与测试验证

叶亮 阮永丽 丁科宇

摘 要：在泛在电力物联网建设的背景下，采用分布式光纤测温技术、光纤复合电缆技术、电缆载流量动态分析技术，实现10kV智能光纤复合电缆设计和验证，实现配电网的智能化、测温实时化和电缆温度状态可视化，实现电缆状态的自主快速感知和故障预警。

关键词：智能电网;光纤传感;复合电缆

1 结构设计

1.1 内置光缆设计

目前电力电缆测温所采用的外置测温光纤或者高压电力电缆内置测温光纤多采用螺旋铠装测温光纤、不锈钢管测温光纤，由于为金属材料，会影响电缆的电场和磁场分布状况;或者采用非磁性金属材料，但测温光缆的成本会大幅增加。本次内置光缆设计为非金属测温光缆，结构如图1所示。

内置测温光缆结构主要有4部分组成，1为光缆外护套，使用低压无卤LZSH材质;2为耐高温加强管，提高耐高温性能和抗拉抗压性能，可以耐100℃高温;1和2中间加入Kevlar以提高抗拉能力能;3和4为0.9mm紧包光纤，可以为测温光纤，也可是振动光纤，根据情况定制。

1.2 智能光纤复合电缆设计

10kV智能光纤复合电缆采用的结构设计，其外护套、绕包层、填充层绝缘层和导体均和普通电缆相同，不同的是在其中心嵌入一根内置测温光缆，测温光缆的纤芯可以使用测温光纤实现电缆内部温度监测;也可以使用振动光纤实现电缆周界环境挖掘监测。通过10kV智能光纤复合电缆嵌入测温光缆，实现了电缆运行的本体温度状态监测、温升变化监测、温度异常状态监测和故障定位;由此使电缆具有了自我感知和自我诊断的功能，同时提供故障定位，减少运维工作量，实现电缆的智能化。

1.3 分布式光纤测温系统

10kV智能光纤复合电缆测试所采用的分布式光纤测温系统为采用高精度分布式光纤测温系统，该系统具有如下功能：

（1）分布式测温功能，采样间隔0.2米，10公里电缆上具有5万个温度点，使电缆本体成为了一个温度计。

（2）故障精确定位功能，采样间隔0.2米，定位精度±0.2米，故障的定位偏差为0.2米，可以精确定位故障位置，减少运维工作量。

（3）测温精度高，温度精度为±0.5℃，为温度异常变化提供精确比对。

（4）报警功能多样化，定温报警、差温报警、温升报警、最大温度超限报警。

2 试验验证

2.1 试验准备

试验所需设备有高精度分布式光纤测温系统一套、10kV智能光纤复合电缆（3*240mm2）300米、内嵌测温光缆100米、热电偶温度传感器5套。试验环境为电缆直埋、电缆沟、架空、穿管、隧道，用于验证10kV智能光纤复合电缆各种施工工况的测温准确性;空气中光缆用于测试验证故障定位的准确性。

根据10kV智能光纤复合电缆的额定电流500A，设计试验电流分别为额定电流的60%、80%、100%和110%，分别对应的试验电流为300A、400A、500A和550A。

2.2 试验分析

光纤测温为内置测温光缆，热电偶测量导体温度。试验电流按照300A、400A、500A和550A的电流逐级增加，每级试验电流稳定四小时后记录数据。

2.2.1 温度精度分析

对10kV智能光纤负荷电缆的测温精度进行数据分析，整理各数据如表1至表4。

从表1至表4中可以看出，300A电流对应的最大正温度偏差为0.35℃，最大负温度偏差为-0.22℃;400A电流对应的最大正温度偏差为0.35℃，最大负温度偏差为-0.44℃;500A电流对应的最大正温度偏差为0.36℃，最大负温度偏差为-0.24℃;550A电流对应的最大正温度偏差为0.36℃，最大负温度偏差为-0.32℃。可见，采用内置测温光纤的方式实现电缆本地测温的最大正温度偏差为0.36℃，最大负温度偏差为-0.44℃。因此，与外置测温光纤，采用内置测温光缆的方式可以准确的实现电缆本体的温度监测。

2.2.2 不同工况下电缆温度分析

为了有效分析不同施工工况和不同电流情况对电缆本体温度的影响，整理表5和图2如下。

在各电流情况下，从表5和图2中可以看出：（1）电缆沟内的电缆温度最低，与电缆沟内水比热容大、热传导效率高存在着必然联系;（2）穿管方式敷设的电缆温度最高，与电缆管内封闭，空气流动差存在关系;（3）架空方式和隧道方式敷设的电缆温度差异不大，主要是由于电缆所处环境条件好，采用空气传导的方式散热;（4）采用直埋的方式，热传导方式为土壤，散热条件好，温度低。所以，由于热传导方式不同、散热介质不同，热传导效率也不相同，造成了相同电流情况下，电缆在各种施工工况中的温度高低不同，基本顺序由高到低为穿管、架空（或隧道）、直埋和电缆沟。

在同一施工工况下，从表5和图2中可以看出：（1）随着通过电缆的电流增加其电缆温度有不同程度的增加，但趋势基本相同;（2）额定电流为500A的10kV智能光纤复合电缆，当通过500A电流时，各工况情况下的温度均小于80℃，小于交联聚乙烯电缆的缆芯最高允许工作温度;（3）电缆运行在1.1倍的额定电流情况下，穿管工况敷设的电缆缆芯温度为92.83℃，短时情况下可以工作;可以为抢修、迎峰度夏时，负荷切换和载流量分析提供实时在线技术支撑和保障。

2.2.3 故障定位精度分析

为便于验证温度异常点发生时故障点的定位精度，在300米10kV智能光纤复合电缆尾部再熔接上100米内置测温光缆。由此整个测温光缆的总长度为400米，选择两个测温点，根据光缆米标分别选在为320和350米处。将两个测温点放入温度为60℃的恒温水槽中，测试为准确位置为32013米和350.13米，然后再将该两个测温点反复至于恒温水槽中7次，定位正偏差最大值为0.2m，定位负偏差最大值为-0.2m。可知，该10kV智能光纤复合电缆的故障定位精度为±0.2m。

3 结论

（1）通过高精度分布式光纤测温系统进行测温，该复合电缆的温度测量精度可以保证在±0.5℃范围内;

（2）在不同负载电流情况下，可以得出相同的结論，即不同施工工况情况，温度传导介质不同，不同工况下的电缆温度就不同。但所测温度趋势基本相同，温度由高到低为穿管、架空（或隧道）、直埋和电缆沟;

（3）在同一施工工况下，电缆运行在1.1倍的额定电流情况下，穿管工况敷设的电缆缆芯温度为92.83℃，短时情况下可以正常工作，为抢修、迎峰度夏、负荷切换和载流量分析提供实时在线技术支撑和保障;

（4）该10kV智能光纤复合电缆的故障定位精度为±0.2m。

参考文献：

[1]刘晓波.10kV智能光纤复合电缆技术研究[J].科技与创新，2018（18）.

[2]邓瑞.10kV光纤复合电缆技术探究[J].电子世界，2019（18）.

作者简介：叶亮（1982— ），男，汉族，云南红河人，硕士，工程师，研究方向：电网基建项目管理。