10 kV智能光纤复合电缆技术研究与测试验证

2021-07-22叶亮阮永丽丁科宇

云南电力技术 2021年3期

叶亮，阮永丽，丁科宇

（云南电网有限责任公司昆明供电局，昆明 650011）

0 前言

近年来，在泛电力物联网建设的背景下，我国城市输配电电缆线路发展迅速，电力电缆使用数量逐年增长，成为输配电网络的主要组成部分。电力电缆因其具有良好的电气性能、敷设容易、运行维护简单等优点而被广泛应用，但是电缆故障也不可避免。

由于电力电缆敷设主要采用电缆隧道、电缆沟或电缆管道敷设的方式，具有敷设距离长、空间狭小、电缆接头多、环境复杂等特点。这些特点也为电缆故障埋下了安全隐患。据统计，我国发生火灾中因电气原因引发的数量为31933起，占火灾总数的26.1%，其中因电缆线路引起的火灾占整个电气火灾数量的50%以上。

因此，从提高电缆线路安全稳定运行和防止发生故障的角度出发，需要对电缆线路进行在线监测，而对电缆进行监测最有效的手段是对其进行温度监测，尽早的发现电缆中存在的故障以及对故障点的准确定位对电力运行具有重要意义。

1 现状分析

从提高电缆线路安全稳定运行水平，防止发生严重故障的角度出发，需要对电缆线路进行在线监测；从实现动态增容的角度也需要对电缆运行状态进行监测。近年来有较多的大学、研究院所、供电公司都在开展电缆运行温度监测方面的研究与应用。国网与电缆分布式光纤测温相关的论文[1-3]讲了三种方法：

1）采用的测温方式为沿电缆表层敷设，胶皮进行绑扎固定，实现电缆表层温度监测。

2）采用将测温光纤置于绝缘线芯和金属护套之间的半导电缓冲层中的方式，实现高压电力电缆缓冲层的温度监测。

3）利用 Brillouin 光时域反射测温技术，将感温光纤分别植入110 kV交联聚乙烯（XLPE）电缆的导体中央、绝缘屏蔽层表面和阻水带中央，实现了电力电缆的温度监测。

另外，还有将光纤置与电缆外护套或金属护套内壁[4-5]。文献[6]将光纤置于电缆铠装层中，但测温光纤与导体之间仍然间隔着护套、绝缘层等多层结构，在单芯电缆外表面布置光纤的方法区别不大。

以上研究均采用分布式光纤测温的方式实现高压电力电缆的温度检测，但还没有针对10 kV电缆的光纤复合电缆的设计和研究。本文即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10 kV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。

2 结构设计

2.1 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。

图1 内置测温光缆结构图

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；3和4为0.9 mm紧包光纤，可以为测温光纤，也可是振动光纤，根据情况定制。

2.2 智能光纤复合电缆设计

10 kV智能光纤复合电缆采用图2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。

图2 智能光纤复合电缆结构图

通过10 kV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。

另外，10 kV智能光纤复合电缆嵌入振动光缆，可以实现电缆附近的振动在线监测，可以防止施工误挖电缆，实现电缆的自我保护。

其他，也可以嵌入通信光缆，实现电缆光纤到户，避免重复建设、重复开挖，并解决电力数据传输最后一公里的通信问题。

2.3 分布式光纤测温系统

10 kV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，主要性能指标如表1所示。

表1 主要性能指标

该分布式光纤测温系统具有如下功能：

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；

5）历史报警查询功能、温度曲线回放功能、异常温度温度回放功能。

3 可视化设计

结合GIS地图实现电缆隧道、电缆沟、电缆排管和埋地电缆的可视化重构。对于新建电缆技术资料齐全，结合CAD图实现电缆与GIS地图的匹配，进而实现新建电缆的可视化。但可视化重构的重点是原有的老旧电缆，缺少技术资料，电缆运行时间长，安全隐患多，可视化重构难度大，需要使用金属探测结合GPS定位仪的方式实现。

4 试验验证

4.1 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、10 kV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10 kV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10 kV智能光纤复合电缆的额定电流500 A，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300 A、400 A、500 A和550 A。

4.2 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300 A、400 A、500 A和550 A的电流逐级增加，每级试验电流稳定四小时后记录数据。

4.2.1 温度精度分析

对10 kV智能光纤负荷电缆的测温精度进行数据分析，从数据可以看出，300 A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℃；400 A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℃；500 A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℃；550 A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。

4.2.2 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2和图3如下。

表2 不同施工工况下的温度值

图3 不同施工工况下的温度折线图

4.2.2.1 在各电流情况下

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。

4.2.2.2 在同一施工工况下

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500 A的10 kV智能光纤复合电缆，当通过500 A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。

4.2.3 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10 kV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320.13米和350.13，然后再将该两个测温点反复至于恒温水槽中7次，可以看出，定位正偏差最大值为0.2 m，定位负偏差最大值为-0.2 m。可知，该10 kV智能光纤复合电缆的故障定位精度为±0.2 m。