陳 鋼， 鄧聲華， 劉和平， 黎照銘， 黃寶俊， 馬 仲， 陳浩然， 劉澤華

（廣州嶺南電纜股份有限公司，廣東廣州511400）

0 引言

近些年來，隨著我國城市化進程的加速和城市經濟發(fā)展的推進，國家加快了配電網的建設，10 kV電力電纜的覆蓋率和資產規(guī)模正在以空前的速度增加，為保證龐大網路安全、可靠和智能地運行，人工巡檢方法和常規(guī)的監(jiān)測設備已經無法勝任。因此，如何充分、合理地發(fā)揮電纜的傳輸能力，如何對電纜運行狀態(tài)進行準確的監(jiān)測成為城市電網安全運行的重要課題。電纜載流量是基于IEC 60287標準計算得來的，與實際運行情況有很大差別，電纜載流過高，運行溫度超過允許值，會加速絕緣老化，影響電纜壽命；電纜載流過低，將造成資源浪費。

為滿足配電網運維管理的需求，一些新型的傳感檢測設備被開發(fā)并應用于10 kV電力電纜的在線監(jiān)測，如分布式光纖測溫系統(tǒng)（DTS），主要用于電纜運行溫度、應力及故障監(jiān)測和動態(tài)載流量調節(jié)。

1 智能電網概述

智能電網就是電網的智能化，也被稱為“電網2.0”，它是建立在集成、高速、雙向通信網絡的基礎上，以各種發(fā)電設備、輸配電設備、用電設備和儲能設備的物理電網為基礎，將現代先進的傳感器測量技術、通訊技術、信息技術、計算機技術、控制技術和決策支持系統(tǒng)技術與物理電網高度集成而形成的新型電網。

新型光纖傳感器具有絕緣、抗電磁干擾、耐高電壓、耐化學腐蝕、安全等特點，成為目前傳感領域的研究重點和熱點。新型光纖傳感器可沿光纖路徑上獲得被測量時間和空間的分布信息，具有長距離傳輸和分布式監(jiān)測的優(yōu)點，廣泛應用于發(fā)電廠、變電站和輸電線路進行電壓、電流、溫度、應變、局部放電量等物理量的監(jiān)測，是有效解決電力設備狀態(tài)監(jiān)測的關鍵技術，是智能電網的堅強技術支撐。

2 配電網智能電纜的特點

依據智能電網技術需求開發(fā)的配電網智能電纜，就是在電纜導體內植入新型光纖傳感器單元，通過與測控設備組合形成智能電纜系統(tǒng)，實現電纜運行動態(tài)測控、智能化運維管理、動態(tài)增容、狀態(tài)評估、風險預警等功能，并提升運維管理效率，有效保證供電的可靠性。

與傳統(tǒng)電纜相比，配電網智能電纜具有以下優(yōu)點：

（1）采用新型光纖傳感器，彌補了傳統(tǒng)傳感技術的不足，具有獨特的優(yōu)勢：①光纖傳感器既是信號的傳輸介質，又是敏感的傳感元件，具有靈敏度高，響應速度快，與電子系統(tǒng)易兼容，可實現“傳輸”和“傳感”合二為一等優(yōu)點。②具有無源特性，可實現不帶電遠距離測量，解決了有源傳感器植入電纜無法取電的技術缺陷，并且不存在過電壓問題，不存在漏電和電擊危險，具有良好的安全性。③具有分布式特點，可沿電纜長度方向分布式布置，實現了長距離連續(xù)監(jiān)測，可探測出沿著電纜長度方向不同位置的物理量，如溫度、應變等，實現真正意義的分布式監(jiān)控功能。④新型光纖傳感器不受電磁波干擾影響，具有很強的抗干擾能力。

（2）新型光纖傳感器直接植入電纜導體，可更直接、更準確地監(jiān)測電纜運行的各項物理量。

（3）隨著新型光纖傳感技術的發(fā)展，為產品的升級開發(fā)帶來了無限可能。

3 產品設計

3.1 技術路線

配電網智能電纜開發(fā)的依據是基于光時域反射技術，設計開發(fā)一種新型光纖傳感器，其核心技術是在電纜導體內植入新型光纖傳感器單元，實現在線分布式測控功能。

3.2 產品結構設計

配電網智能電纜的結構設計主要依據GB／T 12706.2，并在每芯導體中心植入新型光纖傳感器單元，纜芯之間植入了通訊光纜單元［1］，電纜型號為SG-YJV22 8.7／15 3×300的產品結構示意圖如圖1所示。

圖1 產品結構示意圖

3.3 產品性能設計

3.3.1 配電網智能電纜的使用特性

（1）導體最高長期工作溫度：90℃；

（2）短路時（持續(xù)最長為5 s）溫度：250℃；

（3）電纜最小允許彎曲半徑：12D（D為電纜外徑）。

3.3.2 測控主機技術參數

測控主機主要技術參數見表1。

表1 測控主機技術參數

3.3.3 新型光纖傳感器性能設計

（1）新型光纖傳感器直接植入電纜導體，其性能必須滿足導體最高長期工作溫度90℃和短路時（持續(xù)最長為5 s）溫度250℃的要求［2］。常規(guī)光纖長期工作溫度為-40℃至85℃，不滿足要求，因此新型光纖傳感器設計選用一種特種光纖，其長期工作溫度為-40℃至150℃。

（2）新型光纖傳感器應與測控主機技術參數相匹配，其設計選用型號為 GI 62.5／125（A1b）的多模光纖。

（3）新型光纖傳感器應滿足電纜最小允許彎曲半徑的要求，且應保證在電纜加工及施工過程中新型光纖傳感器可承受一定的拉伸力和壓扁力，因此新型光纖傳感器設計采用了松套光纜，護層采用了不銹鋼螺旋管和不銹鋼編織網加強結構。

（4）新型光纖傳感器主要性能見表2。

表2 新型光纖傳感器主要性能指標

4 新型光纖傳感器性能驗證

4.1 耐溫性能驗證

（1）長期工作溫度驗證

新型光纖傳感器選用一種特種光纖，按GB／T 15972.52通過了-40℃至150℃的溫度循環(huán)試驗，驗證了其長期最高工作溫度可達150℃，滿足電纜導體最高長期工作溫度90℃的要求。

（2）耐高溫性能驗證

將新型光纖傳感器整盤放入烘箱，如圖2所示，分別加熱 150 ℃、2 h，200 ℃、2 h，250 ℃、2 h，然后冷卻至常溫，測量各種條件下光纖衰減數值，以驗證新型光纖傳感器是否滿足電纜短路時250℃（5 s）的要求。試驗數據如表3。250℃、2 h光纖衰減OTDR測試曲線如圖3。

圖2 烘箱加熱試驗

表3 耐高溫性能驗證數據

圖3 光纖衰減OTDR測試曲線

由表3可知，新型光纖傳感器在短時內耐受250℃，光纖衰減滿足表2要求，驗證了新型光纖傳感器可滿足電纜短路時250℃（5 s）的要求。

4.2 允許拉伸力驗證

取3段試樣，每段50 m，用微電腦拉力機逐級進行拉力試驗，拉伸速率為100 mm／min，并用光功率計測量附加損耗，如圖4。試驗數據見表4、表5。

圖4 拉力試驗

表4 承受拉伸力試驗數據（長期200 N、5 min；測試波長1 300 nm） （單位：dB）

新型光纖傳感器允許拉伸力要求：長期200 N、保持5 min，附加損耗≤0.03 dB；短期300 N，保持1 min，附加損耗≤0.1 dB。

由表4可知，新型光纖傳感器承受長期允許拉伸力200 N、5 min，光纖附加損耗≤0.03 dB，符合設計要求。

表5 承受拉伸力試驗數據（短期300 N、1 min；測定波長1 300 nm） （單位：dB）

由表5可知，新型光纖傳感器承受短期允許拉伸力300 N、1 min，光纖附加損耗≤0.1 dB，符合設計要求。試驗證明新型光纖傳感器拉伸力達700 N時，仍符合設計要求；拉伸力大于700 N出現斷裂，并出現較大附加損耗。

4.3 允許壓扁力驗證

取3段試樣，每段50 m，用壓力裝置進行試驗，并用光功率計測量附加損耗，如圖5。試驗數據見表6。

新型光纖傳感器允許壓扁力的要求：長期3 000 N／10 cm，保持 5 min，附加損耗≤0.03 dB；短期4 000 N／10cm，保持 1 min，附加損耗≤0.1 dB。試驗后光纖傳感器應無目視可見的開裂。

圖5 壓力試驗

表6 承受壓扁力試驗數據（單位：dB）

由表6可知，新型光纖傳感器承受允許壓扁力：長期 3 000 N／10 cm，保持 5 min；短期 4 000 N／10 cm，保持1 min，未產生較大的附加損耗，且無目視可見的開裂，符合設計要求。

5 配電網智能電纜性能驗證

5.1 彎曲特性驗證

5.1.1 電纜彎曲試驗

電纜型號規(guī)格為SG-YJV22 8.7／15 3×300，導體直徑為 22.0 mm，電纜外徑為 93.5 mm，按 GB／T 12 706.2規(guī)定彎曲試驗的圓筒直徑應不大于15（d+D）×（1+5%），經計算以圓筒直徑1 700 mm為試驗標準，分別在 1 500，1 300，1 100，900 mm等不同直徑的圓柱體上進行彎曲試驗（正、反彎曲各1次計1次循環(huán)），隨后在1 300 nm波長下測試光纖衰減，以驗證配電網智能電纜的彎曲性能，試驗結果見表7。

表7 彎曲試驗數據

由表7可知，配電網智能電纜的彎曲性能滿足GB／T 12706.2的要求。

按GB／T 3048.12進行局部放電試驗，在1.73U0條件下，未檢測到超過試驗靈敏度（3.8 pC）的放電。

5.1.2 電纜運行時允許彎曲半徑驗證

在不同彎曲半徑下，在導體上通以電流加熱，直至溫度超過導體最高溫度5～10 K，并在溫度穩(wěn)定48 h后，在1 300 nm波長下測試光纖衰減，以驗證配電網智能電纜運行時的允許彎曲半徑，試驗結果見表8。

表8 運行允許彎曲半徑驗證結果

由表8可知，在不同彎曲半徑下（最小450 mm）通以電流，加熱，光纖特性未發(fā)生明顯變化，且電纜未發(fā)生任何局部放電，證明配電網智能電纜運行時允許彎曲半徑滿足12D（1 122 mm）的要求。

在92.9℃高溫下按GB／T 3048.12進行局部放電試驗，在1.73U0下，未檢測到超過（3.2 pC）靈敏度的放電。

5.1.3 電纜安裝時允許彎曲半徑驗證

在不同彎曲半徑（R）下，用鋼絲網套牽引，施加電纜允許最大牽引力（T），此時，電纜承受的側壓力P＝T／R。在1 300 nm波長下測試光纖衰減，以驗證配電網智能電纜安裝時的允許彎曲半徑，試驗結果見表9。

由表9可知，在不同彎曲半徑下（最小450 mm），施加電纜允許最大牽引力，電纜承受的最大側壓力達15.6 kN／m，光纖特性未發(fā)生明顯變化，且電纜未發(fā)生任何局部放電，證明配電網智能電纜安裝時允許彎曲半徑滿足12D（1 122 mm）的要求。

按GB／T 3048.12進行局部放電試驗，在1.73U0下，未檢測到超過試驗靈敏度（4.4 pC）的放電。

表9 安裝時允許彎曲半徑驗證數據

5.2 電纜抗扭轉特性驗證

在盤式成纜機上對電纜進行復繞，采用3150中心放線架放線，放線盤不旋轉退扭，通過牽引和收線左右方向旋轉復繞讓電纜產生扭轉，并在1 300 nm波長下測試光纖衰減特性，以驗證配電網智能電纜的抗扭轉特性，試驗結果見表10。

表10 抗扭轉驗證數據

由表10可知，配電網智能電纜在發(fā)生嚴重扭轉時光纖衰減將變大，并出現不連續(xù)點。

5.3 連接管壓接驗證

為驗證附件安裝時連接管壓接對光纖衰減性能的影響，在長度為1 500 m的配電網智能電纜中間，對導體連接管按附件安裝要求進行壓接，并在1 300 nm波長下測試光纖衰減，以驗證附件安裝時，壓接工藝對光纖衰減的影響，試驗結果見表11。

由表11可知，在附件安裝時，導體連接管壓接對光纖衰減性能不會造成影響。

5.4 熱循環(huán)試驗驗證

按GB／T 12706.2進行熱循環(huán)試驗，然后在1 300 nm波長下測試光纖衰減，以驗證配電網智能電纜是否滿足熱循環(huán)試驗要求，試驗結果見表12。

由表12可知，配電網智能電纜滿足 GB／T 12706.2規(guī)定的熱循環(huán)試驗要求。

表11 連接管壓接驗證數據

表12 熱循環(huán)試驗驗證數據

在高溫（90～95℃）下按GB／T 3048.12進行局部放電試驗，在1.73U0下，未檢測到超過試驗靈敏度（3.8 pC）的放電。

5.5 沖擊試驗驗證

按 GB／T 12706.2進行沖擊試驗，然后在1 300 nm波長下測試光纖衰減特性，以驗證配電網智能電纜是否滿足沖擊試驗要求，試驗結果見表13。

表13 沖擊試驗驗證結果

由表13可知，配電網智能電纜滿足 GB／T 12706.2規(guī)定的沖擊試驗要求。

沖擊試驗后，按工頻2.5U0、15 min進行耐壓試驗，絕緣未發(fā)生擊穿。

6 結束語

本工作介紹了配電網智能電纜和基于光時域反射技術新型光纖傳感器的設計開發(fā)，通過對關鍵性能的驗證和第三方權威機構進行的電纜系統(tǒng)型式試驗，結論如下：

（1）新型光纖傳感器植入電纜導體具有可行性，并可更直接、更準確地監(jiān)測電纜運行的各項物理量。具有靈敏度高、響應速率快、無源、分布式、不受電磁波干擾等特點，解決了有源傳感器植入電纜本體無法取電的技術缺陷。

（2）新型光纖傳感器滿足電纜導體最高長期工作溫度90℃，短路時250℃（5 s）的使用特性要求。其允許拉伸力和允許壓扁力符合設計要求，為電纜的生產加工提供了保障。

（3）配電網智能電纜的彎曲試驗滿足 GB／T 12706.2的要求，運行和安裝時允許彎曲半徑滿足12D的要求，并滿足GB／T 12706.2規(guī)定的熱循環(huán)和沖擊試驗的要求。

（4）配電網智能電纜在發(fā)生嚴重扭轉時光纖衰減將變大，并出現不連續(xù)點，在施工過程中為避免電纜發(fā)生扭轉，應加裝消扭器。

（5）電纜附件連接管安裝可直接采用壓接方式，但要控制壓縮量。