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(guó)城市化進(jìn)程的加速和城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推進(jìn)，國(guó)家加快了配電網(wǎng)的建設(shè)，10 kV電力電纜的覆蓋率和資產(chǎn)規(guī)模正在以空前的速度增加，為保證龐大網(wǎng)路安全、可靠和智能地運(yùn)行，人工巡檢方法和常規(guī)的監(jiān)測(cè)設(shè)備已經(jīng)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(duì)電纜運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)成為城市電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要課題。電纜載流量是基于IEC 60287標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得來的，與實(shí)際運(yùn)行情況有很大差別，電纜載流過高，運(yùn)行溫度超過允許值，會(huì)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(fèi)。

為滿足配電網(wǎng)運(yùn)維管理的需求，一些新型的傳感檢測(cè)設(shè)備被開發(fā)并應(yīng)用于10 kV電力電纜的在線監(jiān)測(cè)，如分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)（DTS），主要用于電纜運(yùn)行溫度、應(yīng)力及故障監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)載流量調(diào)節(jié)。

1 智能電網(wǎng)概述

智能電網(wǎng)就是電網(wǎng)的智能化，也被稱為“電網(wǎng)2.0”，它是建立在集成、高速、雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，以各種發(fā)電設(shè)備、輸配電設(shè)備、用電設(shè)備和儲(chǔ)能設(shè)備的物理電網(wǎng)為基礎(chǔ)，將現(xiàn)代先進(jìn)的傳感器測(cè)量技術(shù)、通訊技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和決策支持系統(tǒng)技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成而形成的新型電網(wǎng)。

新型光纖傳感器具有絕緣、抗電磁干擾、耐高電壓、耐化學(xué)腐蝕、安全等特點(diǎn)，成為目前傳感領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。新型光纖傳感器可沿光纖路徑上獲得被測(cè)量時(shí)間和空間的分布信息，具有長(zhǎng)距離傳輸和分布式監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、變電站和輸電線路進(jìn)行電壓、電流、溫度、應(yīng)變、局部放電量等物理量的監(jiān)測(cè)，是有效解決電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，是智能電網(wǎng)的堅(jiān)強(qiáng)技術(shù)支撐。

2 配電網(wǎng)智能電纜的特點(diǎn)

依據(jù)智能電網(wǎng)技術(shù)需求開發(fā)的配電網(wǎng)智能電纜，就是在電纜導(dǎo)體內(nèi)植入新型光纖傳感器單元，通過與測(cè)控設(shè)備組合形成智能電纜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電纜運(yùn)行動(dòng)態(tài)測(cè)控、智能化運(yùn)維管理、動(dòng)態(tài)增容、狀態(tài)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等功能，并提升運(yùn)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(wǎng)智能電纜具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用新型光纖傳感器，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)傳感技術(shù)的不足，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：①光纖傳感器既是信號(hào)的傳輸介質(zhì)，又是敏感的傳感元件，具有靈敏度高，響應(yīng)速度快，與電子系統(tǒng)易兼容，可實(shí)現(xiàn)“傳輸”和“傳感”合二為一等優(yōu)點(diǎn)。②具有無源特性，可實(shí)現(xiàn)不帶電遠(yuǎn)距離測(cè)量，解決了有源傳感器植入電纜無法取電的技術(shù)缺陷，并且不存在過電壓?jiǎn)栴}，不存在漏電和電擊危險(xiǎn)，具有良好的安全性。③具有分布式特點(diǎn)，可沿電纜長(zhǎng)度方向分布式布置，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離連續(xù)監(jiān)測(cè)，可探測(cè)出沿著電纜長(zhǎng)度方向不同位置的物理量，如溫度、應(yīng)變等，實(shí)現(xiàn)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(qiáng)的抗干擾能力。

（2）新型光纖傳感器直接植入電纜導(dǎo)體，可更直接、更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)電纜運(yùn)行的各項(xiàng)物理量。

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

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

3.1 技術(shù)路線

配電網(wǎng)智能電纜開發(fā)的依據(jù)是基于光時(shí)域反射技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)一種新型光纖傳感器，其核心技術(shù)是在電纜導(dǎo)體內(nèi)植入新型光纖傳感器單元，實(shí)現(xiàn)在線分布式測(cè)控功能。

3.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)智能電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依據(jù)GB／T 12706.2，并在每芯導(dǎo)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(hào)為SG-YJV22 8.7／15 3×300的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)

3.3.1 配電網(wǎng)智能電纜的使用特性

（1）導(dǎo)體最高長(zhǎng)期工作溫度：90℃；

（2）短路時(shí)（持續(xù)最長(zhǎng)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(cè)控主機(jī)技術(shù)參數(shù)

測(cè)控主機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 測(cè)控主機(jī)技術(shù)參數(shù)

3.3.3 新型光纖傳感器性能設(shè)計(jì)

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

（2）新型光纖傳感器應(yīng)與測(cè)控主機(jī)技術(shù)參數(shù)相匹配，其設(shè)計(jì)選用型號(hào)為 GI 62.5／125（A1b）的多模光纖。

（3）新型光纖傳感器應(yīng)滿足電纜最小允許彎曲半徑的要求，且應(yīng)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(shè)計(jì)采用了松套光纜，護(hù)層采用了不銹鋼螺旋管和不銹鋼編織網(wǎng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

（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(biāo)

4 新型光纖傳感器性能驗(yàn)證

4.1 耐溫性能驗(yàn)證

（1）長(zhǎng)期工作溫度驗(yàn)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(yàn)，驗(yàn)證了其長(zhǎng)期最高工作溫度可達(dá)150℃，滿足電纜導(dǎo)體最高長(zhǎng)期工作溫度90℃的要求。

（2）耐高溫性能驗(yàn)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(cè)量各種條件下光纖衰減數(shù)值，以驗(yàn)證新型光纖傳感器是否滿足電纜短路時(shí)250℃（5 s）的要求。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3。250℃、2 h光纖衰減OTDR測(cè)試曲線如圖3。

圖2 烘箱加熱試驗(yàn)

表3 耐高溫性能驗(yàn)證數(shù)據(jù)

圖3 光纖衰減OTDR測(cè)試曲線

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

4.2 允許拉伸力驗(yàn)證

取3段試樣，每段50 m，用微電腦拉力機(jī)逐級(jí)進(jìn)行拉力試驗(yàn)，拉伸速率為100 mm／min，并用光功率計(jì)測(cè)量附加損耗，如圖4。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4、表5。

圖4 拉力試驗(yàn)

表4 承受拉伸力試驗(yàn)數(shù)據(jù)（長(zhǎng)期200 N、5 min；測(cè)試波長(zhǎng)1 300 nm） （單位：dB）

新型光纖傳感器允許拉伸力要求：長(zhǎng)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(zhǎng)期允許拉伸力200 N、5 min，光纖附加損耗≤0.03 dB，符合設(shè)計(jì)要求。

表5 承受拉伸力試驗(yàn)數(shù)據(jù)（短期300 N、1 min；測(cè)定波長(zhǎng)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(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)證明新型光纖傳感器拉伸力達(dá)700 N時(shí)，仍符合設(shè)計(jì)要求；拉伸力大于700 N出現(xiàn)斷裂，并出現(xiàn)較大附加損耗。

4.3 允許壓扁力驗(yàn)證

取3段試樣，每段50 m，用壓力裝置進(jìn)行試驗(yàn)，并用光功率計(jì)測(cè)量附加損耗，如圖5。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

新型光纖傳感器允許壓扁力的要求：長(zhǎng)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(yàn)后光纖傳感器應(yīng)無目視可見的開裂。

圖5 壓力試驗(yàn)

表6 承受壓扁力試驗(yàn)數(shù)據(jù)（單位：dB）

由表6可知，新型光纖傳感器承受允許壓扁力：長(zhǎng)期 3 000 N／10 cm，保持 5 min；短期 4 000 N／10 cm，保持1 min，未產(chǎn)生較大的附加損耗，且無目視可見的開裂，符合設(shè)計(jì)要求。

5 配電網(wǎng)智能電纜性能驗(yàn)證

5.1 彎曲特性驗(yàn)證

5.1.1 電纜彎曲試驗(yàn)

電纜型號(hào)規(guī)格為SG-YJV22 8.7／15 3×300，導(dǎo)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(yàn)的圓筒直徑應(yīng)不大于15（d+D）×（1+5%），經(jīng)計(jì)算以圓筒直徑1 700 mm為試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，分別在 1 500，1 300，1 100，900 mm等不同直徑的圓柱體上進(jìn)行彎曲試驗(yàn)（正、反彎曲各1次計(jì)1次循環(huán)），隨后在1 300 nm波長(zhǎng)下測(cè)試光纖衰減，以驗(yàn)證配電網(wǎng)智能電纜的彎曲性能，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表7可知，配電網(wǎng)智能電纜的彎曲性能滿足GB／T 12706.2的要求。

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

5.1.2 電纜運(yùn)行時(shí)允許彎曲半徑驗(yàn)證

在不同彎曲半徑下，在導(dǎo)體上通以電流加熱，直至溫度超過導(dǎo)體最高溫度5～10 K，并在溫度穩(wěn)定48 h后，在1 300 nm波長(zhǎng)下測(cè)試光纖衰減，以驗(yàn)證配電網(wǎng)智能電纜運(yùn)行時(shí)的允許彎曲半徑，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 運(yùn)行允許彎曲半徑驗(yàn)證結(jié)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(wǎng)智能電纜運(yùn)行時(shí)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(jìn)行局部放電試驗(yàn)，在1.73U0下，未檢測(cè)到超過（3.2 pC）靈敏度的放電。

5.1.3 電纜安裝時(shí)允許彎曲半徑驗(yàn)證

在不同彎曲半徑（R）下，用鋼絲網(wǎng)套牽引，施加電纜允許最大牽引力（T），此時(shí)，電纜承受的側(cè)壓力P＝T／R。在1 300 nm波長(zhǎng)下測(cè)試光纖衰減，以驗(yàn)證配電網(wǎng)智能電纜安裝時(shí)的允許彎曲半徑，試驗(yàn)結(jié)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(cè)壓力達(dá)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(wǎng)智能電纜安裝時(shí)允許彎曲半徑滿足12D（1 122 mm）的要求。

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

表9 安裝時(shí)允許彎曲半徑驗(yàn)證數(shù)據(jù)

5.2 電纜抗扭轉(zhuǎn)特性驗(yàn)證

在盤式成纜機(jī)上對(duì)電纜進(jìn)行復(fù)繞，采用3150中心放線架放線，放線盤不旋轉(zhuǎn)退扭，通過牽引和收線左右方向旋轉(zhuǎn)復(fù)繞讓電纜產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，并在1 300 nm波長(zhǎng)下測(cè)試光纖衰減特性，以驗(yàn)證配電網(wǎng)智能電纜的抗扭轉(zhuǎn)特性，試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10 抗扭轉(zhuǎn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)

由表10可知，配電網(wǎng)智能電纜在發(fā)生嚴(yán)重扭轉(zhuǎn)時(shí)光纖衰減將變大，并出現(xiàn)不連續(xù)點(diǎn)。

5.3 連接管壓接驗(yàn)證

為驗(yàn)證附件安裝時(shí)連接管壓接對(duì)光纖衰減性能的影響，在長(zhǎng)度為1 500 m的配電網(wǎng)智能電纜中間，對(duì)導(dǎo)體連接管按附件安裝要求進(jìn)行壓接，并在1 300 nm波長(zhǎng)下測(cè)試光纖衰減，以驗(yàn)證附件安裝時(shí)，壓接工藝對(duì)光纖衰減的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表11。

由表11可知，在附件安裝時(shí)，導(dǎo)體連接管壓接對(duì)光纖衰減性能不會(huì)造成影響。

5.4 熱循環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證

按GB／T 12706.2進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)，然后在1 300 nm波長(zhǎng)下測(cè)試光纖衰減，以驗(yàn)證配電網(wǎng)智能電纜是否滿足熱循環(huán)試驗(yàn)要求，試驗(yàn)結(jié)果見表12。

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

表11 連接管壓接驗(yàn)證數(shù)據(jù)

表12 熱循環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)

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

5.5 沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證

按 GB／T 12706.2進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，然后在1 300 nm波長(zhǎng)下測(cè)試光纖衰減特性，以驗(yàn)證配電網(wǎng)智能電纜是否滿足沖擊試驗(yàn)要求，試驗(yàn)結(jié)果見表13。

表13 沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

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

沖擊試驗(yàn)后，按工頻2.5U0、15 min進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，絕緣未發(fā)生擊穿。

6 結(jié)束語(yǔ)

本工作介紹了配電網(wǎng)智能電纜和基于光時(shí)域反射技術(shù)新型光纖傳感器的設(shè)計(jì)開發(fā)，通過對(duì)關(guān)鍵性能的驗(yàn)證和第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行的電纜系統(tǒng)型式試驗(yàn)，結(jié)論如下：

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

（2）新型光纖傳感器滿足電纜導(dǎo)體最高長(zhǎng)期工作溫度90℃，短路時(shí)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(shè)計(jì)要求，為電纜的生產(chǎn)加工提供了保障。

（3）配電網(wǎng)智能電纜的彎曲試驗(yàn)滿足 GB／T 12706.2的要求，運(yùn)行和安裝時(shí)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(yàn)的要求。

（4）配電網(wǎng)智能電纜在發(fā)生嚴(yán)重扭轉(zhuǎn)時(shí)光纖衰減將變大，并出現(xiàn)不連續(xù)點(diǎn)，在施工過程中為避免電纜發(fā)生扭轉(zhuǎn)，應(yīng)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。