摘要：本文通过总结现有高压单芯电缆光纤测温方案的优缺点，首次提出将光纤内置与电缆导体之中，再分析光纤内置于电缆导体之中后的电缆及附件生产的主要技术难点，并提出相应的解决方案。最后，列举导体内置光纤的应用范围，包括电缆导体温度的精准测量、火灾预警及载流量计算公式的修正，对日后电缆安全运行及传输容量提升都具有深远影响。
关键词：导体内置光纤；在线监测；载流量修正。
1引言
随着城市的不断发展，受土地规划条件及市容市貌等因素制约，城区电网逐渐转换为以电缆线路为主。因城区负荷密度高、增长速度快，部分发达城市中[1]，现有电网已无法满足城市发展需求，必然需提升电缆线路的输送容量。而提升电缆线路载流量，必需准确实时监控电缆导体温度。目前，实时监测电缆导体温度的方式有如下两种：将感温光纤表贴于外护层之上（表贴式）、将感温光纤内置于电缆金属护套与绝缘层之间（内置式）。此两种方式监测的仅为绝缘层外侧温度，更靠近外部环境，同样受外界环境因素的影响[2、3]。考虑此两种方式均受外界环境影响较大，所推算电缆导体温度误差较大，故本文提出将测温光纤内置于导体之中，直接测量电缆导体温度、监控电缆运行状态，避免高压电缆事故。
2电缆导体内置光纤方案
在电缆导体中心预留光纤通道，光纤呈一定螺旋形布置于通道内，以保证电缆温度变化时导体伸缩不会导致光纤损坏。光纤接续与电缆接续同步，接头制作时，需剥除一段导体，露出100mm～200mm的光纤，以保证光纤的接头制作。这种光纤内置方案，光纤位于监测导体温度、局部放电的最佳位置，可真实、准确地反映电缆运行状态。
光纤内置于电缆导体之中，优点如下：所测温度即为导体温度，无需转换；光纤所处位置电场几乎为零，不会影响光纤测温信号的传输；与电缆主绝缘位置不重叠，即便发生损坏，亦不会影响电缆安全运行。
3导体内置光纤主要技术难点
1）光纤选型，需保证光纤在130℃时性能不发生变化，并可在反复扭转而不影响检测距离及精度；
2）光纤接头尺寸优化，可在电缆导体压接管中实现光纤的接续；
3）导体内置光纤后的电缆生产工艺优化，避免生产过程中光纤发生损坏；
4）电缆中间接头设计，应留有足够空间，保证光纤的接续；电缆导体压接时，需保证光纤的完好。
4难点解决措施设想
4.1光纤选型
普通光纤使用最高允许温度低于90℃，而电缆导体长期允许的工作温度为90℃，短期内可能高达100℃（电缆过载运行时），所以普通光纤难以满足本方案设计需求。根据光纤环境条件，采用耐热材料设计的62.5μm芯径的多模耐高温光纤，该光纤可在150℃的环境中正常运行；且具有高柔韧性，高抗疲劳性，可来回反复扭转而不影响检测距离，不衰减。
4.2光纤接头外形尺寸优化
以110kV、1200mm2截面铜导体为例，其直径可达42mm；接头处通过压接的铜管导电，即两段导体之间的距离可以控制在150mm以上。由此可知光纤接头大小直径小于42mm，长度小于150mm。
正常情况下，光纤接头由余缆收容板、套管、支架光纤固定夹、护肩、主热缩管、辅助热缩管等部分组成，接头体积远大于铜导体之间的间隙。分析内置光纤所在位置特点可知，新建光纤接头芯数少（一般不超过4芯）、无需防水、防潮、防外力破坏，故可取消光纤接续设计中的防水、防潮、防外力破坏部分的结构，同时并对光纤接头的固定加以优化。优化后光纤接头直径不超过15mm，长度不超过50mm（按4芯计算）。优化后的光纤接头远小于铜导体压接管之间的中空位置大小，可满足光纤余缆的摆放及光纤接续、安装要求。
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4.3导体内置光纤后的电缆生产工艺
1）电缆结构及成缆工艺优化：导体采用优化的分割块设计，并优化导体单丝直径和每层的紧压系数及绞合节距，避免在成缆时对光纤压力过大而导致光纤挤压变形；解决成缆时光纤退扭不同步而导致光纤扭转变形或影响光纤的光学性能的问题。
2）优化三层共挤工艺：三层共挤工艺中严格控制导体在硫化管中的温度和停留时间，保证绝缘交联度符合标准要求，避免导体过度温升导致光纤受热变形。
3）光纤通道强度设计：光纤通道为具备一定强度的不锈钢管，保证电缆接头处铜管压接时不损伤光纤通道，并在光纤外设置铠装层，提高光纤的耐压性能。
4.4电缆中间接头设计
因光纤的接续、引出均在电缆导体压接管中进行，故导体内置光纤后，接头设计主要集中于压接管上。为保证光纤的接续引出，需将压接管长度适度加长，保证压接管中空部分在150mm左右；同时，在压接管侧面设计有两处宽约8mm，长50mm的方形槽，以便余缆的引出与接续。这样，即可实现在导体压接完成之后，在压接管外进行光纤的接续，接续完成后再将光纤接头置放回接续管之中。
4.5电缆终端头设计
正常情况下，光纤在电缆终端头处随导体一起从终端头顶部引出，这样必然涉及到光纤引出后的保护问题、绝缘问题等，而此时光纤处于高压环境中，处理极为困难。为避免此问题的发生，将光纤调整至终端头尾部引出，即光纤随铜导体引至电缆头上不时，从导体内穿出，在导体四周的油道中下行，从终端头的尾管处引出。因尾管位于终端头底座处，与大地相连，处于零电位，这样即可巧妙地避免了光纤在高压环境中引出时的固定、保护及绝缘配置问题。
5导体内置光纤的应用
电缆导体内置后，可用于实时检测导体温度、电缆火灾报警，并可对载流量计算公式修正，下面对载流量修正简述如下：
目前，电缆载流量的计算基本都是采用IEC60287进行，该规程计算载流量结果与实际可输送容量偏差较大。以三回路电缆为例，其载流量计算值仅为单回路的70%，而实际运行经验表明，此载流量下电缆线芯温度远未达到90℃，这样电缆输送能力得不到发挥，造成了资金和有色金属的浪费。
电缆内置光纤后，可精确实时监测精准测量线芯温度及其对应的载流量，再通过电缆敷设环境，计算电缆载流量，对比实测载流量与监测载流量的大小，即可判断IEC60287的准确性。并在大量实测数据、理论计算和推导的基础上，对原IEC60287中的载流量计算公式进行验证和修正。
6结论与展望
1）根据现有电缆测温方式的优缺点，首次提出将测温光纤内置于导体内部，以更精准地实现导体温度测量。
2）分析了电缆导体内置光纤的主要技术难点，并提出了相应的解决方案，主要包括测温光纤的选型、内置光纤后电缆生产工艺控制、电缆中间接头及终端头结构设计。
3）多回路电缆载流量计算公式过于保守，载流量计算值偏小。导体内置光纤的设计，不仅可实时监控电缆线芯温度，而且可推算电缆敷设环境与载流量的对应关系，从而对目前的载流量计算公式进行验证和修正。
参考文献
1李荣伟,李永倩. 高压电缆用分布式光纤传感检测系统[J]. 光纤与电缆及其应用技术.2010(1)：38-41
2刘英,曹晓珑. 电力电缆在线测温及载流量监测的研究进展与应用[J].电网与水力发电进展.2007(8)：11-14
3江日洪. 交联聚乙烯电力电缆线路（第二版）[M].中国电力出版社.2008
作者简介：
陈雄波（1982—），男，工程师，从事送电线路设计工作。
王 辉（1990—），男，助理工程师，从事电缆线路设计工作。
论文作者:陈雄波,王辉
论文发表刊物:《电力设备》2017年第3期
论文发表时间:2017/4/27
标签：光纤论文; 导体论文; 电缆论文; 测温论文; 流量论文; 温度论文; 终端论文; 《电力设备》2017年第3期论文;