10 kV配电网智能电缆的研发

陈 钢， 邓声华， 刘和平， 黎照铭， 黄宝俊， 马 仲， 陈浩然， 刘泽华

（广州岭南电缆股份有限公司，广东广州511400）

0 引言

近些年来，随着我国城市化进程的加速和城市经济发展的推进，国家加快了配电网的建设，10 kV电力电缆的覆盖率和资产规模正在以空前的速度增加，为保证庞大网路安全、可靠和智能地运行，人工巡检方法和常规的监测设备已经无法胜任。因此，如何充分、合理地发挥电缆的传输能力，如何对电缆运行状态进行准确的监测成为城市电网安全运行的重要课题。电缆载流量是基于IEC 60287标准计算得来的，与实际运行情况有很大差别，电缆载流过高，运行温度超过允许值，会加速绝缘老化，影响电缆寿命；电缆载流过低，将造成资源浪费。

为满足配电网运维管理的需求，一些新型的传感检测设备被开发并应用于10 kV电力电缆的在线监测，如分布式光纤测温系统（DTS），主要用于电缆运行温度、应力及故障监测和动态载流量调节。

1 智能电网概述

智能电网就是电网的智能化，也被称为“电网2.0”，它是建立在集成、高速、双向通信网络的基础上，以各种发电设备、输配电设备、用电设备和储能设备的物理电网为基础，将现代先进的传感器测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术、控制技术和决策支持系统技术与物理电网高度集成而形成的新型电网。

新型光纤传感器具有绝缘、抗电磁干扰、耐高电压、耐化学腐蚀、安全等特点，成为目前传感领域的研究重点和热点。新型光纤传感器可沿光纤路径上获得被测量时间和空间的分布信息，具有长距离传输和分布式监测的优点，广泛应用于发电厂、变电站和输电线路进行电压、电流、温度、应变、局部放电量等物理量的监测，是有效解决电力设备状态监测的关键技术，是智能电网的坚强技术支撑。

2 配电网智能电缆的特点

依据智能电网技术需求开发的配电网智能电缆，就是在电缆导体内植入新型光纤传感器单元，通过与测控设备组合形成智能电缆系统，实现电缆运行动态测控、智能化运维管理、动态增容、状态评估、风险预警等功能，并提升运维管理效率，有效保证供电的可靠性。

与传统电缆相比，配电网智能电缆具有以下优点：

（1）采用新型光纤传感器，弥补了传统传感技术的不足，具有独特的优势：①光纤传感器既是信号的传输介质，又是敏感的传感元件，具有灵敏度高，响应速度快，与电子系统易兼容，可实现“传输”和“传感”合二为一等优点。②具有无源特性，可实现不带电远距离测量，解决了有源传感器植入电缆无法取电的技术缺陷，并且不存在过电压问题，不存在漏电和电击危险，具有良好的安全性。③具有分布式特点，可沿电缆长度方向分布式布置，实现了长距离连续监测，可探测出沿着电缆长度方向不同位置的物理量，如温度、应变等，实现真正意义的分布式监控功能。④新型光纤传感器不受电磁波干扰影响，具有很强的抗干扰能力。

（2）新型光纤传感器直接植入电缆导体，可更直接、更准确地监测电缆运行的各项物理量。

（3）随着新型光纤传感技术的发展，为产品的升级开发带来了无限可能。

3 产品设计

3.1 技术路线

配电网智能电缆开发的依据是基于光时域反射技术，设计开发一种新型光纤传感器，其核心技术是在电缆导体内植入新型光纤传感器单元，实现在线分布式测控功能。

3.2 产品结构设计

配电网智能电缆的结构设计主要依据GB／T 12706.2，并在每芯导体中心植入新型光纤传感器单元，缆芯之间植入了通讯光缆单元［1］，电缆型号为SG-YJV22 8.7／15 3×300的产品结构示意图如图1所示。

图1 产品结构示意图

3.3 产品性能设计

3.3.1 配电网智能电缆的使用特性

（1）导体最高长期工作温度：90℃；

（2）短路时（持续最长为5 s）温度：250℃；

（3）电缆最小允许弯曲半径：12D（D为电缆外径）。

3.3.2 测控主机技术参数

测控主机主要技术参数见表1。

表1 测控主机技术参数

3.3.3 新型光纤传感器性能设计

（1）新型光纤传感器直接植入电缆导体，其性能必须满足导体最高长期工作温度90℃和短路时（持续最长为5 s）温度250℃的要求［2］。常规光纤长期工作温度为-40℃至85℃，不满足要求，因此新型光纤传感器设计选用一种特种光纤，其长期工作温度为-40℃至150℃。

（2）新型光纤传感器应与测控主机技术参数相匹配，其设计选用型号为 GI 62.5／125（A1b）的多模光纤。

（3）新型光纤传感器应满足电缆最小允许弯曲半径的要求，且应保证在电缆加工及施工过程中新型光纤传感器可承受一定的拉伸力和压扁力，因此新型光纤传感器设计采用了松套光缆，护层采用了不锈钢螺旋管和不锈钢编织网加强结构。

（4）新型光纤传感器主要性能见表2。

表2 新型光纤传感器主要性能指标

4 新型光纤传感器性能验证

4.1 耐温性能验证

（1）长期工作温度验证

新型光纤传感器选用一种特种光纤，按GB／T 15972.52通过了-40℃至150℃的温度循环试验，验证了其长期最高工作温度可达150℃，满足电缆导体最高长期工作温度90℃的要求。

（2）耐高温性能验证

将新型光纤传感器整盘放入烘箱，如图2所示，分别加热 150 ℃、2 h，200 ℃、2 h，250 ℃、2 h，然后冷却至常温，测量各种条件下光纤衰减数值，以验证新型光纤传感器是否满足电缆短路时250℃（5 s）的要求。试验数据如表3。250℃、2 h光纤衰减OTDR测试曲线如图3。

图2 烘箱加热试验

表3 耐高温性能验证数据

图3 光纤衰减OTDR测试曲线

由表3可知，新型光纤传感器在短时内耐受250℃，光纤衰减满足表2要求，验证了新型光纤传感器可满足电缆短路时250℃（5 s）的要求。

4.2 允许拉伸力验证

取3段试样，每段50 m，用微电脑拉力机逐级进行拉力试验，拉伸速率为100 mm／min，并用光功率计测量附加损耗，如图4。试验数据见表4、表5。

图4 拉力试验

表4 承受拉伸力试验数据（长期200 N、5 min；测试波长1 300 nm） （单位：dB）

新型光纤传感器允许拉伸力要求：长期200 N、保持5 min，附加损耗≤0.03 dB；短期300 N，保持1 min，附加损耗≤0.1 dB。

由表4可知，新型光纤传感器承受长期允许拉伸力200 N、5 min，光纤附加损耗≤0.03 dB，符合设计要求。

表5 承受拉伸力试验数据（短期300 N、1 min；测定波长1 300 nm） （单位：dB）

由表5可知，新型光纤传感器承受短期允许拉伸力300 N、1 min，光纤附加损耗≤0.1 dB，符合设计要求。试验证明新型光纤传感器拉伸力达700 N时，仍符合设计要求；拉伸力大于700 N出现断裂，并出现较大附加损耗。

4.3 允许压扁力验证

取3段试样，每段50 m，用压力装置进行试验，并用光功率计测量附加损耗，如图5。试验数据见表6。

新型光纤传感器允许压扁力的要求：长期3 000 N／10 cm，保持 5 min，附加损耗≤0.03 dB；短期4 000 N／10cm，保持 1 min，附加损耗≤0.1 dB。试验后光纤传感器应无目视可见的开裂。

图5 压力试验

表6 承受压扁力试验数据（单位：dB）

由表6可知，新型光纤传感器承受允许压扁力：长期 3 000 N／10 cm，保持 5 min；短期 4 000 N／10 cm，保持1 min，未产生较大的附加损耗，且无目视可见的开裂，符合设计要求。

5 配电网智能电缆性能验证

5.1 弯曲特性验证

5.1.1 电缆弯曲试验

电缆型号规格为SG-YJV22 8.7／15 3×300，导体直径为 22.0 mm，电缆外径为 93.5 mm，按 GB／T 12 706.2规定弯曲试验的圆筒直径应不大于15（d+D）×（1+5%），经计算以圆筒直径1 700 mm为试验标准，分别在 1 500，1 300，1 100，900 mm等不同直径的圆柱体上进行弯曲试验（正、反弯曲各1次计1次循环），随后在1 300 nm波长下测试光纤衰减，以验证配电网智能电缆的弯曲性能，试验结果见表7。

表7 弯曲试验数据

由表7可知，配电网智能电缆的弯曲性能满足GB／T 12706.2的要求。

按GB／T 3048.12进行局部放电试验，在1.73U0条件下，未检测到超过试验灵敏度（3.8 pC）的放电。

5.1.2 电缆运行时允许弯曲半径验证

在不同弯曲半径下，在导体上通以电流加热，直至温度超过导体最高温度5～10 K，并在温度稳定48 h后，在1 300 nm波长下测试光纤衰减，以验证配电网智能电缆运行时的允许弯曲半径，试验结果见表8。

表8 运行允许弯曲半径验证结果

由表8可知，在不同弯曲半径下（最小450 mm）通以电流，加热，光纤特性未发生明显变化，且电缆未发生任何局部放电，证明配电网智能电缆运行时允许弯曲半径满足12D（1 122 mm）的要求。

在92.9℃高温下按GB／T 3048.12进行局部放电试验，在1.73U0下，未检测到超过（3.2 pC）灵敏度的放电。

5.1.3 电缆安装时允许弯曲半径验证

在不同弯曲半径（R）下，用钢丝网套牵引，施加电缆允许最大牵引力（T），此时，电缆承受的侧压力P＝T／R。在1 300 nm波长下测试光纤衰减，以验证配电网智能电缆安装时的允许弯曲半径，试验结果见表9。

由表9可知，在不同弯曲半径下（最小450 mm），施加电缆允许最大牵引力，电缆承受的最大侧压力达15.6 kN／m，光纤特性未发生明显变化，且电缆未发生任何局部放电，证明配电网智能电缆安装时允许弯曲半径满足12D（1 122 mm）的要求。

按GB／T 3048.12进行局部放电试验，在1.73U0下，未检测到超过试验灵敏度（4.4 pC）的放电。

表9 安装时允许弯曲半径验证数据

5.2 电缆抗扭转特性验证

在盘式成缆机上对电缆进行复绕，采用3150中心放线架放线，放线盘不旋转退扭，通过牵引和收线左右方向旋转复绕让电缆产生扭转，并在1 300 nm波长下测试光纤衰减特性，以验证配电网智能电缆的抗扭转特性，试验结果见表10。

表10 抗扭转验证数据

由表10可知，配电网智能电缆在发生严重扭转时光纤衰减将变大，并出现不连续点。

5.3 连接管压接验证

为验证附件安装时连接管压接对光纤衰减性能的影响，在长度为1 500 m的配电网智能电缆中间，对导体连接管按附件安装要求进行压接，并在1 300 nm波长下测试光纤衰减，以验证附件安装时，压接工艺对光纤衰减的影响，试验结果见表11。

由表11可知，在附件安装时，导体连接管压接对光纤衰减性能不会造成影响。

5.4 热循环试验验证

按GB／T 12706.2进行热循环试验，然后在1 300 nm波长下测试光纤衰减，以验证配电网智能电缆是否满足热循环试验要求，试验结果见表12。

由表12可知，配电网智能电缆满足 GB／T 12706.2规定的热循环试验要求。

表11 连接管压接验证数据

表12 热循环试验验证数据

在高温（90～95℃）下按GB／T 3048.12进行局部放电试验，在1.73U0下，未检测到超过试验灵敏度（3.8 pC）的放电。

5.5 冲击试验验证

按 GB／T 12706.2进行冲击试验，然后在1 300 nm波长下测试光纤衰减特性，以验证配电网智能电缆是否满足冲击试验要求，试验结果见表13。

表13 冲击试验验证结果

由表13可知，配电网智能电缆满足 GB／T 12706.2规定的冲击试验要求。

冲击试验后，按工频2.5U0、15 min进行耐压试验，绝缘未发生击穿。

6 结束语

本工作介绍了配电网智能电缆和基于光时域反射技术新型光纤传感器的设计开发，通过对关键性能的验证和第三方权威机构进行的电缆系统型式试验，结论如下：

（1）新型光纤传感器植入电缆导体具有可行性，并可更直接、更准确地监测电缆运行的各项物理量。具有灵敏度高、响应速率快、无源、分布式、不受电磁波干扰等特点，解决了有源传感器植入电缆本体无法取电的技术缺陷。

（2）新型光纤传感器满足电缆导体最高长期工作温度90℃，短路时250℃（5 s）的使用特性要求。其允许拉伸力和允许压扁力符合设计要求，为电缆的生产加工提供了保障。

（3）配电网智能电缆的弯曲试验满足 GB／T 12706.2的要求，运行和安装时允许弯曲半径满足12D的要求，并满足GB／T 12706.2规定的热循环和冲击试验的要求。

（4）配电网智能电缆在发生严重扭转时光纤衰减将变大，并出现不连续点，在施工过程中为避免电缆发生扭转，应加装消扭器。

（5）电缆附件连接管安装可直接采用压接方式，但要控制压缩量。