分布式光纤测温技术在高压及超高压电缆中应用解决方案

分布式光纤测温技术高压电缆测温解决方案

分布式光纤测温技术是未来高压及超高压电缆智能测温的发展方向。电缆分布式光纤监测系统是沿整个电缆传输系统分布的检测系统, 通过利用光纤分布式监测系统对运行电缆的温度进行实时在线监测, 跟踪电缆温度变化的过程并对发热点进行准确定位, 还可结合周围环境的状况分析输电线路安全性。220 kV高压智能测温电缆是本公司自主设计的一种高压光纤复合测温电缆, 电缆中独特的内置光纤结构设计使其具有分布式光纤测温能力, 可实时监测线路运行时的温度变化。对电缆内置光纤放置过程存在的缺陷进行了分析, 进而设计了一种光纤S形摆动装置。

电缆内置光纤的结构特点

通过多次试验、反复比较, 本公司自主设计的220 kV高压智能测温电缆内置光纤采用了独特的结构, 即光纤采用S形放置于皱纹铝护套与绝缘线芯顶部的缝隙之间 (采用缓冲带垫片作保护层以防止光纤在生产时受到压力损伤, 或者受到挤包铝护套时产生的高温烫伤) ,该电缆内置光纤的S形放置结构设计避免了以下弊端:a.光纤内置于电缆内部的方式有与电缆纵向直线平行和绕包两种。当电缆通电运行时, 导体及绝缘的温度会升高, 由于光纤的线膨胀系数与导体及绝缘材料的线膨胀系数相差较大, 因此如光纤采用与电缆纵向直线平行方式放置时, 固定在电缆铝护套内表面或绝缘线芯外表面上的光纤可能会因不能与受热电缆同步伸长而受到拉伸应力, 导致光纤附加衰减增加, 影响光纤测温准确性。同时, 由于高压电缆直径较大, 当电缆弯曲时, 外侧长度会被拉长, 如与电缆纵向直线平行方式放置的光纤正好处于弯曲外侧, 则极有可能被拉断。b.如光纤采用螺旋形绕包在电缆绝缘线芯缓冲带外表面上时, 在成品电缆上盘或安装敷设下盘时电缆会产生弯曲或扭曲, 使光纤也随之发生弯曲或扭曲。如果电缆以绕包方向同向扭曲时光纤会被勒紧伸长, 如果电缆以绕包方向反向扭曲时光纤会发生松弛, 即使在电缆弯曲或扭曲复原后, 光纤仍会有皱纹扭曲存在, 导致光纤附加衰减增加, 影响光纤测温准确性。c.如光纤采用螺旋形缠绕在绝缘线芯外表面上时, 绝缘线芯受热膨胀时, 使紧密缠绕在绝缘线芯上的光纤受到应力作用。电缆是在常温下生产, 当通电满负荷运行时, 导体温度有时会达到90 ℃, 从常温升到90 ℃时, 绝缘厚度将膨胀1.5 mm左右, 即绝缘外径将膨胀3 mm左右, 紧密缠绕在绝缘线芯上的光纤将无法吸收这部分膨胀体积, 从而导致光纤附加衰减增加, 影响光纤测温准确性[3]。

该电缆内置光纤的S形放置结构设计具有以下优点:我国高压交联聚乙烯绝缘电力电缆大部分采用表面呈波纹形状具有一定挠性的铝护套 (即皱纹铝护套) , 在铝护套和电缆绝缘线芯表面的缓冲带之间有一定的空隙。当光纤采用S形放置于皱纹铝护套与绝缘线芯顶部的缝隙之间时, 可减少成品电缆上盘或安装敷设下盘时拉力使电缆产生弯曲或扭曲对光纤的影响。由于大规格高压电缆的重量较重, 在挤包电缆铝护套或氩弧焊电缆铝护套时绝缘线芯易下沉到铝护套的套内下方, 电缆绝缘线芯和皱纹铝护套的内侧凸出部分易相互挤压, 光纤在绝缘线芯表面上的S形放置方式避免了螺旋形绕包方式时光纤易受挤损伤的不足。

原220 kV高压智能测温电缆内置光纤放置工艺流程为:a.在缓冲带绕包的前端部位, 2名操作工将光纤沿电缆长度方向呈S形或蛇形放置于电缆绝缘线芯上, S形节距为400～500 mm, S形波幅为30～40 mm;b.采用半导电胶带 (50 mm (长) ×10 mm (宽) ) 垂直于电缆方向将光纤粘在电缆绝缘线芯上;c.采用2层宽160 mm、厚2.0 mm的半导电缓冲阻水带覆盖在胶带粘好的光纤上面进行保护, 半导电缓冲阻水带两侧采用胶带每隔500～600 mm于光纤S形波峰处各粘一次, 当半导电缓冲阻水带有接头时采用胶带上下2层粘贴[4];d.在电缆前后两端0.5 m范围内不加光纤, 以防止在制作端头时损坏光纤;电缆的收线盘内径应大于20D (D为电缆直径) , 以防止电缆弯曲半径过小, 损伤光纤;e.进入皱纹铝护套工序以及外护套工序后, 与普通高压电缆生产过程一样, 但要在生产过程中避免电缆遭受猛烈或过大的瞬时强拉力, 保持电缆的恒张力收放过程以及成品电缆的收线盘内径大于20D。

虽然采用该工艺流程生产的220 kV高压智能测温电缆性能测试结果合格, 但仍存在问题:采用人工方式, 人为将光纤摆成S形, 用胶带粘牢, 再进行绕包带缠包, 造成生产效率低、操作人员劳动强度大、光纤S形不规则、效果不理想, 同时因电缆生产时有一定前行速度, 在电缆前行时依靠人工将光纤放置在电缆绝缘表面, 存在安全隐患, 易造成安全生产事故。

电缆内置光纤S形摆动装置设计

光纤S形摆动装置设计

针对原220 kV高压智能测温电缆人工方式内置光纤工艺的不足, 设计了一种光纤S形摆动装置 (即光纤摆动器) ,该装置主要由摩擦轮、齿轮传动机构、偏心轮、摆 (动) 臂等组成。

该装置属于无动力摆动装置, 电缆外圆周侧面设计有一个贴紧电缆并随电缆行进而转动的摩擦轮, 摩擦轮的转轴与电缆行进方向垂直;电缆外圆周侧面设计一根摆臂;摆臂前端连接有带动摆臂摆动的摆臂驱动机构, 摩擦轮与摆臂驱动机构之间设有齿轮传动机构, 利用电缆的行进带动摩擦轮, 通过齿轮传动机构、偏心轮的传动, 使装置的摆臂有一定幅度的摆动, 确保光纤不承受较大的拉力;光纤穿过摆臂后端的模孔, 呈S形牢固稳定地附着在电缆绝缘外屏蔽表面;4根包带导杆环绕于电缆四周, 分布于正方形的4个角上, 包带导杆与电缆平行, 缓冲包带通过包带导杆后绕包于电缆上, 将光纤包扎固定并实施保护;电缆外圆周上接有空心管, 空心管安装于空心管衬圈座上, 可360°任意调整, 确保光纤可放置于电缆的任一侧面。

该装置传动机构包括:摆臂前端设有摆臂支点, 摆臂驱动机构为一偏心轮, 偏心轮连接于摆臂支点后侧, 摆臂后端设有双模座, 双模座上设置模孔;摩擦轮的转轴安装于轴承座1上, 轴承座1上设有滚动轴承与摩擦轮转轴配合, 轴承座1上设有紧定座, 紧定座上设有紧定螺丝, 齿轮传动机构包括与摩擦轮转轴固定的齿轮1, 齿轮1与齿轮2啮合传动, 齿轮2的转轴上固定有齿轮3, 齿轮3与齿轮4啮合, 齿轮4的转轴安装于轴承座2上, 轴承座2上设有滚动轴承与齿轮4的转轴配合, 齿轮4的转轴上固定有齿轮5, 齿轮5与齿轮6啮合, 齿轮6的转轴安装于轴承座3上, 偏心轮固定于齿轮6的转轴上。当电缆向前行进时, 包带导杆做逆时针旋转, 包带通过包带导杆后绕包于电缆上。与此同时, 紧压在电缆表面的摩擦轮产生足够的摩擦力, 带动齿轮1, 并分多级传动至齿轮2、齿轮3、齿轮4、齿轮5、齿轮6, 齿轮6再带动偏心轮转动, 偏心轮的旋转使套在偏心轮上的摆臂做绕其支点的摆动, 而光纤通过装在摆臂上的模孔, 随着电缆的行进、摆臂的摆动, 就自然形成了S形, 包带随之将其包扎固定。

光纤S形摆动装置使用效果验证

该光纤S形摆动装置的结构小巧紧凑, 无需额外动力, 无需改动原220 kV高压智能测温电缆内置光纤放置工艺流程, 可大幅度减轻操作人员的劳作强度, 生产效率大大提高, 且内置光纤形成的S形十分规则整齐, 效果非常理想。为了验证该光纤S形摆动装置的实际使用效果, 采用其分别制作了长度为530 m和490 m的两盘OPHC-YJLW03 127/220 kV 1×2 500 mm2-CTG-12B1 220 kV高压智能测温电缆, 并对成品电缆的主要性能进行了测试,两盘220 kV高压智能测温电缆的性能均符合国家相关标准要求。这两盘220 kV高压智能测温电缆进行了全性能的型式试验, 试验数据均符合设计要求。

设计了一种220 kV高压智能测温电缆用内置光纤S形摆动装置, 生产结果表明设计的光纤S形摆动装置生产效率高、工艺结构稳定、产品性能优良。 220 kV高压智能测温电缆产品经国家电网、南方电网等多家单位使用, 用户反映良好。未来高压电缆将朝智能化、集成化方向发展, 可以预计高压智能测温电缆将有着广阔的市场发展前景。