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2013 年第 4 期 No42013 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2013 年 8 月 Aug， 2013 220kV 交联聚乙烯绝缘光纤测温电力电缆的 研制及性能试验 梁国华 ( 扬州曙光电缆股份有限公司， 江苏 扬州 225652) 摘要: 交联电缆使用越来越广泛， 电缆绝缘水平监控更加重要， 光纤温度传感器作为一项新技术在国内已经开 始推广应用。介绍了一种 220 kV 交联聚乙烯绝缘光纤测温监控电力电缆的研制， 给出了电缆在设计、 制造过 程中应注意的问题和试验方案。 关键词: 高压电缆; 测温光纤单元; 电缆工艺; 试验 中图分类号: TN818;TM2471文献标识码: A 文章编号: 1672- 6901( 2013) 04- 0013- 03 Research and Properties Monitoring on 220 kV XLPE Optical Fiber Temperature Measurement Power Cable LIANG Guo- hua ( Yangzhou Shuguang Cable Co，Ltd，Yangzhou 225652，China) Abstract:Since the extensive application of cross linked cables，the insulation level monitoring is more important The fiber optic temperature sensor is being promoted as a new technology in China The article is an introduction of 220 kV cross- linked polyethylene power cable with temperature measurement optical fiber，the problems and inspec- tion plans for the design and manufacturing are put forward Key words:high voltage cable;temperature measurement optic fiber unit;cable process;inspection 收稿日期: 2013- 03- 25 作者简介: 梁国华( 1971 ) ， 男， 工程师 作者地址: 江苏高邮市菱塘镇 225652 0引言 随着我国经济的快速发展和城市用电需求的快 速增长， 交联电缆由于其电气性能优良、 工作温度 高、 传输容量大、 维护简单等优点而被广泛使用， 220 kV 交联聚乙烯( XLPE) 绝缘电缆已经越来越多地用 于城市电网和大型工矿企业。 为保证供电的稳定性， 对 220 kV XLPE 绝缘电 力电缆运行时各层温度监视已十分必要， 光纤温度 传感器作为一项新技术在国内已经开始运用推广， 通过光纤测量绝缘外表面， 可以计算出导体实时温 度， 而无需考虑电缆外部的环境影响。对于敷设环 境复杂的电缆线路， 还可以通过监测电缆导体温度， 为及时调控电缆载流量提供指导， 使电缆最大限度 地发挥输送能力， 又可避免电缆因过载造成损伤， 这 对于电缆线路的设计和运行具有重要的意义。 1研制过程 1. 1电缆结构设计 本次研制的样品为 220 kV、 2 000 mm2XLPE 绝 缘超高压光纤测温电力电缆， 导体结构为5 +1 分割 型( 5 个股块， 中间放置一根 50 mm2圆型紧压导 体) ， 电缆结构设计和性能指标依据 GB/Z18890 2002。光纤测温方式目前主要有: ( 1) 电缆外护套 表面贴装测温光缆， 这种方法与电缆制造分开进行， 俗称外置式， 缺点是反应导体温度迟缓， 受周围环境 影响较大， 适用于对没有光纤的电缆进行改造和要 求不高的场合; ( 2) 在半导电缓冲层与金属套中放 入测温光纤， 光纤置入分纵向及绕包方法， 纵向植入 光纤的缺点是电缆在弯曲过程中易发生断裂， 不安 全， 绕包方法由于经一定节距缠绕在膨松棉上， 在电 缆弯曲时不易断裂， 同时膨松棉也可吸收电缆绝缘 的膨胀尺寸; ( 3) 光纤植入导体中， 这种方法在生产 中操作十分困难， 光纤极易断裂， 同时附件需特殊设 计， 目前处于研究阶段。根据以上情况分析， 我公司 采用在缓冲层与铝管之间植入测温光纤， 这种方法 安全可靠， 能够非常准确地检查出电缆线路的故障 点。电缆结构见图 1。 1. 2测温光纤单元设计 220 kV XLPE 绝缘电力电缆由于受到装盘长度 及感应电压限制， 其单根电缆长度一般在 1 km 以 图 1 220 kV XLPE 绝缘光纤测温电力电缆结构图 1 导体2 半导电特多龙带 3 导体屏蔽4 XLPE 绝缘5 绝缘屏蔽6 半导电阻水缓冲带7 光纤测 温单元8 半导电阻水缓冲带9 铝套( 含沥青防腐 层) 10 外护套11 导电层 内， 单模光纤采用固体激光器做光源， 主要用于长途 通信， 多模光纤采用发光二极管做光源， 传输速度 低、 距离短， 但成本比较低， 所以我公司设计时选用 符合 GB/T 12357. 12004通信用多模光纤第 1 部 分: A1 类多模光纤特性 标准中的 A1a( 50/125) 的 多模光纤， 为了提高可靠性， 选用 2 芯光纤。测温光 缆主要有不锈钢钢管测温光缆、 扁平式感温光缆及 螺旋铠装测温光缆等形式， 根据电缆结构特点及对 光纤的保护效果， 最终选择了无缝非磁性不锈钢钢 管测温光缆作为测温光纤单元， 见图 2。无缝不锈 钢钢管测温光缆有多种不同外径， 常用的有 2. 3 mm、 1. 8 mm、 1. 3 mm 几种。试验发现， 外径越 小， 对电缆结构影响也越小， 抗侧压力也越大， 性能 更有保证， 但光缆生产难度也更大， 价格也更高。我 们选择了 1. 3 mm 的无缝不锈钢钢管测温光缆， 其 主要技术参数见表 1。 图 2测温光纤单元 2主要工艺措施 ( 1) 分割导体采用法国波迪亚公司带有预扭装 置的框绞机及带有自动相位检测装置的盘绞机 生产。 ( 2) 导体半导电带与保护隔离带同时绕包， 可 表 1不锈钢钢管测温光缆主要技术参数 项目技术参数 光纤数量和类型2 芯 A1a( 50/125 m) 光纤保护管非磁性不锈钢钢管 光纤衰减参数 850 nm/( dB/km)3. 0 1 300 nm/( dB/km)1. 0 不锈钢钢管内外径/mm0. 99/1. 3 抗拉强度 短期/N 800 长期/N 200 以避免灰尘落在半导电带表面， 同时保护半导电带 在电缆转序的过程中不被损伤， 保护隔离带在进入 交联三层共挤机头前拆掉。 ( 3) 采用立式麦拉菲尔三层共挤化学交联生产 线、 SIKORA 冷端及热端连续检测系统和 NCC 交联 工艺计算软件， 全电脑控制、 全封闭式材料干燥、 重 力加料系统。加料的正压净化间分为两个区域， 半 导体净化间和绝缘净化间， 其中半导体净化间的净 化等级为 1000 级， 绝缘料净化间的净化等级为 100 级， 输料管道采用卫生级的不锈钢材料， 直接进入加 料斗， 与外界完全隔离， 保证电缆料出厂净化等级不 改变。 ( 4) 测温光缆置于金属护套内、 屏蔽层外， 以约 6 8 倍缆芯外径的节距缠绕在半导电缓冲层外， 右 向旋绕与轧纹方向相同， 避免钢管内光纤余长发生 较大变化。光纤余长取决于不锈钢管内的光纤余 长， 而不锈钢钢管内的光纤余 F， 由式( 1) 表示: F= Lf Lt Lt 100%( 1) 式中， Lf为不锈钢钢管内光纤长度， Lt为不锈钢钢管 长度。 由式( 1) 可知， 如果 F太大， 不锈钢钢管内光纤 弯曲半径就小， 同时光纤紧靠管壁受力也较大， 容易 造成微弯损耗， 甚至使光纤折断; 如果 F太小， 光缆 受外力拉伸时， 即使发生较小的变形， 应力也会作用 到光纤上， 导致衰减增大， 或光纤断裂。经试验， 我 们确定将光纤余长控制在 1% 3% 范围内。缠绕 光缆前后均应检查每芯光纤衰减， 并进行比较， 以对 工艺进行调整， 光缆放线张力不能过大， 否则易对不 锈钢钢管造成拉伸， 另外， 张力过大还会使光缆缠绕 在缓冲层上过紧， 而影响缓冲层的效果， 并易使光缆 承受侧压力增大; 张力过小， 则光缆缠绕在缓冲层上 过松， 使光缆产生微弯， 甚至光纤折断。 41 2013 年第 4 期 No42013 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2013 年 8 月 Aug， 2013 ( 5) 在绝缘线芯外重叠绕包二层半导电阻水缓 冲带， 缓冲带厚度 1. 5 mm， 缓冲层外缠绕测温光缆， 再在光缆外重叠绕包一层 2. 0 mm 阻水缓冲带。根 据交联电缆热膨胀量计算， 交联料的线胀率 为: = ( 1 + T) 1/3 1( 2) 绝缘径向膨胀量 t 为: t = R2 2 + R2 2 R2 1 1 + 1/2 R2( 3) 式中， 为交联料的线胀系数， 取 1 10 31; T 为 XLPE 绝缘平均温升， 取50; t 为绝缘径向膨胀量 ( mm) ; R1、 R2分别为导体半径和绝缘屏蔽半径， 本 次样品 R1=28. 1 mm， R2=54. 6 mm。 由式( 2) 、 式( 3) 计算得 = 0. 016， t = 0. 66 mm。光缆内侧二层缓冲层总厚度达 3. 0 mm， 光缆 外径只有 1. 35 mm， 能有效吸收、 缓冲电缆在受热膨 胀过程中引起的附加拉力， 而光缆上绕包的缓冲带， 则吸收了在热膨胀时铝套对光缆的反向压力， 减少 了因电缆受热膨胀引起光纤的附加衰减。 ( 6) 线芯缠绕上测温光缆之后和氩弧焊之前的 所有设备上的导轮， 均应包上两层硅橡胶或其它合 适的橡胶带， 以减少不锈钢钢管测温光缆在导轮上 所受的侧压力， 铝套后还应检查光缆衰减情况。 3试验 220 kV XLPE 绝缘光纤测温电力电缆的主要功 能有 二 部 分，一 是 传 输 电 力，必 须 满 足 GB/Z 188902002额定电压 220 kV 交联聚乙烯绝缘电 力电缆及其附件 标准要求， 其试验项目参照 GB/Z 188902002 执行， 在此就不列出; 另一个是传输光 信号， 进行测温， 由于电缆在生产及使用过程中经常 有弯曲情况， 以及运行时会发热， 产生温升， 我们设 计了表 2 的试验方案， 用以模拟鉴定测温光缆使用 性能。 表 2光纤参数及性能 试验项目技术要求 光纤参数 纤芯直径/m 50. 0 2. 5 芯不圆度/% 6 包层直径/m 125 2 包层不圆度/% 2 芯/包同心度误差/m 1. 5 光纤性能 衰减系数 波长 850nm/( dB/km)2. 4 3. 5 波长 1 300 nm/( dB/km)0. 55 1. 5 电缆弯曲后衰减变化( 弯曲直径不大于 25 ( D + d)+5% ， 正反弯曲 3 次) 波长 850 nm/dB 0. 20 波长 1 300 nm/dB 0. 20 热循环试验光纤衰减变化/dB0. 20 D 为电缆标称直径; d 为导体标称直径。 样品长度 20 m， 2 芯串接熔接。导体温度 95 100， 每一循 环 8 h 加热， 16 h 冷却， 共 20 次循环。测试波长 850 nm。 4结束语 我公司试制的样品 YJLW02- Z- 127/220 kV- 1 2000 + GQ- 2A1a 已通过国家电线电缆质量监督检验 中心的型式试验， 相关产品已在广东、 辽宁等地使 用， 用户反映良好。本研制方案亦可应用于 66 kV、 110 kV 等电压等级的电缆上， 同时希望有关部门能 早日起草该产品的国家标准或行业标准， 以促进产 品的健康发展 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 。 ( 上接第 9 页) 表 8 150动态切割试验结果( 单位: lb) 项目#1#2#3#4平均值 样品 14. 9 5. 05. 15. 65. 2 样品 25. 2 4. 94. 84. 84. 9 样品 34. 9 5. 25. 04. 75. 0 试验结果表明， AS 22759/187 电线具有良好的 抗切削性能， 各温度下的试验数值均明显高于标准 要求; 而辐照交联氟40( XETFE) 电线在23下表现 出了良好的抗切削性能， 但在 150 温度下电线绝 缘层的抗切削能力已呈现严重下降趋势， 试验数值 较低， 故此未进行 200、 260温度下的试验。 4结束语 由于辐照交联氟 40( XETFE) 电线在高温环境 下耐磨损性能较低， 故此为保证飞机电气系统工作 的可靠性与安全性， 飞机线束通常会选择在电线外 增加胶布套管等保护材料， 这增加了飞机的重量; 而 新型聚酰亚胺复合材料无缝绕包电线不论常温、 高 温环境下都表现出了良好的磨损耐受性能， 这大大 提高了飞机布线系统的安全性和可靠性， 并且可以 取消电线外部的线束保护材料， 减轻了飞机重量。 51 2013 年第 4 期 No42013 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2013 年 8 月 Aug， 2013