0  引言

    2015年，《國(guó)務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)＋”行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》明確指出“推進(jìn)電力光纖到戶工程，完善能源互聯(lián)網(wǎng)信息通信系統(tǒng)”，為電力光纖到戶發(fā)展開創(chuàng)了新的時(shí)代。而光纖復(fù)合低壓電纜（OPLC）是電力光纖到戶工程中重要設(shè)施，但缺乏有效監(jiān)測(cè)手段評(píng)價(jià)其安全狀況。

    敷設(shè)環(huán)境的非理想化、機(jī)械應(yīng)力的作用以及電纜自身運(yùn)行電流的改變等都會(huì)影響OPLC電纜性能和壽命的改變。在影響OPLC電纜健康狀態(tài)的所有因素中，溫度是OPLC最主要的影響因素^[1-5]。OPLC復(fù)合纜的熱老化導(dǎo)致的材料性能變化，將引起復(fù)合纜理論溫度場(chǎng)的改變、內(nèi)外層實(shí)時(shí)運(yùn)行溫度差異的變化^[5-10]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行后的復(fù)合纜，其物理性能、絕緣性能、光纖包覆材料性能降低明顯，存在隨時(shí)都會(huì)擊穿、光纖燒斷的威脅。

    為了解決復(fù)合纜安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)和危險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)估問(wèn)題，本文研究一種復(fù)合纜的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以監(jiān)測(cè)復(fù)合纜的分布式溫度、傳送的負(fù)荷電流等參量，根據(jù)采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)在線評(píng)估電纜的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，利用復(fù)合纜的老化特性，研究利用復(fù)合纜歷史溫度數(shù)據(jù)評(píng)估復(fù)合纜的溫度偏離程度，從而了解電纜的老化程度。

1  OPLC電纜老化性能影響

    光纖復(fù)合低壓電纜是一種應(yīng)用在電力光纖到戶、光電同傳場(chǎng)景的新型電纜，是將光纖和電力線絞合制造而形成的，利用電力通道資源，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)和通信網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的深度融合，結(jié)合無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，承載用電信息采集、智能用電、多網(wǎng)融合等業(yè)務(wù)。常見(jiàn)的額定電壓0.6/1 kV及以下配用電光纖復(fù)合低壓電纜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    OPLC復(fù)合纜材料類型通常有銅線、交聯(lián)聚乙烯、SiO2、芳綸紗、聚氯乙烯等。在電纜運(yùn)行期間，電纜絕緣會(huì)受到長(zhǎng)期的熱老化影響。正常運(yùn)行工作的狀態(tài)下，由于載流量很大、環(huán)境溫度較高等，使得交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣的正常工作溫度能達(dá)到90℃，當(dāng)電纜過(guò)載狀態(tài)或短路后，短時(shí)間內(nèi)電纜絕緣的溫度可達(dá)到150℃。

    在復(fù)合纜熱老化的過(guò)程中，氧化作用是最主要的形式。絕緣材料、聚錄乙烯材料等的氧化產(chǎn)物主要包括羰酸、酮、酯、醛、內(nèi)酯等。這些氧化產(chǎn)物的熱容比和熱傳遞系數(shù)相比交聯(lián)聚乙烯等高分子材料發(fā)生變化，使得復(fù)合纜的銅芯處的溫度與電纜表皮的溫度差異變小，從而使線芯溫度升高。再者，光單元套管、涂層、保護(hù)油膏等發(fā)生硬化，影響光纖的應(yīng)力應(yīng)變，進(jìn)而影響通信和壽命。復(fù)合纜溫度是反映電纜老化程度的典型指標(biāo)。

    熱老化不僅會(huì)影響交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣的電氣、物理化學(xué)和其他性能，還會(huì)影響其內(nèi)部電樹枝和水樹枝的發(fā)生和生長(zhǎng)特性。由于電纜本體或附件絕緣中存在某一點(diǎn)或多點(diǎn)的缺陷，如微孔、雜質(zhì)、半導(dǎo)電層表面突起或凹陷等，使得該點(diǎn)局部電場(chǎng)強(qiáng)度增加。隨著絕緣的老化，絕緣材料的耐電強(qiáng)度逐漸變低。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)絕緣介質(zhì)的耐電強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在該點(diǎn)發(fā)生局部擊穿、放電現(xiàn)象^[11-12]。長(zhǎng)期、不斷的局部放電會(huì)導(dǎo)致絕緣介質(zhì)損耗增加和力學(xué)性能下降，縮短電纜的使用壽命。

2  OPLC狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)

    OPLC復(fù)合纜的運(yùn)行溫度與電纜的結(jié)構(gòu)、材料、老化程度以及負(fù)荷電流、環(huán)境溫度、風(fēng)力緊密相關(guān)。通過(guò)復(fù)合纜的運(yùn)行溫度分析復(fù)合纜老化的程度、評(píng)估復(fù)合纜的壽命，首先要去除諸如負(fù)荷電流、外部環(huán)境溫度對(duì)復(fù)合纜的影響。因?yàn)镺PLC是體現(xiàn)成一定長(zhǎng)度的電纜，不能僅測(cè)量單點(diǎn)位置的溫度評(píng)價(jià)整條纜的安全性，需要獲取整條纜的溫度，才能科學(xué)估算纜的狀況^[13-14]。

    按照OPLC復(fù)合纜評(píng)價(jià)目標(biāo)，本文設(shè)計(jì)出一種基于分布式光纖測(cè)溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)的測(cè)溫系統(tǒng)，利用OPLC復(fù)合纜中內(nèi)置的通信光纖為測(cè)溫傳感器，利用分布式溫度測(cè)量技術(shù)獲取電纜的線性溫度分布，從而測(cè)量出電纜的內(nèi)部溫度；利用電磁耦合傳感器測(cè)量電纜的負(fù)荷電流參數(shù)，用電阻式溫度傳感器測(cè)量電纜的表皮溫度；通過(guò)復(fù)合纜內(nèi)外溫度的監(jiān)測(cè)和電纜負(fù)荷電流的監(jiān)測(cè)去除復(fù)合纜溫度分析時(shí)的影響因素。

    分布式光纖測(cè)溫技術(shù)基于光在光纖晶體中傳輸時(shí)發(fā)生的光散射現(xiàn)象。利用光散射現(xiàn)象能實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的技術(shù)有自發(fā)拉曼散射光時(shí)域傳感技術(shù)和布里淵光時(shí)域傳感技術(shù)。布里淵光時(shí)域和自發(fā)拉曼光時(shí)域散射分別是基于光學(xué)聲子和光學(xué)光子的散射光，均是非彈性散射，具有頻移特性。頻率下移的成分是斯托克斯光，頻率上移的成分是反斯托克斯光，如圖2所示。反斯托克斯光在溫度變化時(shí)受到影響，依據(jù)此特性實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。 

    實(shí)現(xiàn)基于溫度的OPLC狀態(tài)評(píng)價(jià)還要考慮負(fù)荷電流、環(huán)境溫度狀況的影響。本文提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，分布式光纖測(cè)溫子系統(tǒng)完成復(fù)合纜的溫度測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)初步處理后通過(guò)通信總線傳輸給數(shù)據(jù)處理中心；環(huán)境溫度、電流測(cè)量子系統(tǒng)完成負(fù)荷電流、環(huán)境溫度的測(cè)量，前端是一個(gè)采集器，采集溫度傳感器和霍爾電流互感器的模擬信號(hào)經(jīng)采集處理變成數(shù)值信號(hào)后進(jìn)入對(duì)應(yīng)的測(cè)量子系統(tǒng)。整個(gè)監(jiān)測(cè)及評(píng)估系統(tǒng)中設(shè)置了數(shù)據(jù)處理中心，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合纜溫度、負(fù)荷電流和電纜表皮溫度的一體化測(cè)量，從而將采集的光電復(fù)合纜纖芯溫度、電纜負(fù)荷電流、電纜表面溫度和敷設(shè)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析，并且依據(jù)歷史溫度數(shù)據(jù)分析復(fù)合纜纜芯溫度、纜表皮溫度偏差程度，實(shí)現(xiàn)分析電纜絕緣的老化程度，評(píng)估電纜的運(yùn)行安全狀態(tài)的目的。

3  OPLC復(fù)合纜老化試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

    對(duì)OPLC復(fù)合纜進(jìn)行溫度老化試驗(yàn)?zāi)康氖怯^測(cè)復(fù)合纜在溫度老化試驗(yàn)前后內(nèi)外部溫度變化特性，驗(yàn)證經(jīng)過(guò)溫度老化的復(fù)合纜材料性能發(fā)生了變化，導(dǎo)體線芯和復(fù)合纜表皮的溫度差異變化規(guī)律。

    開展溫度老化試驗(yàn)平臺(tái)見(jiàn)圖4。在環(huán)境溫度可調(diào)節(jié)的空間中，放置試驗(yàn)用的OPLC復(fù)合纜。將復(fù)合纜兩端接到電流源輸出端子上。將OPLC復(fù)合纜內(nèi)置的通信光纖熔接一根尾纖接入OPLC狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的溫度測(cè)量光接口上；把電流互感器固定到復(fù)合纜導(dǎo)線上，將溫度傳感器固定到復(fù)合纜表皮上，將傳感器的另一端接入OPLC狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置電接口上。

    試驗(yàn)方法：取符合標(biāo)準(zhǔn)的新纜試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程要求多次對(duì)復(fù)合纜進(jìn)行溫度老化和測(cè)量。首先，計(jì)算施加負(fù)荷電流（取長(zhǎng)期運(yùn)行最大負(fù)荷電流Imax的30%、50%、70%、80%、90%、100%、110%、120%、130%、150%，具體施加負(fù)荷根據(jù)電纜內(nèi)部溫度不超過(guò)110℃），記錄復(fù)合纜的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。然后進(jìn)行老化過(guò)程，計(jì)算出合適的負(fù)荷電流I，使得導(dǎo)體溫度達(dá)到100℃～105℃，并且穩(wěn)定在該溫度，保持溫度時(shí)間至少24×7小時(shí)。再重復(fù)前面的復(fù)合纜溫度測(cè)試和老化試驗(yàn)2次。

    圖5是獲得的OPLC WDZ YJY-0.6/1 3X10+GQ-2BGa復(fù)合纜的模擬老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中，圖5（a）是電纜老化前內(nèi)外部溫度測(cè)量曲線；圖5（b）電纜老化后內(nèi)外部溫度測(cè)量曲線。內(nèi)部溫度是電纜線芯溫度，表皮溫度是電纜外表面的溫度。

    由圖5中曲線可以看出：電纜老化前，OPLC線芯溫度和表皮溫度同步升高，線芯溫度和表皮溫度隨著負(fù)荷電流的升高，二者溫度差異越來(lái)越大；電纜老化后，OPLC線芯溫度和表皮溫度同樣隨著負(fù)荷電流一起升高，但是與電纜老化前同等工況下升溫情況相比，隨著負(fù)荷電流的升高，線芯溫度和表皮溫度二者之間的溫度差異減小。

    上面試驗(yàn)數(shù)據(jù)中呈現(xiàn)的電纜線芯和表皮溫度變化原因，是由于溫度對(duì)復(fù)合纜老化作用的影響，OPLC復(fù)合纜的材料特性發(fā)生了變化。因?yàn)樯傻难趸镔|(zhì)比熱容和熱傳遞系數(shù)的降低，使復(fù)合纜內(nèi)外部的溫度差異逐漸變小。隨著復(fù)合纜絕緣介質(zhì)性能退化和失效，復(fù)合纜將失去原有優(yōu)良絕緣性能，并且對(duì)光纖損耗性能的增加影響明顯。

4  結(jié)論

    OPLC復(fù)合纜是電力光纖到戶工程中重要的基礎(chǔ)設(shè)施。OPLC復(fù)合纜受到熱老化的作用存在安全隱患，但是目前并沒(méi)有對(duì)OPLC復(fù)合纜運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的工具，這就使得運(yùn)維人員對(duì)于OPLC的情況很難掌握，為用戶的網(wǎng)絡(luò)使用埋下了隱患。

    本文提出的基于分布式光纖溫度測(cè)量技術(shù)和系統(tǒng)解決了OPLC的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，通過(guò)把表征OPLC運(yùn)行狀態(tài)的溫度、電流等狀態(tài)測(cè)量方法集中在一個(gè)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，使得OPLC運(yùn)維測(cè)試的操作方法和安全運(yùn)行評(píng)價(jià)變得簡(jiǎn)單、易行，在運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)只需把相應(yīng)測(cè)量的光纖連接到檢測(cè)裝置中，按照系統(tǒng)提示輸入描述的文字，就完成了檢測(cè)工作。然后由系統(tǒng)完成溫度、電流狀態(tài)量采集、數(shù)據(jù)顯示，在數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)OPLC安全狀態(tài)的評(píng)估。OPLC故障診斷技術(shù)很大程度上減輕了運(yùn)維人員的工作量，提高了設(shè)備管控能力，對(duì)OPLC電纜推廣應(yīng)用意義重大。

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作者信息:

雷煜卿1，戚力彥1，雷煒卿2，郭昆亞3

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京100192；

2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司焦作供電公司，河南 焦作 454150；3國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）