0  引言

    2015年，《國務(wù)院關(guān)于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)＋”行動的指導(dǎo)意見》明確指出“推進電力光纖到戶工程，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)測手段評價其安全狀況。

    敷設(shè)環(huán)境的非理想化、機械應(yīng)力的作用以及電纜自身運行電流的改變等都會影響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)合纜理論溫度場的改變、內(nèi)外層實時運行溫度差異的變化^[5-10]。經(jīng)過長期運行后的復(fù)合纜，其物理性能、絕緣性能、光纖包覆材料性能降低明顯，存在隨時都會擊穿、光纖燒斷的威脅。

    為了解決復(fù)合纜安全運行監(jiān)測和危險狀態(tài)評估問題，本文研究一種復(fù)合纜的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，可以監(jiān)測復(fù)合纜的分布式溫度、傳送的負荷電流等參量，根據(jù)采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)在線評估電纜的運行狀態(tài)。同時，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。在電纜運行期間，電纜絕緣會受到長期的熱老化影響。正常運行工作的狀態(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到90℃，當電纜過載狀態(tài)或短路后，短時間內(nèi)電纜絕緣的溫度可達到150℃。

    在復(fù)合纜熱老化的過程中，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、保護油膏等發(fā)生硬化，影響光纖的應(yīng)力應(yīng)變，進而影響通信和壽命。復(fù)合纜溫度是反映電纜老化程度的典型指標。

    熱老化不僅會影響交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣的電氣、物理化學(xué)和其他性能，還會影響其內(nèi)部電樹枝和水樹枝的發(fā)生和生長特性。由于電纜本體或附件絕緣中存在某一點或多點的缺陷，如微孔、雜質(zhì)、半導(dǎo)電層表面突起或凹陷等，使得該點局部電場強度增加。隨著絕緣的老化，絕緣材料的耐電強度逐漸變低。當電場強度超過絕緣介質(zhì)的耐電強度時，就會在該點發(fā)生局部擊穿、放電現(xiàn)象^[11-12]。長期、不斷的局部放電會導(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)測技術(shù)及系統(tǒng)

    OPLC復(fù)合纜的運行溫度與電纜的結(jié)構(gòu)、材料、老化程度以及負荷電流、環(huán)境溫度、風力緊密相關(guān)。通過復(fù)合纜的運行溫度分析復(fù)合纜老化的程度、評估復(fù)合纜的壽命，首先要去除諸如負荷電流、外部環(huán)境溫度對復(fù)合纜的影響。因為OPLC是體現(xiàn)成一定長度的電纜，不能僅測量單點位置的溫度評價整條纜的安全性，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)合纜評價目標，本文設(shè)計出一種基于分布式光纖測溫技術(shù)實現(xiàn)的測溫系統(tǒng)，利用OPLC復(fù)合纜中內(nèi)置的通信光纖為測溫傳感器，利用分布式溫度測量技術(shù)獲取電纜的線性溫度分布，從而測量出電纜的內(nèi)部溫度；利用電磁耦合傳感器測量電纜的負荷電流參數(shù)，用電阻式溫度傳感器測量電纜的表皮溫度；通過復(fù)合纜內(nèi)外溫度的監(jiān)測和電纜負荷電流的監(jiān)測去除復(fù)合纜溫度分析時的影響因素。

    分布式光纖測溫技術(shù)基于光在光纖晶體中傳輸時發(fā)生的光散射現(xiàn)象。利用光散射現(xiàn)象能實現(xiàn)測溫的技術(shù)有自發(fā)拉曼散射光時域傳感技術(shù)和布里淵光時域傳感技術(shù)。布里淵光時域和自發(fā)拉曼光時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受到影響，依據(jù)此特性實現(xiàn)溫度的測量。 

    實現(xiàn)基于溫度的OPLC狀態(tài)評價還要考慮負荷電流、環(huán)境溫度狀況的影響。本文提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示，分布式光纖測溫子系統(tǒng)完成復(fù)合纜的溫度測量，測量數(shù)據(jù)初步處理后通過通信總線傳輸給數(shù)據(jù)處理中心；環(huán)境溫度、電流測量子系統(tǒng)完成負荷電流、環(huán)境溫度的測量，前端是一個采集器，采集溫度傳感器和霍爾電流互感器的模擬信號經(jīng)采集處理變成數(shù)值信號后進入對應(yīng)的測量子系統(tǒng)。整個監(jiān)測及評估系統(tǒng)中設(shè)置了數(shù)據(jù)處理中心，實現(xiàn)了復(fù)合纜溫度、負荷電流和電纜表皮溫度的一體化測量，從而將采集的光電復(fù)合纜纖芯溫度、電纜負荷電流、電纜表面溫度和敷設(shè)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)進行聯(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，實現(xiàn)分析電纜絕緣的老化程度，評估電纜的運行安全狀態(tài)的目的。

3  OPLC復(fù)合纜老化試驗及數(shù)據(jù)分析

    對OPLC復(fù)合纜進行溫度老化試驗?zāi)康氖怯^測復(fù)合纜在溫度老化試驗前后內(nèi)外部溫度變化特性，驗證經(jīng)過溫度老化的復(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。

    開展溫度老化試驗平臺見圖4。在環(huán)境溫度可調(diào)節(jié)的空間中，放置試驗用的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)測裝置的溫度測量光接口上；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)測裝置電接口上。

    試驗方法：取符合標準的新纜試驗，試驗過程要求多次對復(fù)合纜進行溫度老化和測量。首先，計算施加負荷電流（取長期運行最大負荷電流Imax的30%、50%、70%、80%、90%、100%、110%、120%、130%、150%，具體施加負荷根據(jù)電纜內(nèi)部溫度不超過110℃），記錄復(fù)合纜的運行狀態(tài)參數(shù)。然后進行老化過程，計算出合適的負荷電流I，使得導(dǎo)體溫度達到100℃～105℃，并且穩(wěn)定在該溫度，保持溫度時間至少24×7小時。再重復(fù)前面的復(fù)合纜溫度測試和老化試驗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數(shù)據(jù)。其中，圖5（a）是電纜老化前內(nèi)外部溫度測量曲線；圖5（b）電纜老化后內(nèi)外部溫度測量曲線。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荷電流的升高，二者溫度差異越來越大；電纜老化后，OPLC線芯溫度和表皮溫度同樣隨著負荷電流一起升高，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。因為生成的氧化物質(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，但是目前并沒有對OPLC復(fù)合纜運行狀態(tài)進行監(jiān)測的工具，這就使得運維人員對于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量技術(shù)和系統(tǒng)解決了OPLC的運行狀態(tài)監(jiān)測問題，通過把表征OPLC運行狀態(tài)的溫度、電流等狀態(tài)測量方法集中在一個系統(tǒng)上實現(xiàn)，使得OPLC運維測試的操作方法和安全運行評價變得簡單、易行，在運行現(xiàn)場只需把相應(yīng)測量的光纖連接到檢測裝置中，按照系統(tǒng)提示輸入描述的文字，就完成了檢測工作。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)上實現(xiàn)OPLC安全狀態(tài)的評估。OPLC故障診斷技術(shù)很大程度上減輕了運維人員的工作量，提高了設(shè)備管控能力，對OPLC電纜推廣應(yīng)用意義重大。

參考文獻

[1] 粟秋碩, 廖洪根, 張澤秋, 等. 電力光電纜故障分類和絕緣檢測方法[J]. 紅水河,2007,26(4): 103-105.

[2] 袁燕嶺，周灝，董杰，等. 高壓電力光電纜護層電流在線監(jiān)測及故障診斷技術(shù)[J]. 高電壓技術(shù)，2015，41(4)：1194-1203. 

[3] 周承科，李明貞，周文俊，等， 電力光電纜資產(chǎn)的狀態(tài)評估與運維決策綜述[J]， 高電壓技術(shù)， 2016， 42(8):2353-2362. 

[4] 趙建華，袁宏永，范維澄，等.基于表面溫度場的光電纜線芯溫度在線診斷研究[J].中國電機工程學(xué)報，1999, 19(11):52-54.

[5] 呂事桂,楊立,范春利,等.光電纜老化紅外熱特征數(shù)值模擬與分析[J].工程熱物理學(xué)報，2013, 34(2):332-335.

[6] 王鐵軍，艦船電纜熱老化壽命的研究[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報，2000,90(1)：76-79,90.

[7] 李海英, 呂建華,宋建成. 礦用XLPE光電纜老化狀態(tài)對溫升的影響[J]. 信息技術(shù), 2014(11):6-11.

[8] 韓忠輝，楊寶東，楊博盛.基于表面溫度場的光電纜老化紅外診斷研究[J].艦船電子對抗, 2015,38(3):117-121.

[9] 陳曉軍，楊立中，鄧志華，等.電氣線路紅外熱像檢測和診斷[J].紅外與毫米波學(xué)報，2000, 19(6): 463-466.

[10] 歐陽本紅,華明,鄧顯波. 高壓交聯(lián)光電纜材料及工藝發(fā)展綜述[J]. 絕緣材料,2016,49(7):1-7. 

[11] 張磊祺，盛博杰，姜偉，等.基于光電纜傳遞函數(shù)和信號上升時間的電力光電纜局部放電在線定位方法[J].  高電壓技術(shù)，2015，41(4)：1204-1213. 

[12] 張磊祺，盛博杰，姜偉,等.交叉互聯(lián)高壓光電纜系統(tǒng)的局部放電在線監(jiān)測和定位[J].  高電壓技術(shù)，2015，41(8)：2706-2715. 

[13] 何煒斌, 廖維君, 薛志亞, 等. 基于分布式光纖測溫的電力光電纜在線監(jiān)測技術(shù)研究[J]. 廣東電力,2013,26(5):23-26.

[14] 張曉虹，蔣雄偉，雷清泉，等. 分布式光纖溫度傳感器在交聯(lián)聚乙烯絕緣地下電纜故障檢測中的應(yīng)用[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，1999,23(12):36-42.

作者信息:

雷煜卿1，戚力彥1，雷煒卿2，郭昆亞3

（1.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京100192；

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