0  引言

    2015年，《國務院關于積極推進“互聯網＋”行動的指導意見》明確指出“推進電力光纖到戶工程，完善能源互聯網信息通信系統”，為電力光纖到戶發展開創了新的時代。而光纖復合低壓電纜（OPLC）是電力光纖到戶工程中重要設施，但缺乏有效監測手段評價其安全狀況。

    敷設環境的非理想化、機械應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電纜健康狀態的所有因素中，溫度是OPLC最主要的影響因素^[1-5]。OPLC復合纜的熱老化導致的材料性能變化，將引起復合纜理論溫度場的改變、內外層實時運行溫度差異的變化^[5-10]。經過長期運行后的復合纜，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。

    為了解決復合纜安全運行監測和危險狀態評估問題，本文研究一種復合纜的狀態監測技術，可以監測復合纜的分布式溫度、傳送的負荷電流等參量，根據采集的狀態數據在線評估電纜的運行狀態。同時，利用復合纜的老化特性，研究利用復合纜歷史溫度數據評估復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

    光纖復合低壓電纜是一種應用在電力光纖到戶、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，實現電網和通信網基礎設施的深度融合，結合無源光網絡技術，承載用電信息采集、智能用電、多網融合等業務。常見的額定電壓0.6/1 kV及以下配用電光纖復合低壓電纜產品結構如圖1所示。

    OPLC復合纜材料類型通常有銅線、交聯聚乙烯、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下，由于載流量很大、環境溫度較高等，使得交聯聚乙烯電纜絕緣的正常工作溫度能達到90℃，當電纜過載狀態或短路后，短時間內電纜絕緣的溫度可達到150℃。

    在復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物主要包括羰酸、酮、酯、醛、內酯等。這些氧化產物的熱容比和熱傳遞系數相比交聯聚乙烯等高分子材料發生變化，使得復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、保護油膏等發生硬化，影響光纖的應力應變，進而影響通信和壽命。復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聚乙烯電纜絕緣的電氣、物理化學和其他性能，還會影響其內部電樹枝和水樹枝的發生和生長特性。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、半導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的耐電強度時，就會在該點發生局部擊穿、放電現象^[11-12]。長期、不斷的局部放電會導致絕緣介質損耗增加和力學性能下降，縮短電纜的使用壽命。

2  OPLC狀態監測技術及系統

    OPLC復合纜的運行溫度與電纜的結構、材料、老化程度以及負荷電流、環境溫度、風力緊密相關。通過復合纜的運行溫度分析復合纜老化的程度、評估復合纜的壽命，首先要去除諸如負荷電流、外部環境溫度對復合纜的影響。因為OPLC是體現成一定長度的電纜，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，才能科學估算纜的狀況^[13-14]。

    按照OPLC復合纜評價目標，本文設計出一種基于分布式光纖測溫技術實現的測溫系統，利用OPLC復合纜中內置的通信光纖為測溫傳感器，利用分布式溫度測量技術獲取電纜的線性溫度分布，從而測量出電纜的內部溫度；利用電磁耦合傳感器測量電纜的負荷電流參數，用電阻式溫度傳感器測量電纜的表皮溫度；通過復合纜內外溫度的監測和電纜負荷電流的監測去除復合纜溫度分析時的影響因素。

    分布式光纖測溫技術基于光在光纖晶體中傳輸時發生的光散射現象。利用光散射現象能實現測溫的技術有自發拉曼散射光時域傳感技術和布里淵光時域傳感技術。布里淵光時域和自發拉曼光時域散射分別是基于光學聲子和光學光子的散射光，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，依據此特性實現溫度的測量。 

    實現基于溫度的OPLC狀態評價還要考慮負荷電流、環境溫度狀況的影響。本文提出的系統結構設計如圖3所示，分布式光纖測溫子系統完成復合纜的溫度測量，測量數據初步處理后通過通信總線傳輸給數據處理中心；環境溫度、電流測量子系統完成負荷電流、環境溫度的測量，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采集處理變成數值信號后進入對應的測量子系統。整個監測及評估系統中設置了數據處理中心，實現了復合纜溫度、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合纜纖芯溫度、電纜負荷電流、電纜表面溫度和敷設環境溫度數據進行聯合分析，并且依據歷史溫度數據分析復合纜纜芯溫度、纜表皮溫度偏差程度，實現分析電纜絕緣的老化程度，評估電纜的運行安全狀態的目的。

3  OPLC復合纜老化試驗及數據分析

    對OPLC復合纜進行溫度老化試驗目的是觀測復合纜在溫度老化試驗前后內外部溫度變化特性，驗證經過溫度老化的復合纜材料性能發生了變化，導體線芯和復合纜表皮的溫度差異變化規律。

    開展溫度老化試驗平臺見圖4。在環境溫度可調節的空間中，放置試驗用的OPLC復合纜。將復合纜兩端接到電流源輸出端子上。將OPLC復合纜內置的通信光纖熔接一根尾纖接入OPLC狀態監測裝置的溫度測量光接口上；把電流互感器固定到復合纜導線上，將溫度傳感器固定到復合纜表皮上，將傳感器的另一端接入OPLC狀態監測裝置電接口上。

    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%，具體施加負荷根據電纜內部溫度不超過110℃），記錄復合纜的運行狀態參數。然后進行老化過程，計算出合適的負荷電流I，使得導體溫度達到100℃～105℃，并且穩定在該溫度，保持溫度時間至少24×7小時。再重復前面的復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復合纜的模擬老化試驗數據。其中，圖5（a）是電纜老化前內外部溫度測量曲線；圖5（b）電纜老化后內外部溫度測量曲線。內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。

    上面試驗數據中呈現的電纜線芯和表皮溫度變化原因，是由于溫度對復合纜老化作用的影響，OPLC復合纜的材料特性發生了變化。因為生成的氧化物質比熱容和熱傳遞系數的降低，使復合纜內外部的溫度差異逐漸變小。隨著復合纜絕緣介質性能退化和失效，復合纜將失去原有優良絕緣性能，并且對光纖損耗性能的增加影響明顯。

4  結論

    OPLC復合纜是電力光纖到戶工程中重要的基礎設施。OPLC復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復合纜運行狀態進行監測的工具，這就使得運維人員對于OPLC的情況很難掌握，為用戶的網絡使用埋下了隱患。

    本文提出的基于分布式光纖溫度測量技術和系統解決了OPLC的運行狀態監測問題，通過把表征OPLC運行狀態的溫度、電流等狀態測量方法集中在一個系統上實現，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，在運行現場只需把相應測量的光纖連接到檢測裝置中，按照系統提示輸入描述的文字，就完成了檢測工作。然后由系統完成溫度、電流狀態量采集、數據顯示，在數據分析基礎上實現OPLC安全狀態的評估。OPLC故障診斷技術很大程度上減輕了運維人員的工作量，提高了設備管控能力，對OPLC電纜推廣應用意義重大。

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作者信息:

雷煜卿1，戚力彥1，雷煒卿2，郭昆亞3

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