分布式光纖測溫技術高壓電纜測溫解決方案

分布式光纖測溫技術是未來高壓及超高壓電纜智能測溫的發展方向。電纜分布式光纖監測系統是沿整個電纜傳輸系統分布的檢測系統, 通過利用光纖分布式監測系統對運行電纜的溫度進行實時在線監測, 跟蹤電纜溫度變化的過程并對發熱點進行準確定位, 還可結合周圍環境的狀況分析輸電線路安全性。220 kV高壓智能測溫電纜是本公司自主設計的一種高壓光纖復合測溫電纜, 電纜中獨特的內置光纖結構設計使其具有分布式光纖測溫能力, 可實時監測線路運行時的溫度變化。對電纜內置光纖放置過程存在的缺陷進行了分析, 進而設計了一種光纖S形擺動裝置。

電纜內置光纖的結構特點

通過多次試驗、反復比較, 本公司自主設計的220 kV高壓智能測溫電纜內置光纖采用了獨特的結構, 即光纖采用S形放置于皺紋鋁護套與絕緣線芯頂部的縫隙之間 (采用緩沖帶墊片作保護層以防止光纖在生產時受到壓力損傷, 或者受到擠包鋁護套時產生的高溫燙傷) ,該電纜內置光纖的S形放置結構設計避免了以下弊端:a.光纖內置于電纜內部的方式有與電纜縱向直線平行和繞包兩種。當電纜通電運行時, 導體及絕緣的溫度會升高, 由于光纖的線膨脹系數與導體及絕緣材料的線膨脹系數相差較大, 因此如光纖采用與電纜縱向直線平行方式放置時, 固定在電纜鋁護套內表面或絕緣線芯外表面上的光纖可能會因不能與受熱電纜同步伸長而受到拉伸應力, 導致光纖附加衰減增加, 影響光纖測溫準確性。同時, 由于高壓電纜直徑較大, 當電纜彎曲時, 外側長度會被拉長, 如與電纜縱向直線平行方式放置的光纖正好處于彎曲外側, 則極有可能被拉斷。b.如光纖采用螺旋形繞包在電纜絕緣線芯緩沖帶外表面上時, 在成品電纜上盤或安裝敷設下盤時電纜會產生彎曲或扭曲, 使光纖也隨之發生彎曲或扭曲。如果電纜以繞包方向同向扭曲時光纖會被勒緊伸長, 如果電纜以繞包方向反向扭曲時光纖會發生松弛, 即使在電纜彎曲或扭曲復原后, 光纖仍會有皺紋扭曲存在, 導致光纖附加衰減增加, 影響光纖測溫準確性。c.如光纖采用螺旋形纏繞在絕緣線芯外表面上時, 絕緣線芯受熱膨脹時, 使緊密纏繞在絕緣線芯上的光纖受到應力作用。電纜是在常溫下生產, 當通電滿負荷運行時, 導體溫度有時會達到90 ℃, 從常溫升到90 ℃時, 絕緣厚度將膨脹1.5 mm左右, 即絕緣外徑將膨脹3 mm左右, 緊密纏繞在絕緣線芯上的光纖將無法吸收這部分膨脹體積, 從而導致光纖附加衰減增加, 影響光纖測溫準確性[3]。

該電纜內置光纖的S形放置結構設計具有以下優點:我國高壓交聯聚乙烯絕緣電力電纜大部分采用表面呈波紋形狀具有一定撓性的鋁護套 (即皺紋鋁護套) , 在鋁護套和電纜絕緣線芯表面的緩沖帶之間有一定的空隙。當光纖采用S形放置于皺紋鋁護套與絕緣線芯頂部的縫隙之間時, 可減少成品電纜上盤或安裝敷設下盤時拉力使電纜產生彎曲或扭曲對光纖的影響。由于大規格高壓電纜的重量較重, 在擠包電纜鋁護套或氬弧焊電纜鋁護套時絕緣線芯易下沉到鋁護套的套內下方, 電纜絕緣線芯和皺紋鋁護套的內側凸出部分易相互擠壓, 光纖在絕緣線芯表面上的S形放置方式避免了螺旋形繞包方式時光纖易受擠損傷的不足。

原220 kV高壓智能測溫電纜內置光纖放置工藝流程為:a.在緩沖帶繞包的前端部位, 2名操作工將光纖沿電纜長度方向呈S形或蛇形放置于電纜絕緣線芯上, S形節距為400～500 mm, S形波幅為30～40 mm;b.采用半導電膠帶 (50 mm (長) ×10 mm (寬) ) 垂直于電纜方向將光纖粘在電纜絕緣線芯上;c.采用2層寬160 mm、厚2.0 mm的半導電緩沖阻水帶覆蓋在膠帶粘好的光纖上面進行保護, 半導電緩沖阻水帶兩側采用膠帶每隔500～600 mm于光纖S形波峰處各粘一次, 當半導電緩沖阻水帶有接頭時采用膠帶上下2層粘貼[4];d.在電纜前后兩端0.5 m范圍內不加光纖, 以防止在制作端頭時損壞光纖;電纜的收線盤內徑應大于20D (D為電纜直徑) , 以防止電纜彎曲半徑過小, 損傷光纖;e.進入皺紋鋁護套工序以及外護套工序后, 與普通高壓電纜生產過程一樣, 但要在生產過程中避免電纜遭受猛烈或過大的瞬時強拉力, 保持電纜的恒張力收放過程以及成品電纜的收線盤內徑大于20D。

雖然采用該工藝流程生產的220 kV高壓智能測溫電纜性能測試結果合格, 但仍存在問題:采用人工方式, 人為將光纖擺成S形, 用膠帶粘牢, 再進行繞包帶纏包, 造成生產效率低、操作人員勞動強度大、光纖S形不規則、效果不理想, 同時因電纜生產時有一定前行速度, 在電纜前行時依靠人工將光纖放置在電纜絕緣表面, 存在安全隱患, 易造成安全生產事故。

電纜內置光纖S形擺動裝置設計

光纖S形擺動裝置設計

針對原220 kV高壓智能測溫電纜人工方式內置光纖工藝的不足, 設計了一種光纖S形擺動裝置 (即光纖擺動器) ,該裝置主要由摩擦輪、齒輪傳動機構、偏心輪、擺 (動) 臂等組成。

該裝置屬于無動力擺動裝置, 電纜外圓周側面設計有一個貼緊電纜并隨電纜行進而轉動的摩擦輪, 摩擦輪的轉軸與電纜行進方向垂直;電纜外圓周側面設計一根擺臂;擺臂前端連接有帶動擺臂擺動的擺臂驅動機構, 摩擦輪與擺臂驅動機構之間設有齒輪傳動機構, 利用電纜的行進帶動摩擦輪, 通過齒輪傳動機構、偏心輪的傳動, 使裝置的擺臂有一定幅度的擺動, 確保光纖不承受較大的拉力;光纖穿過擺臂后端的模孔, 呈S形牢固穩定地附著在電纜絕緣外屏蔽表面;4根包帶導桿環繞于電纜四周, 分布于正方形的4個角上, 包帶導桿與電纜平行, 緩沖包帶通過包帶導桿后繞包于電纜上, 將光纖包扎固定并實施保護;電纜外圓周上接有空心管, 空心管安裝于空心管襯圈座上, 可360°任意調整, 確保光纖可放置于電纜的任一側面。

該裝置傳動機構包括:擺臂前端設有擺臂支點, 擺臂驅動機構為一偏心輪, 偏心輪連接于擺臂支點后側, 擺臂后端設有雙模座, 雙模座上設置模孔;摩擦輪的轉軸安裝于軸承座1上, 軸承座1上設有滾動軸承與摩擦輪轉軸配合, 軸承座1上設有緊定座, 緊定座上設有緊定螺絲, 齒輪傳動機構包括與摩擦輪轉軸固定的齒輪1, 齒輪1與齒輪2嚙合傳動, 齒輪2的轉軸上固定有齒輪3, 齒輪3與齒輪4嚙合, 齒輪4的轉軸安裝于軸承座2上, 軸承座2上設有滾動軸承與齒輪4的轉軸配合, 齒輪4的轉軸上固定有齒輪5, 齒輪5與齒輪6嚙合, 齒輪6的轉軸安裝于軸承座3上, 偏心輪固定于齒輪6的轉軸上。當電纜向前行進時, 包帶導桿做逆時針旋轉, 包帶通過包帶導桿后繞包于電纜上。與此同時, 緊壓在電纜表面的摩擦輪產生足夠的摩擦力, 帶動齒輪1, 并分多級傳動至齒輪2、齒輪3、齒輪4、齒輪5、齒輪6, 齒輪6再帶動偏心輪轉動, 偏心輪的旋轉使套在偏心輪上的擺臂做繞其支點的擺動, 而光纖通過裝在擺臂上的模孔, 隨著電纜的行進、擺臂的擺動, 就自然形成了S形, 包帶隨之將其包扎固定。

光纖S形擺動裝置使用效果驗證

該光纖S形擺動裝置的結構小巧緊湊, 無需額外動力, 無需改動原220 kV高壓智能測溫電纜內置光纖放置工藝流程, 可大幅度減輕操作人員的勞作強度, 生產效率大大提高, 且內置光纖形成的S形十分規則整齊, 效果非常理想。為了驗證該光纖S形擺動裝置的實際使用效果, 采用其分別制作了長度為530 m和490 m的兩盤OPHC-YJLW03 127/220 kV 1×2 500 mm2-CTG-12B1 220 kV高壓智能測溫電纜, 并對成品電纜的主要性能進行了測試,兩盤220 kV高壓智能測溫電纜的性能均符合國家相關標準要求。這兩盤220 kV高壓智能測溫電纜進行了全性能的型式試驗, 試驗數據均符合設計要求。

設計了一種220 kV高壓智能測溫電纜用內置光纖S形擺動裝置, 生產結果表明設計的光纖S形擺動裝置生產效率高、工藝結構穩定、產品性能優良。 220 kV高壓智能測溫電纜產品經國家電網、南方電網等多家單位使用, 用戶反映良好。未來高壓電纜將朝智能化、集成化方向發展, 可以預計高壓智能測溫電纜將有著廣闊的市場發展前景。