0  引言

    2015年，《国务院关于积极推进“互联网＋”行动的指导意见》明确指出“推进电力光纤到户工程，完善能源互联网信息通信系统”，为电力光纤到户发展开创了新的时代。而光纤复合低压电缆（OPLC）是电力光纤到户工程中重要设施，但缺乏有效监测手段评价其安全状况。

    敷设环境的非理想化、机械应力的作用以及电缆自身运行电流的改变等都会影响OPLC电缆性能和寿命的改变。在影响OPLC电缆健康状态的所有因素中，温度是OPLC最主要的影响因素^[1-5]。OPLC复合缆的热老化导致的材料性能变化，将引起复合缆理论温度场的改变、内外层实时运行温度差异的变化^[5-10]。经过长期运行后的复合缆，其物理性能、绝缘性能、光纤包覆材料性能降低明显，存在随时都会击穿、光纤烧断的威胁。

    为了解决复合缆安全运行监测和危险状态评估问题，本文研究一种复合缆的状态监测技术，可以监测复合缆的分布式温度、传送的负荷电流等参量，根据采集的状态数据在线评估电缆的运行状态。同时，利用复合缆的老化特性，研究利用复合缆历史温度数据评估复合缆的温度偏离程度，从而了解电缆的老化程度。

1  OPLC电缆老化性能影响

    光纤复合低压电缆是一种应用在电力光纤到户、光电同传场景的新型电缆，是将光纤和电力线绞合制造而形成的，利用电力通道资源，实现电网和通信网基础设施的深度融合，结合无源光网络技术，承载用电信息采集、智能用电、多网融合等业务。常见的额定电压0.6/1 kV及以下配用电光纤复合低压电缆产品结构如图1所示。

    OPLC复合缆材料类型通常有铜线、交联聚乙烯、SiO2、芳纶纱、聚氯乙烯等。在电缆运行期间，电缆绝缘会受到长期的热老化影响。正常运行工作的状态下，由于载流量很大、环境温度较高等，使得交联聚乙烯电缆绝缘的正常工作温度能达到90℃，当电缆过载状态或短路后，短时间内电缆绝缘的温度可达到150℃。

    在复合缆热老化的过程中，氧化作用是最主要的形式。绝缘材料、聚录乙烯材料等的氧化产物主要包括羰酸、酮、酯、醛、内酯等。这些氧化产物的热容比和热传递系数相比交联聚乙烯等高分子材料发生变化，使得复合缆的铜芯处的温度与电缆表皮的温度差异变小，从而使线芯温度升高。再者，光单元套管、涂层、保护油膏等发生硬化，影响光纤的应力应变，进而影响通信和寿命。复合缆温度是反映电缆老化程度的典型指标。

    热老化不仅会影响交联聚乙烯电缆绝缘的电气、物理化学和其他性能，还会影响其内部电树枝和水树枝的发生和生长特性。由于电缆本体或附件绝缘中存在某一点或多点的缺陷，如微孔、杂质、半导电层表面突起或凹陷等，使得该点局部电场强度增加。随着绝缘的老化，绝缘材料的耐电强度逐渐变低。当电场强度超过绝缘介质的耐电强度时，就会在该点发生局部击穿、放电现象^[11-12]。长期、不断的局部放电会导致绝缘介质损耗增加和力学性能下降，缩短电缆的使用寿命。

2  OPLC状态监测技术及系统

    OPLC复合缆的运行温度与电缆的结构、材料、老化程度以及负荷电流、环境温度、风力紧密相关。通过复合缆的运行温度分析复合缆老化的程度、评估复合缆的寿命，首先要去除诸如负荷电流、外部环境温度对复合缆的影响。因为OPLC是体现成一定长度的电缆，不能仅测量单点位置的温度评价整条缆的安全性，需要获取整条缆的温度，才能科学估算缆的状况^[13-14]。

    按照OPLC复合缆评价目标，本文设计出一种基于分布式光纤测温技术实现的测温系统，利用OPLC复合缆中内置的通信光纤为测温传感器，利用分布式温度测量技术获取电缆的线性温度分布，从而测量出电缆的内部温度；利用电磁耦合传感器测量电缆的负荷电流参数，用电阻式温度传感器测量电缆的表皮温度；通过复合缆内外温度的监测和电缆负荷电流的监测去除复合缆温度分析时的影响因素。

    分布式光纤测温技术基于光在光纤晶体中传输时发生的光散射现象。利用光散射现象能实现测温的技术有自发拉曼散射光时域传感技术和布里渊光时域传感技术。布里渊光时域和自发拉曼光时域散射分别是基于光学声子和光学光子的散射光，均是非弹性散射，具有频移特性。频率下移的成分是斯托克斯光，频率上移的成分是反斯托克斯光，如图2所示。反斯托克斯光在温度变化时受到影响，依据此特性实现温度的测量。 

    实现基于温度的OPLC状态评价还要考虑负荷电流、环境温度状况的影响。本文提出的系统结构设计如图3所示，分布式光纤测温子系统完成复合缆的温度测量，测量数据初步处理后通过通信总线传输给数据处理中心；环境温度、电流测量子系统完成负荷电流、环境温度的测量，前端是一个采集器，采集温度传感器和霍尔电流互感器的模拟信号经采集处理变成数值信号后进入对应的测量子系统。整个监测及评估系统中设置了数据处理中心，实现了复合缆温度、负荷电流和电缆表皮温度的一体化测量，从而将采集的光电复合缆纤芯温度、电缆负荷电流、电缆表面温度和敷设环境温度数据进行联合分析，并且依据历史温度数据分析复合缆缆芯温度、缆表皮温度偏差程度，实现分析电缆绝缘的老化程度，评估电缆的运行安全状态的目的。

3  OPLC复合缆老化试验及数据分析

    对OPLC复合缆进行温度老化试验目的是观测复合缆在温度老化试验前后内外部温度变化特性，验证经过温度老化的复合缆材料性能发生了变化，导体线芯和复合缆表皮的温度差异变化规律。

    开展温度老化试验平台见图4。在环境温度可调节的空间中，放置试验用的OPLC复合缆。将复合缆两端接到电流源输出端子上。将OPLC复合缆内置的通信光纤熔接一根尾纤接入OPLC状态监测装置的温度测量光接口上；把电流互感器固定到复合缆导线上，将温度传感器固定到复合缆表皮上，将传感器的另一端接入OPLC状态监测装置电接口上。

    试验方法：取符合标准的新缆试验，试验过程要求多次对复合缆进行温度老化和测量。首先，计算施加负荷电流（取长期运行最大负荷电流Imax的30%、50%、70%、80%、90%、100%、110%、120%、130%、150%，具体施加负荷根据电缆内部温度不超过110℃），记录复合缆的运行状态参数。然后进行老化过程，计算出合适的负荷电流I，使得导体温度达到100℃～105℃，并且稳定在该温度，保持温度时间至少24×7小时。再重复前面的复合缆温度测试和老化试验2次。

    图5是获得的OPLC WDZ YJY-0.6/1 3X10+GQ-2BGa复合缆的模拟老化试验数据。其中，图5（a）是电缆老化前内外部温度测量曲线；图5（b）电缆老化后内外部温度测量曲线。内部温度是电缆线芯温度，表皮温度是电缆外表面的温度。

    由图5中曲线可以看出：电缆老化前，OPLC线芯温度和表皮温度同步升高，线芯温度和表皮温度随着负荷电流的升高，二者温度差异越来越大；电缆老化后，OPLC线芯温度和表皮温度同样随着负荷电流一起升高，但是与电缆老化前同等工况下升温情况相比，随着负荷电流的升高，线芯温度和表皮温度二者之间的温度差异减小。

    上面试验数据中呈现的电缆线芯和表皮温度变化原因，是由于温度对复合缆老化作用的影响，OPLC复合缆的材料特性发生了变化。因为生成的氧化物质比热容和热传递系数的降低，使复合缆内外部的温度差异逐渐变小。随着复合缆绝缘介质性能退化和失效，复合缆将失去原有优良绝缘性能，并且对光纤损耗性能的增加影响明显。

4  结论

    OPLC复合缆是电力光纤到户工程中重要的基础设施。OPLC复合缆受到热老化的作用存在安全隐患，但是目前并没有对OPLC复合缆运行状态进行监测的工具，这就使得运维人员对于OPLC的情况很难掌握，为用户的网络使用埋下了隐患。

    本文提出的基于分布式光纤温度测量技术和系统解决了OPLC的运行状态监测问题，通过把表征OPLC运行状态的温度、电流等状态测量方法集中在一个系统上实现，使得OPLC运维测试的操作方法和安全运行评价变得简单、易行，在运行现场只需把相应测量的光纤连接到检测装置中，按照系统提示输入描述的文字，就完成了检测工作。然后由系统完成温度、电流状态量采集、数据显示，在数据分析基础上实现OPLC安全状态的评估。OPLC故障诊断技术很大程度上减轻了运维人员的工作量，提高了设备管控能力，对OPLC电缆推广应用意义重大。

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作者信息:

雷煜卿1，戚力彦1，雷炜卿2，郭昆亚3

（1.中国电力科学研究院有限公司，北京100192；

2.国网河南省电力公司焦作供电公司，河南 焦作 454150；3国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110000）