CN112750565B - 匀电场智能感温供电电缆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种匀电场智能感温供电电缆，包括导体缆芯和绝缘层，导体缆芯由中心导体和瓦形导体构成，相邻瓦形导体的边角弧间隙中嵌装有导电嵌条，绝缘层的厚度与额定电压之比为0.4mm/kv—0.45mm/kv；钢丝铠装层中至少插排有一测温光纤，该测温光纤位于相邻两侧的握持钢丝的握持槽中，相邻的铠装钢丝分别通过对应的钢丝凸榫和钢丝榫槽依次活动相接；在测温光纤导热层外周间隔地套装有金属外管，导热层和金属外管之间的导热填充膏的组份有：胶凝剂、分油抑制剂、抗氧化剂、吸水剂、消泡剂，余为导热油。该智能供电电缆不仅能实现电能的安全传输，而且能够实现电缆电力负荷运行情况的准确实时智能监测。

Description

匀电场智能感温供电电缆

技术领域

本发明涉及电力电缆技术领域，尤其涉及一种能准确适时地监测电缆运行温度的电力电缆。

背景技术

电力电缆在电力系统主干线路中用以传输和分配大功率电能的电缆产品。随着电力电缆应用领域的不断拓展，也使得电力电缆的敷设环境变得更加复杂，电力电缆已从单纯的电力电能传输向多功能多用途方向发展。并且电力电缆在铁路供电线路中的应用数量也在与日俱增，电力电缆的工作运行状态在很大程度上决定着供电质量和供电的安全性；预防电缆故障、降低电缆运行中的故障率，提高电缆供电的可靠性，对铁路的安全、高效运行显得尤为重要。

在电力电缆中缆芯导体的设计是电缆结构设计的重要环节，合理的导体结构设计，既能有助于提高电力电缆的质量，又可以 减少电缆材料的消耗。在现有电力电缆中缆芯大都由若干导体 单线绞合而成，缆芯导体间存在较多的空隙，形成松散的电缆结构，不仅会增加填充材料用量，更会引起包带、铠装和护套材料用量的增加，也增加电缆铺设的工作量；采用压紧缆芯结构可以减少缆芯导体间的空隙，但是采用过紧的压紧缆芯结构，不仅影响电缆的柔软性，而且对导体直流电阻有很大的影响，同时在压紧缆芯结构中异形导体截面由于会在导体单线边角处曲率半径过小，使得该处电场比较集中，电缆的耐电压水平降低。

在铁路供电系统中大量应用电力电缆，电力电缆的缆芯由于通过较大的电流会在自身电阻的作用下发热，时间越久、温度越高，电阻越大、越容易发热，这不仅会引起电力传输损耗，更会导致绝缘材料退化，毁损电缆，甚至造成火灾等安全事故，故而电缆的运行温度是表征电力电缆运行状态的一个极其重要的参数，当电缆发生故障时，故障点附近的温度值也随之上升或下降。由于电力电缆往往处于埋设状态具有极大的隐蔽性，给故障的检测以及距离的准确定位带来较大的难度。重视电力电缆的故障检测和诊断，运用先进检测技术准确定位电力电缆的故障点，及时维修，做好安全保护措施，对电力系统的整体运行极其重要。

光纤测温技术已在电力电缆运行温度的监测中得到运用，光纤测温技术是一项实时、在线和多点光纤温度测量技术，能够实时地监测空间温度场，可以对光纤沿线的测量点进行连续的实时测量，且抗电磁干扰。但是当测温光纤置入电力电缆中进行温度测量时，由于电力电缆在敷设或使用过程中会发生拉伸、挤压和弯曲等现象，不仅可能对光纤形成各种机械损伤，而且还会破坏光纤的工作姿态，使测温光纤产生偏振光，产生较大的测温误差，为此现有用于电力电缆在线测温的光纤往往均有较为复杂的护套层，而这种护套层又会阻断或延缓电缆热量的传递或形成不均匀传导，使得测温光纤产生较大测量误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种匀电场智能感温供电电缆，不仅能实现电能的安全传输，具有较好的柔性和耐电压水平，而且能够实现电缆电力负荷运行情况的准确实时智能监测，保证供电和在线监测的同步。

为了解决上述技术问题，本发明的匀电场智能感温供电电缆，包括导体缆芯，在导体缆芯外依次设有导体屏蔽层、绝缘层和绝缘屏蔽层，在绝缘屏蔽层上设置有屏蔽层，该屏蔽层上设置有隔离套，在隔离套的外周设置有钢丝铠装层，钢丝铠装层上绕包有绕包带层，所述导体缆芯由中心导体和瓦形导体构成，中心导体位于导体缆芯的中心位置，若干瓦形导体围绕中心导体依次排列，该导体缆芯(1)的紧压系数为0.88-0.90，中心导体的半径为R，瓦形导体的内边弧半径为r1，瓦形导体的外边弧半径为r2，r1＝（0.05-0.065）R，r2＝（0.10-0.12）R，在所述相邻瓦形导体的边角弧间隙中嵌装有导电嵌条（103）；所述绝缘层的厚度与额定电压之比为0.4mm/kv—0.45mm/kv；所述钢丝铠装层包括有若干沿隔离套外周依次排列的铠装钢丝，在该钢丝铠装层中至少插排有一测温光纤，该测温光纤位于相邻两侧的握持钢丝的握持槽中，握持钢丝另一侧的握持槽与相邻铠装钢丝的钢丝凸榫活动相接，相邻的铠装钢丝分别通过对应的钢丝凸榫和钢丝榫槽依次活动相接；所述测温光纤包括有测温纤芯，以及包覆于测温纤芯外侧的光纤包层，在光纤包层上包覆有导热层，在导热层外周间隔地套装有金属外管，在导热层和金属外管之间填充有导热填充膏；该导热填充膏的重量百分比组份为：胶凝剂18%—20%，分油抑制剂3%—5%，抗氧化剂1%—2%，吸水剂2%—2.5%，消泡剂0.0015%—0.002%，余为导热油。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下显著优点：

首先导体缆芯由中心导体和瓦形导体构成，形成了缆芯紧压结构，电缆缆芯结构更加稳定，缆芯截面几何尺寸最小，结构紧凑，不仅省去电缆缆芯的填充材料，同时也大大减少了电缆包带、铠装和护套等材料 用量，节约电缆成本，方便电缆施工；将瓦形导体的内边弧半径和外边弧半径控制在合理的范围内，既有利于稳定电缆缆芯的紧压程度，均匀电场分布，减少电场集中，尤其在相邻瓦形导体的边角弧间隙中嵌装有导电嵌条，使得电缆缆芯形成较为均匀的导电截面，更加有效地均匀了电场分布，大大提高了电缆的耐压水平。将导体缆芯的紧压系数控制在0.88-0.90之间，既可紧凑电缆缆芯结构，保持电缆的柔软性，又不会对导体直流电阻形成不利影响。

本发明中的测温光纤位于其两侧握持钢丝的握持槽中，而握持钢丝又以榫接方式与铠装钢丝活动相接，铠装钢丝之间同样以榫接方式相互活动连接，这样一方面测温光纤与握持钢丝形成了面接触，而不是传统结构中的线接触，握持钢丝的热量更能均匀地传递给测温光纤，使得测温光纤能够准确地反映铠装层的温度，另一方面握持钢丝与铠装钢丝也构成了面接触的铰连接结构，使得电缆的热量能够在钢丝铠装层中均匀传递，在钢丝铠装层上形成均匀的温度场，使得测温光纤能够检测到电缆的实际运行温度，从而大大提高了测温光纤对电缆电力负荷运行情况的准确监测，有利于实现大范围、多点的温度测量，精准度高，能够实现自动测量和在线温度监测，有利于电缆的智能化管理。尤其是这种通过榫接方式而形成的铠装结构，大大增加了电缆的抗拉强度、抗压强度等机械强度，提升了电缆的防侵蚀能力，保护和延长了电缆的使用安全性。

本发明中测温光纤单元的护层采用了导热结构和护套结构，护套结构有效地增强了光纤的抗拉抗压等机械性能，形成了可靠稳定的保护功能，尤其是导热结构中的导热层和导热填充膏提高了光纤护层的导热效果，增强光纤的热敏感性和监测灵敏度，其导热油不仅具有良好的导热性能，也使得光纤受热均匀，测温数据更加准确，而且有效地阻止了水和潮气渗入到内部，有效地避免光纤传输损耗，确保光纤的温度监测质量和使用寿命。导热填充膏在满足良好导热性的同时，又构成了对光纤良好的减振、抗弯曲、抗拉伸等机械性能，具有导热和保护的双重技术效果。

本发明将缆芯导体的绝缘厚度与额定电压之比控制在0.4mu/kv—0.45 mu/kv之间，过薄的绝缘厚度容易造成电缆绝缘击穿，使电缆绝缘作用丧失，造成电力传输事故，而过厚的绝缘层厚度不仅会增加电缆的敷设难度和电缆成本，也不利于电缆运行热量的散发，降低电能传输效率，还增加了电缆的敷设空间。将电缆绝缘厚度依据电缆额定电压而合理地控制在一定的数值范围内，则使电缆兼具较佳的绝缘安全性、电能传输效率和电缆成本。

本发明的优选实施方式，所述中心导体为圆形导体，在中心导体的外周至少排列有一层瓦形导体，所述导电嵌条由导电高分子材料制成。电缆缆芯结构紧凑，导体电场均匀，增强电缆耐压水平。

本发明的优选实施方式，所述钢丝铠装层中插排有两根测温光纤。结构合理，能够保证测温光纤的可靠稳定运行。

本发明的优选实施方式，所述屏蔽层由纯铜带重叠绕包而成，该纯铜带的绕包重叠率为15%—25%。便于制作生产，且屏蔽性能佳。

本发明进一步实施方式，所述握持钢丝两侧的握持槽为圆弧凹槽，该圆弧凹槽的内径与测温光纤的外径相对应；所述铠装钢丝的一侧为钢丝凸榫，铠装钢丝的另一侧为钢丝榫槽，钢丝凸榫为圆弧凸榫条，钢丝榫槽为圆弧凹槽，钢丝凸榫与钢丝榫槽的形状相吻合。便于加工生产，钢丝榫接稳定。

本发明的进一步实施方式，所述导热填充膏的重量百分比组份为：导热油72%，胶凝剂20%，分油抑制剂4%，抗氧化剂1.5%，消泡剂0.0018%，余为吸水剂。所述导热油为合成导热油，所述胶凝剂为气相二氧化硅，所述抗氧化剂为烷基酚抗氧化剂，所述分油抑制剂为乙丙橡胶或双嵌段高聚物，所述吸水剂为硅胶，所述消泡剂为乳化硅油。具有良好的传热性能和导热效果。

本发明的优选实施方式，所述导体屏蔽层和绝缘屏蔽层均由过氧化物交联型半导电屏蔽料挤包而成，所述绝缘层由过氧化物交联聚乙烯绝缘料挤包而成。具有极绝缘性能和均匀的电场。

本发明的优选实施方式，所述绕包带层上挤包有内护套，该内护套上挤包有外护套。所述隔离套由低烟无卤阻燃聚烯烃材料挤包而成。所述绕包带层由玻璃纤维带绕包而成。结构合理，并使电缆护套形成多种保护功能，大大增强电缆综合性能，使电缆更能适应于多种恶劣的应用环境。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明匀电场智能感温供电电缆作进一步详细说明。

图1是本发明匀电场智能感温供电电缆一种具体实施方式的截面结构示意图；

图2是图1所示结构中缆芯的中心导体和瓦形导体局部截面放大结构示意图；

图3是图1所示结构中测温光纤的截面结构示意图；

图4是图1所示结构中钢丝铠装层的局部结构示意图；

图5是图4所示结构中握持钢丝的截面结构示意图；

图6是图4所示结构中铠装钢丝的截面结构示意图。

图中，1—导体缆芯、101—中心导体、102—瓦形导体、103—导电嵌条，2—导体屏蔽层，3—绝缘层，4—绝缘屏蔽层，5—屏蔽层，6—隔离套，7—钢丝铠装层、71—铠装钢丝、72—握持钢丝、73—握持槽、74—钢丝榫槽、75—钢丝凸榫， 8—测温光纤、81—测温纤芯、82—测温包层、83—导热层、84—导热油膏、85—金属外管，9—绕包带层，10—内护套，11—外护套，R—中心导体的半径，r1—瓦形导体的内边弧半径，r2—瓦形导体的外边弧半径。

具体实施方式

如图1所示的匀电场智能感温供电电缆，包括导体缆芯1，在导体缆芯1的外周从里向外依次包覆有导体屏蔽层2、绝缘层3和绝缘屏蔽层4，该导体屏蔽层2和绝缘屏蔽层4均由过氧化物交联型半导电屏蔽料挤包而成，绝缘层3则由过氧化物交联聚乙烯绝缘料挤包而成，导体屏蔽层2、绝缘层3和绝缘屏蔽层4采用三层共挤包工艺实现。导体屏蔽层2和绝缘屏蔽层4具有均化电场、稳定电缆性能的作用。为了保持电缆具有安全合理的电缆绝缘强度，绝缘层3的厚度b与电缆的额定电压（kv）相关联，本实施例中绝缘层3的厚度b=11mm，电缆的额定电压为25kv，绝缘层3的厚度b与额定电压之比为0.44mm/kv。

导体缆芯1由中心导体101和瓦形导体102构成，中心导体101和瓦形导体102均为铜质单丝，中心导体101的截面为圆形，瓦形导体102的截面为瓦形。如图2所示，中心导体101位于导体缆芯1的中心位置，在中心导体10的外周依次排列三层瓦形导体102，一层排列着6根瓦形导体102，二层排列着12根瓦形导体102，三层排列着18根瓦形导体102，从而构成1+6+12+18的缆芯结构。中心导体101的半径R＝2.6mm，瓦形导体102的内边弧半径为r1＝0.06R＝0.156mm，瓦形导体102的内边弧半径为r1＝0.06R＝0.156mm，瓦形导体102的外边弧半径为r2＝0.11R＝0.286mm；优选地，瓦形导体102的内边弧半径r1＝（0.05-0.065）R，瓦形导体102的外边弧半径r2＝（0.10-0.12）R。在相邻的瓦形导体的边角弧间隙中嵌装有导电嵌条103，导电嵌条103由导电橡胶、导电硅胶或导电塑料等导电高分子材料制成，这样既不影响电缆缆芯的柔软性，又能形成均匀化的缆芯电场，从而提高电缆的耐电压水平。

在绝缘屏蔽层4上设置有屏蔽层5，该屏蔽层5由纯铜带重叠绕包而成，该纯铜带的绕包重叠率为15%—25%。在屏蔽层5上设置有隔离套6，隔离套6由低烟无卤阻燃聚烯烃材料挤包而成，具有阻燃防水的作用。在隔离套6的外周设置有钢丝铠装层7，钢丝铠装层7由异型碳素钢钢丝编排而成，在钢丝铠装层7的异型碳素钢钢丝间插排有两根测温光纤8，该两根测温光纤8大体位于电缆截面的同一直径上。在钢丝铠装层7上绕包有绕包带层9，该绕包带层9由玻璃纤维带绕包而成。在绕包带层9上挤包有内护套10，该内护套10上挤包有外护套11；内护套10由低烟无卤阻燃聚烯烃材料挤包而成，外护套11由尼龙材料挤包而成。

如图3所示的测温光纤，该测温光纤8包括有测温纤芯81，在测温纤芯81外包覆有测温包层82，在测温包层82上包覆有导热层83，该导热层83由导热硅胶涂覆而成，在导热层83外周有间隔地套装有金属外管85，该金属外管85为铜质波纹管，在金属外管85与导热层83之间填充有导热填充膏84。

所述的导热填充膏84由以下的组份配制而成，其实施例如下：

实施例一：导热填充膏84的重量百分比组份为：导热油72%，胶凝剂20%，分油抑制剂4%，抗氧化剂1.5%，消泡剂 0.0018%，其余为吸水剂。上述的导热油为合成导热油，胶凝剂为气相二氧化硅，抗氧化剂为烷基酚抗氧化剂，分油抑制剂为乙丙橡胶或，吸水剂为硅胶，消泡剂为乳化硅油。

实施例二：导热填充膏84的重量百分比组份为：导热油72.5%，胶凝剂18%，分油抑制剂5%，抗氧化剂2%，消泡剂 0.002%，其余为吸水剂。上述导热油为合成导热油，胶凝剂为气相二氧化硅，抗氧化剂为烷基酚抗氧化剂，分油抑制剂为双嵌段高聚物，吸水剂为硅胶，消泡剂为乳化硅油。

如图4所示，钢丝铠装层7由异型的铠装钢丝71、握持钢丝72围成，铠装钢丝71和握持钢丝72为异型碳素钢丝，该铠装钢丝71和握持钢丝72依次排列于隔离套6的外周；测温光纤8插接于相对的两握持钢丝72之间。本实施例中钢丝铠装层7中插排有两根测温光纤8，故钢丝铠装层7包括有四根握持钢丝72，其余为铠装钢丝71，铠装钢丝71和握持钢丝72均为异形截面结构；铠装钢丝71的外端面和握持钢丝72的外端面大体上处于同一圆柱面上，同样铠装钢丝71的内端面和握持钢丝72的内端面也大体处于同一圆柱面上。

如图5所示，握持钢丝72的外端面和内端面为圆弧面，握持钢丝72的两个侧面均为内凹的握持槽73，该两个握持槽73的朝向相背；握持槽73为圆弧凹槽，圆弧凹槽的半径与测温光纤8的半径相当而相互对应。测温光纤8则插装于两个相邻的握持钢丝72的握持槽73中。握持钢丝72另一侧的握持槽73与相邻铠装钢丝71的钢丝凸榫75活动相接。

如图6所示，铠装钢丝71的外端面和内端面为圆弧面，铠装钢丝71的一侧面为钢丝榫槽74，另一侧面为钢丝凸榫75，钢丝凸榫75与钢丝榫槽74的形状相吻合，相邻铠装钢丝71分别通过各自对应的钢丝凸榫75和钢丝榫槽74依次地相活动连接。

以上举出了本发明的一些优选实施方式，但本发明并不限于上述实施例，在不违背本发明基本原理的前提下还可以作出许多的改进和变换。如插排于钢丝铠装层中的测温光纤不限于两根，也可以是一根、三根或四根等；电缆的包覆层也不限于上述实施例，还可以根据电缆的使用要求和环境，可以在层与层之间插包其它的功能包覆层，等等。这些改进和变换均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种匀电场智能感温供电电缆，包括导体缆芯（1），在导体缆芯（1）外依次设有导体屏蔽层（2）、绝缘层（3）和绝缘屏蔽层（4），在绝缘屏蔽层（4）上设置有屏蔽层（5），该屏蔽层（5）上设置有隔离套（6），在隔离套（6）的外周设置有钢丝铠装层（7），钢丝铠装层（7）上绕包有绕包带层（9），其特征在于：所述导体缆芯(1)由中心导体（101）和瓦形导体（102）构成，中心导体（101）位于导体缆芯(1)的中心位置，若干瓦形导体（102）围绕中心导体（101）依次排列，该导体缆芯(1)的紧压系数为0.88-0.90，中心导体（101）的半径为R，瓦形导体（102）的内边弧半径为r1，瓦形导体（102）的外边弧半径为r2，r1＝（0.05-0.065）R，r2＝（0.10-0.12）R，在相邻瓦形导体（102）的边角弧间隙中嵌装有导电嵌条（103）；所述绝缘层（3）的厚度与额定电压之比为0.4mm/kv—0.45mm/kv；所述钢丝铠装层（7）包括有若干沿隔离套（6）外周依次排列的铠装钢丝（71），在该钢丝铠装层（7）中至少插排有一测温光纤（8），该测温光纤（8）位于相邻两侧的握持钢丝（72）的握持槽（73）中，握持钢丝（72）另一侧的握持槽（73）与相邻铠装钢丝（71）的钢丝凸榫（75）活动相接，相邻的铠装钢丝（71）分别通过对应的钢丝凸榫（75）和钢丝榫槽（74）依次活动相接；所述测温光纤（8）包括有测温纤芯（81），以及包覆于测温纤芯（81）外侧的光纤包层（82），在光纤包层（82）上包覆有导热层（83），在导热层（83）外周间隔地套装有金属外管（85），在导热层（83）和金属外管（85）之间填充有导热填充膏（84）；该导热填充膏（84）的重量百分比组份为：胶凝剂18%—20%，分油抑制剂3%—5%，抗氧化剂1%—2%，吸水剂2%—2.5%，消泡剂0.0015%—0.002%，余为导热油。

2.根据权利要求1所述的匀电场智能感温供电电缆，其特征在于：所述中心导体（101）为圆形导体，在中心导体（101）的外周至少排列有一层瓦形导体（102），所述导电嵌条（103）由导电高分子材料制成。

3.根据权利要求1所述的匀电场智能感温供电电缆，其特征在于：所述钢丝铠装层（7）中插排有两根测温光纤(8)。

4.根据权利要求1所述的匀电场智能感温供电电缆，其特征在于：所述屏蔽层（5）由纯铜带重叠绕包而成，该纯铜带的绕包重叠率为15%—25%。

5.根据权利要求1所述的匀电场智能感温供电电缆，其特征在于：所述握持钢丝（72）两侧的握持槽（73）为圆弧凹槽，该圆弧凹槽的内径与测温光纤（8）的外径相对应；所述铠装钢丝（71）的一侧为钢丝凸榫（75），铠装钢丝（71）的另一侧为钢丝榫槽（74），钢丝凸榫（75）为圆弧凸榫条，钢丝榫槽（74）为圆弧凹槽，钢丝凸榫（75）与钢丝榫槽（74）的形状相吻合。

6.根据权利要求1所述的匀电场智能感温供电电缆，其特征在于：所述导热填充膏（84）的重量百分比组份为：导热油72%，胶凝剂20%，分油抑制剂4%，抗氧化剂1.5%，消泡剂0.0018%，余为吸水剂。

7.根据权利要求5所述的匀电场智能感温供电电缆，其特征在于：所述导热油为合成导热油，所述胶凝剂为气相二氧化硅，所述抗氧化剂为烷基酚抗氧化剂，所述分油抑制剂为乙丙橡胶或双嵌段高聚物，所述吸水剂为硅胶，所述消泡剂为乳化硅油。

8.根据权利要求1所述的匀电场智能感温供电电缆，其特征在于：所述导体屏蔽层（2）和绝缘屏蔽层（4）均由过氧化物交联型半导电屏蔽料挤包而成，所述绝缘层（3）由过氧化物交联聚乙烯绝缘料挤包而成。

9.根据权利要求1所述的匀电场智能感温供电电缆，其特征在于：所述绕包带层（9）上挤包有内护套（10），该内护套（10）上挤包有外护套（11）。

10.根据权利要求1所述的匀电场智能感温供电电缆，其特征在于：所述隔离套（6）由低烟无卤阻燃聚烯烃材料挤包而成；所述绕包带层（9）由玻璃纤维带绕包而成。

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