CN112837858B - 均匀温度电场的光纤测温电力电缆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种均匀温度电场的光纤测温电力电缆，在导体缆芯瓦形导体的边角弧间隙嵌有导电嵌条，中心导体和瓦形导体的弧面间隙嵌有导电膜，在依次排列的铠装钢丝中至少插排有一测温光纤；该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；该导热填充膏组份为：胶凝剂、分油抑制剂、抗氧化剂、吸水剂、消泡剂和导热油；屏蔽层由导热屏蔽带绕包而成，该导热屏蔽带包括有石墨膜片，在石墨膜片的一侧面上镀覆有金属镀层，石墨膜片的另一侧面上设有导热胶层。该电力电缆能够实时监测电缆运行情况，具有均匀的缆芯温度场和电场。

Description

均匀温度电场的光纤测温电力电缆

技术领域

本发明涉及电力电缆技术领域，尤其涉及一种包括有导电缆芯和测温光纤的电力电缆，该电力电缆不仅能进行电能传输，而且能适时监测电缆的运行温度。

背景技术

随着高铁建设的大力发展，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。

不管是用于铁路供电系统的电力电缆，还是用于其他供电系统的电力电缆，其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。

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；即使是经过紧压的缆芯，其单根导体之间仍然是以微观凹凸不平的接触面相贴合的，形成导体芯部与导体接触面部位电场的不均匀，影响电力电缆的通流量，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。

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，使得光纤测量产生较大误差。同时现有的屏蔽结构多采用金属屏蔽结构，这不仅需要耗费较多贵金属，增加电缆的重量和成本，而且也影响着电缆的热传导和温度的准确测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种均匀温度电场的光纤测温电力电缆，不仅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，而且能够均匀电缆缆芯导体的温度场和电场，增强电缆的耐电压水平。

为了解决上述技术问题，本发明的均匀温度电场的光纤测温电力电缆，包括导体缆芯，在导体缆芯外依次设置有导体屏蔽层、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金属丝铠装层，在金属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，该导体缆芯的紧压系数为0.90-0.92，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，所述中心导体和瓦形导体的弧面间隙中嵌覆有导电膜，该导电膜和对应的导电嵌条相连接；所述金属丝铠装层包括有若干沿隔离套外周依次排列的铠装钢丝，在依次排列的铠装钢丝中至少插排有一测温光纤；该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；所述屏蔽层由导热屏蔽带绕包而成，该导热屏蔽带包括有石墨膜片，在石墨膜片的一侧面上镀覆有金属镀层，石墨膜片的另一侧面上设有导热胶层。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下显著优点：

首先本发明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，中心导体和瓦形导体的弧面间隙中嵌覆有导电膜，该导电膜和对应的导电嵌条相连接；这种结构不仅保证了电缆的柔软性，而且导体间的间隙被导电嵌条和导电膜填充，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0.90-0.92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。

本发明在金属丝铠装层中插排有测温光纤，该测温光纤能准确地监测到电缆运行温度，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；本发明中测温光纤单元的外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，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，又增强了光纤的减振、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。

本发明的屏蔽层采用具有复合结构的导热屏蔽带绕包而成；该导热屏蔽带以石墨膜片为基材，在石墨膜片的一侧面镀覆有金属镀层，另一侧则设有导热胶层；由于石墨具有超高的导热率，并且具有良好的低频屏蔽作用，不仅能极好地均匀电缆内部的温度场，增强光纤的测温效果，使测量数据更加准确，而且能与金属镀层形成高低频的宽频屏蔽作用；采用这种复合结构的导热屏蔽带还降低了屏蔽贵金属的损耗，减轻电缆重量，方便敷设、使用，具有较好的经济性。

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，所述导电膜和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，所述金属丝铠装层依次排列的铠装钢丝中插排有两根测温光纤。该结构保证了测温光纤的可靠稳定运行。

本发明优选实施方式，所述石墨膜片为人工合成石墨膜，或者天然石墨膜，或者人工合成石墨和天然石墨的混合膜。所述金属镀层为镀银或镀铜层，所述导热胶层为导热胶涂覆层。具有极佳的导热性和屏蔽性。

本发明的优选实施方式，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。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。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明均匀温度电场的光纤测温电力电缆作进一步详细说明。

图1是本发明均匀温度电场的光纤测温电力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所示结构中屏蔽层的导热屏蔽带截面结构示意图。

图中，1—导体缆芯、101—中心导体、102—瓦形导体、103—导电嵌条、104—导电膜，2—导体屏蔽层，3—绝缘层，4—绝缘屏蔽层，5—屏蔽层、51—金属镀层、52—石墨基层、53—导热胶层，6—隔离套，7—金属丝铠装层，8—测温光纤、81—测温纤芯、82—测温包层、83—导热层、84—导热填充膏、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所示的均匀温度电场的光纤测温电力电缆，该电力电缆的导体缆芯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。

在绝缘屏蔽层4上的设置有屏蔽层5，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的外周设置有金属丝铠装层7，金属丝铠装层7为碳素钢钢丝，还可以是铝合金丝或不锈钢丝等。在金属丝铠装层7的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。在金属丝铠装层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。

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。在瓦形导体102和瓦形导体102的弧形接触面间隙中，以及中心导体101和瓦形导体102的弧形接触面间隙中均嵌覆有导电膜104，在相邻的瓦形导体的边角弧间隙中还嵌装有导电嵌条103，导电膜104和对应的导电嵌条103相连接，从而使得缆芯中心导体101和瓦形导体102间的间隙均填充有导电材料，形成全通流的缆芯结构；导电嵌条103和导电膜104均由导电橡胶、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。

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，绕包成屏蔽层5的导热屏蔽带采用多层复合结构，其基片层采用石墨基层52，石墨基层52采用人工合成的石墨膜，其厚度为45μm，或采用厚度为100μm的天然石墨膜，或者为人工合成石墨和天然石墨的混合膜。在石墨基层52的一面上镀有镀铜层，也可以是镀锒层或其他常用的屏蔽金属镀层；在石墨基层52的另一面上通过涂覆导热胶而形成的导热胶层53，其厚度为10—20μm。

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。如插排于金属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；导体缆芯外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)

1.一种均匀温度电场的光纤测温电力电缆，包括导体缆芯（1），在导体缆芯（1）外依次设置有导体屏蔽层（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）的外周设置有金属丝铠装层（7），在金属丝铠装层（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0.90-0.92，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，在相邻所述瓦形导体（102）的边角弧间隙中嵌装有导电嵌条（103），所述中心导体（101）和瓦形导体（102）的弧面间隙中嵌覆有导电膜（104），该导电膜（104）和对应的导电嵌条（103）相连接；所述金属丝铠装层（7）包括有若干沿隔离套（6）外周依次排列的铠装钢丝，在依次排列的铠装钢丝中至少插排有一测温光纤（8）；该测温光纤（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4%—5%，抗氧化剂1%—2%，吸水剂2%—2.5%，消泡剂0.0015%—0.002%，余量为导热油；所述屏蔽层（5）由导热屏蔽带绕包而成，该导热屏蔽带包括有石墨膜片（52），在石墨膜片（52）的一侧面上镀覆有金属镀层（51），石墨膜片（52）的另一侧面上设有导热胶层（53）。

2.根据权利要求1所述均匀温度电场的光纤测温电力电缆，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），所述导电膜（104）和导电嵌条（103）由导电高分子材料制成。

3.根据权利要求1所述均匀温度电场的光纤测温电力电缆，其特征在于：所述金属丝铠装层（7）依次排列的铠装钢丝中插排有两根测温光纤（8）。

4.根据权利要求1所述均匀温度电场的光纤测温电力电缆，其特征在于：所述石墨膜片（52）为人工合成石墨膜，或者天然石墨膜，或者人工合成石墨和天然石墨的混合膜。

5.根据权利要求1或4所述均匀温度电场的光纤测温电力电缆，其特征在于：所述金属镀层（51）为镀银或镀铜层，所述导热胶层（53）为导热胶涂覆层。

6.根据权利要求1所述均匀温度电场的光纤测温电力电缆，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所述均匀温度电场的光纤测温电力电缆，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所述均匀温度电场的光纤测温电力电缆，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所述均匀温度电场的光纤测温电力电缆，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所述均匀温度电场的光纤测温电力电缆，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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