引言
光纤作为一种长距离分布式非金属无源传感器件，用于具有强电磁场的电缆监测，一直在不断的研究中。但由于现采用的通信光纤或光栅光纤均存在精度、强度、耐环境等方面的缺陷，至今未能在电缆线路得到广泛应用。而一种新型光栅阵列传感光纤由于采用拉丝塔在线光栅刻写技术，不仅测量精度高，更是在耐环境及机械强度方面得到大大提高，非常适合电力电缆的在线传感元件。
1 新型光栅光纤感温多芯电力电缆
本公司研制的新型光栅光纤感温多芯电力电缆，即采用上述光栅光纤，将该光纤零应力植入多芯电力电缆中，对电缆运行温度进行全时全域在线监测。
由于单芯电缆和多芯电缆的结构差异，光纤植入电缆的方式及加工工艺完全不同。本文只针对多芯电缆的结构及关键工艺设计进行阐述。
2 产品结构设计
与光栅光纤测温功能配套的信号解调系统，会将光纤所受到的所有应力解调为温度值的变化，包括将光纤植入电缆时的加工过程，以及后期运行等过程中，光纤所受到的所有应力，均会体现在温度的变化上。因此，结构设计需从温度稳定性、真实性、加工工艺等多方面进行综合考虑。
光纤越接近电缆导体，其测温值越接近导体实际温度，同时受到外界温度影响越低。结构的设计同样影响到产品加工过程中采取的工艺手段，避免光纤在加工中受到外应力导致测温失真。
经过多种材料及工艺试验，将不锈钢激光焊接无缝管做为光纤的基础保护装置，与内部传感光纤组成光纤单元。将光纤单元水平放置在多芯绝缘导体的中心位置，即可提高结构稳定性和测温准确性，又最大限度减少了复杂工艺带来的外应力影响。并且基本不增加电缆的外径尺寸。是最理想的结构。
3 关键技术
3.1光栅光纤弯曲半径
作为传感元件，光栅光纤在运行传感过程中不允许有非目标应力干扰，否则会造成温度数据失真。首先就是避免光纤弯曲造成的损耗失真。为此对本次采用的光栅传感光纤进行了弯曲缠绕试验，通过配套温度监测系统，监测相同温度下，不同弯曲半径的光栅光纤测得的温度值。具体数据见表1：
表1 光栅光纤在不同弯曲半径下的测温数据
通过表1可看出光栅光纤在弯曲半径不小于140mm时基本无附加损耗而影响监测结果。
3.2光栅光纤余长的设计
为光栅光纤设计余长，其目的主要有两点：一是为了在光纤单元与电缆结合的成缆加工过程中抵消放线受到的拉力伸长量。二是抵消电缆运行发热导致的热伸长。同时，为避免余长过大造成光纤弯曲损耗，同样会造成测温结果失真。因此光纤余长应控制在一定范围内。
3.1.1光栅光纤最小余长的设计
最小余长的设计目标为：光栅光纤的总余长应大于加工伸长量和发热伸长量的总和。
1）成缆过程中受力所需的余长计算：
多芯电缆在成缆过程中，光纤单元位于多芯导体绝缘的中心位置，只受到放线张力的影响。对生产设备进行实际测量，设备主动放线张力可控制在75N左右。光纤单元受力应变按下式计算：
光纤单元受力应变按下式计算：
ε=F1 / (S钢 × E钢) （公式1）
式中： ε —— 成缆过程中光纤单元放线拉伸应变
F1 —— 光纤单元放线受力值
S钢 —— 不绣钢管截面积
E钢 —— 不绣钢管杨氏模量
由于钢管尺寸未定，其截面积为未知数，需结合后续计算进行统一调整演算。
2）电缆运行发热伸长所需的余长计算：
光纤单元处于中心位置意味着电缆伸长量即光纤伸长量。电力电缆型号、规格众多，尺寸不一，无法精确计算其等效线胀系数。因此本次设计忽略线胀系数小的非金属材料及截面较小的不锈钢管的热胀，只把截面大的铜导体的线胀系数作为整根电缆的等效线胀系数。计算电缆发热后的伸长率的公式为：
ε1 =α△T （公式2）
式中， ε1 电缆伸长率
α 电缆等效线胀系数（按铜导体线胀系数）
△T 温度差
光栅光纤要监测的是电缆的异常温度，因此主要考虑电缆超出长期允许温度时的预警监测。以交联绝缘电缆为例，国标中要求的长期运行温度为90℃，而常规的交联聚乙烯在105℃时其各性能会有明显劣化，本产品设计略放大至精准监测120℃运行温度。
铜导体在120℃的线胀系数约为17.1×10-6/℃，根据公式2得出以下结果:
ε1 =17.1×10-6×（120-25）×100% = 0.16% (公式3）
3) 最小余长取值
通过以上计算，光纤最小余长为（ε+0.16%），考虑到生产控制精度，下偏差放大到0.05%，工艺要求最小余长为（ε+0.21%）/-0.05%。
3.1.2 光栅光纤最大余长的设计
最大余长的设计目标为：光栅光纤的总弯曲半径不小于140mm。
最大余长同样把上偏差放大到0.05%，工艺要求最大余长为（ε+0.21%）/+0.05%。在此基础上，计算钢管的尺寸。
对于多芯电缆，其内部光纤存在2种弯曲：一是光栅光纤在保护管内的余长弯曲，第二种是电缆装盘或安装的弯曲。因此需计算电缆内部光栅光纤的总弯曲半径，计算公式为：
R = 1 / ( 1/R1+1/R2) (公式4）
式中 R —— 光纤总弯曲半径
R1 —— 管内光纤余长弯曲半径
R2 —— 光纤收线（或安装）弯曲半径
假设光纤在管内以螺旋分布，光纤余长的计算公式为：
式中， B为钢管内等效内半径
P 为光纤螺旋分布节距
由于钢管尺寸未定，因此B和P值未定。
3.2 综合演算
3.2.1 最小余长演算
通过公式2和公式3得出，光纤最小余长为（ε+0.16%），考虑到生产控制精度，下偏差放大到0.05%，工艺要求最小余长为（ε+0.21%）/-0.05%。
3.2.2 最大余长演算
最大余长同样把上偏差放大到0.05%，工艺要求最大余长为（ε+0.21%）/+0.05%。在此基础上，计算钢管的尺寸。
我们通过选取不同的钢管尺寸，预设钢管壁厚0.2mm，计算出不同尺寸下的光纤余长α管，以及光纤弯曲半径R1。最终选取的钢管尺寸需满足管内光纤余长大于（ε+0.21%+0.05%），同时光纤总弯曲半径不小于140mm的要求。得到表1数据：
表1 R和εmax的大致取值范围计算表
3.2.3 光纤单元参数确认
通过计算得出，ε取值0.02%，则管内光纤余长需大于0.02%+0.21%+0.05%=0.28%。序号3内的参数满足要求，即内径3mm,外径3.4mm的钢管。由于公司研制的单芯感温电缆设计的钢管尺寸为内径3.1mm，外径3.5mm的尺寸，为了生产与工装便利，最终确定光纤单元参数如表2：
表2 最终确定的光纤单元参数
4 产品性能测试
4.1产品电气性能
经检测产品电气性能满足电力电缆国标GB/12706相关要求。
4.2 温度监测性能
将1根50米长的3×120mm2的1kV感温电缆放入高温箱内，内部光栅传感光纤连接置于箱外的配套温度解调仪。分别设置常温、50℃、70℃、90℃、105℃、120℃的保温点，保温时间24小时后。对其间距3米的16个光栅点进行温度监测，其测温结果与箱内温度曲线见图1。
图1 测温性能试验数据统计曲线图
通过试验数据比较可以看出，光栅所测温度值与实际值的最大误差未超过±2℃，基本可以满足电缆实际运营的要求。
5 结束语
本公司研制的新型光栅光纤感温多芯电力电缆，通过合理的结构设计和符合现场设备的工艺调整，达到了光栅光纤零应力植入电力电缆的基本目标，同时其测温精度及使用功能均达到了设计目标。新型光栅光纤感温多芯电力电缆的应用，对电力系统的长期稳定安全运行起到一定的保障作用，为日常电力运营提供可靠的数据支持，同时降低了日常运营维护成本。
[参考文献] 邹林森 . 光纤与光缆 武汉工业大学出版社，2000.
