CN217468064U - 一种电气化铁路用电力电缆 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电气化铁路用电力电缆，包括光纤温度传感器、异型紧密导体、绝缘层、铜屏蔽层、隔离层、第一铠装层、光纤温度振动传感器和外护套，所述光纤温度传感器、异型紧密导体、导体屏蔽层、聚丙烯绝缘层、绝缘屏蔽层、半导电带绕包层、铜屏蔽层、隔离层、第一铠装层和外护套由内至外依次设置，所述光纤温度振动传感器设置在第一铠装层中。具有导体温度监测、电缆振动监测、电缆外层温度监测功能，通过导体内置光纤温度传感器和铠装层光纤传感器，对温度进行对比分析，对比分析升温时间及升温速率，确定电缆发热位置。

Description

一种电气化铁路用电力电缆

技术领域

本实用新型属于电缆技术领域，具体涉及一种电气化铁路用电力电缆。

背景技术

近年来，我国高速铁路迅速发展，在2008年完成四横四纵高铁线路后，在2015年国家启动了《中长期铁路网规划》。规划指出，期限为2016年至2025年，远期展望到2030年，完成八横八纵的铁路网建设。高速铁路需要经过一些复杂环境，例如：隧道、高原等。今后随着铁路网的建设，遇到一些大长度隧道、高原等复杂工况下，供电***的安全可靠尤为重要。同时随着高铁的不断提速，高速铁路对电能的需求不断加大，如果只通过增加交联聚乙烯绝缘电力电缆的导体截面来满足电能需求，这会增加铁路的建设经费，同时造成不必要的成本和能耗浪费。为了提高电气化铁路27.5kV电力电缆的安全可靠性，实现线路温度异常和振动等预警，需要一种能够实时监测电缆温度、线路振动和异常预警的聚丙烯绝缘智能电力电缆。

公开号CN 111430064 A的专利，涉及一种铁路用单相交流智能监控电缆及其生产工艺，公开了一种铁路用单相交流智能监控电缆，包括由内至外依次设置的导体、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、内护套、低烟无卤阻燃包带、金属丝铠装层、阻燃玻璃纤维带和护套；其中，所述内护套为双层结构，包括依次设置在绝缘屏蔽层外的弹性半导电层和中密度聚乙烯层，以及嵌入在半导电层和中密度聚乙烯之间的金属屏蔽层；还包括检测光纤，所述检测光纤包括设置在导体中心的第一检测光纤。其通过在导体中心布设检测光纤，检测导体温度，评估电缆的使用寿命，实现温度的精准检测。

其存在如下缺陷：

该电缆绝缘为交联聚乙烯，最高运行温度为90℃，在此状态下测温无法发挥电缆的载流能力。该电缆只描述对导体温度进行测量，但该测试不能反映温度是由于载流量的升高导致温度升高，还是电缆绝缘劣化导致发热。同时该专利在金属屏蔽层放置光纤，但未明确光纤结构，由于该位置在生产时盘具较小，不利于电缆的连续生产，同时可能会产生接续现象。同时该位置接近于电缆的主要发热位置——中心导体，无法及时反映电缆内部和外部状态，不确定是外面温度高，还是里面温度高。

其测温光缆与铜线导体采用圆形单丝紧压结构绞合在一起形成绞合导体，铜线导体包裹着测温光缆；这种圆形紧压导体结构由于将测温光缆替代了原有中心铜线，破坏了原有紧压结构的稳定结构，在导体的生产过程中可能会发生结构变形导致测温光缆受压导致光纤衰减曲线出现阶梯，这影响光纤测温的准确度。尤其是在电缆线路与附件的连接过程中，需要采用液压钳将接线端子压接在导体上，而液压模具为六边形结构，同时液压钳的压接压力至少为10吨，这两种不利条件叠加在一起会严重破坏了中空圆形导体的稳定性，使测温光缆受到损伤，情况严重时会导致测温光缆不能正常使用，需要更换电缆线路或增加电缆接头进行维修，而电缆接头是电缆线路故障发生率最高的位置，增大了电缆线路的安全隐患。

公开号为CN 111477398 A的专利，涉及智能感知光电复合电缆，公开了一种智能感知光电复合电缆，在缆芯外设置有导体屏蔽层、绝缘层和绝缘屏蔽层，屏蔽结构中金属丝屏蔽层的金属丝之间至少插排有一通信光纤；在屏蔽结构上设置有隔离套，在隔离套的外周设置有钢丝铠装层，钢丝铠装层的钢丝之间至少插排有一测温光纤；测温光纤包括有测温纤芯、测温包层和导热层，在导热层与金属外管之间填充有导热填充膏。该电缆能实现电缆电力负荷运行情况的实时智能监测，保证供电、通信和在线监测的同步，具有结构合理，使用可靠。

其存在如下缺陷：

该方案在常规电缆结构中在金属屏蔽层放置通信光缆，在钢丝铠装层中放置测温光纤增加了电缆的成本和生产难度。测温光缆布置在铠装层，测温位置离电缆导体距离较远，受外界影响较大。而电缆的主要技术参数均为导体运行温度，在后续的数据处理中模型参数复杂，准确度不高。

发明内容

本实用新型提供了一种电气化铁路用电力电缆，通过导体内置光纤温度传感器实时监测导体温度，通过铠装层内置光纤温度振动传感器监测线路振动和护层温度，提高电力电缆的可靠性。

为达到上述目的，本实用新型所述一种电气化铁路用电力电缆，包括光纤温度传感器、异型紧密导体、绝缘层、铜屏蔽层、隔离层、第一铠装层、光纤温度振动传感器和外护套，光纤温度传感器、异型紧密导体、导体屏蔽层、聚丙烯绝缘层、绝缘屏蔽层、半导电带绕包层、铜屏蔽层、隔离层、第一铠装层和外护套由内至外依次设置，光纤温度振动传感器设置在第一铠装层中。

进一步的，光纤温度传感器和异型紧密导体绞合。

进一步的，异型紧密导体包括自内向外依次设置的多层环形结构，每一层环形结构由铜单线绞合得到。

进一步的，绝缘层包括自内向外依次设置的导体屏蔽层、聚丙烯绝缘层和绝缘屏蔽层。

进一步的，绝缘屏蔽层外绕包有半导电带绕包层。

进一步的，光纤温度传感器包括第一温度传感单元、第一芳纶加强件、第一保护管、第二铠装层、第一芳纶加强层和第一金属编织层，第一保护管、第二铠装层、第一芳纶加强层和第一金属编织层自内向外依次设置，第一温度传感单元与第一芳纶加强件均设置于第一保护管内。

进一步的，第一保护管为PTFE材质。

进一步的，第一温度传感单元包括由两根62.5/125μm的多模特种光纤组成。

进一步的，光纤温度振动传感器包括振动传感单元、第二温度传感单元、第二芳纶加强件、第二保护管、第三铠装层、第二芳纶加强层和第二金属编织层，第二保护管、第三铠装层、第二芳纶加强层和第二金属编织层自内向外依次设置，振动传感单元、第二温度传感单元和第二芳纶加强件设置在第二保护管内。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益的技术效果：

本实用新型提供一种电气化铁路用电力电缆，在电缆中心位置设置光纤温度传感器，在靠近电缆外侧的第一铠装层设置光纤温度振动传感器，具有导体温度监测、电缆振动监测、电缆外层温度监测功能，通过导体内置光纤温度传感器和铠装层光纤传感器，对温度进行对比分析，对比分析升温时间及升温速率，确定电缆发热位置。

进一步的，电缆配合后级测控***可实现外护套破损导致的电缆进水监测、屏蔽层与铠装层接地等故障监测功能，电缆进水监测的工作原理为：当外护套破损后水渗入电缆内，电缆进水后水会先渗入分布有光纤温度振动传感器的第一铠装层，进水时进水位置的光纤温度振动传感器中的光纤温度下降，从进水点向两侧温度逐渐下降；故障监测原理为：该故障会导致该点温度升高，第一铠装层测温光纤可识别温度高点，通过振动光纤联合识别外界冲击导致的接地故障。还可实现对电缆线路温度的感知，发现异常温度和发生位置，可有效提高电缆的载流量，提高电缆的利用率和使用价值。同时温度和振动的双监测可以有效预防电缆故障的发生，做到提前感知和定位，提高电缆线路的可靠度，保证电力***安全运行。

进一步的，光纤温度振动传感器中的振动用单模光纤可实现对监测数据进行传输，此功能也可通过额外添加光纤进行专用实现数据传输功能。

进一步的，导体中心为光纤温度传感器所在空间为中空圆形，型紧密导体可增加导体中空内圆的稳定性，为光纤温度传感器提供稳定圆形空间结构，避免光纤在电缆附件连接时受损，避免光纤温度传感器受到导体挤压，确保导体结构的稳定性，保证光纤传感的准确度。

进一步的，异型紧密导体包括自内向外依次设置的多层环形结构，每一层环形结构由铜单线绞合得到，环形结构之间具有支撑作用，结构更加稳定。

进一步的，绝缘材料为聚丙烯，相比于交联聚乙烯绝缘材料，其导体运行温度可由90℃提高至105℃，增加了电缆的载流量。相比于交联聚乙烯，聚丙烯材料具有抗水树的功能，可提高隧道、高原等复杂工况下电缆的安全可靠性。

进一步的，绝缘屏蔽层外由一层半导电带绕包而成，可防止电缆在生产和运行过程的高温条件下，铜丝铜带屏蔽的铜丝对绝缘屏蔽层造成损伤，提高电缆线路的安全性。

进一步的，光纤传感器的加强结构采用柔性铠装钢管、芳纶加强层和金属编织结构，能够有效保护光纤传感器结构和内部光纤。

第一保护管和第二保护管均为PTFE材质，该材料的长期使用温度可达200～260℃，在零下100℃时仍柔软，还拥有塑料中最佳的老化寿命和最小的摩擦系数，可有效保护光纤传感器的光纤。

附图说明

图1为本实用新型提供的电气化铁路用电力电缆的结构示意图；

图2为本实用新型提供的电气化铁路用电力电缆光纤温度传感器的结构示意图；

图3为本实用新型提供的电气化铁路用电力电缆光纤温度振动传感器的结构示意图；

图4为本实用新型提供的电气化铁路用电力电缆的监测***示意图。

附图中：1、光纤温度传感器，2、异型紧密导体，3、导体屏蔽层，4、聚丙烯绝缘层，5、绝缘屏蔽层，6、半导电带绕包层，7、铜屏蔽层，8、隔离层，9、第一铠装层，10、光纤温度振动传感器，11、外护套，21、第一温度传感单元，22、第一芳纶加强件，23、第一保护管，24、第二铠装层，25、第一芳纶加强层，26、第一金属编织层，31、振动传感单元，32、第二温度传感单元，33、第二芳纶加强件，34、第二保护管，35、第三铠装层，36、第二芳纶加强层，37第二编织层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的另一个元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中另一个元件。本文所使用的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

参照图1，一种电气化铁路用电力电缆，为电气化铁路用27.5kV单芯电力电缆，包括光纤温度传感器1、异型紧密导体2、导体屏蔽层3、聚丙烯绝缘层4、绝缘屏蔽层5、半导电带绕包层6、铜屏蔽层7、隔离层8、第一铠装层9、光纤温度振动传感器10和外护套11。光纤温度传感器1、异型紧密导体2、导体屏蔽层3、聚丙烯绝缘层4、绝缘屏蔽层5、半导电带绕包层6、铜屏蔽层7、隔离层8、第一铠装层9和外护套11由内至外依次设置，第一铠装层9为铝丝铠装层，光纤温度振动传感器10设置在第一铠装层9中。

参照图2，光纤温度传感器1由第一温度传感单元21、第一芳纶加强件22、第一保护管23、第二铠装层24、第一芳纶加强层25和第一金属编织层26组成，第一保护管23第二铠装层24、第一芳纶加强层25和第一金属编织层26自内向外依次设置，两个第一温度传感单元21与第一芳纶加强件22均设置于第一保护管23内。第二铠装层24为螺旋钢管铠装层，光纤温度传感器结构可根据使用场景和具体需求进行调整。

其中，第一温度传感单元21由两根62.5/125μm的多模特种光纤组成，可选择型号为G651的多模特种光纤，该光纤的长期工作温度为150℃，短时工作温度为250℃，可满足电缆在交联生产和使用过程中温度对光纤衰减性能的影响，确保测温准确度。同时，第一保护管23和第二保护管34均为PTFE材质，该材料的长期使用温度可达200～260℃，熔融温度为327～342℃。其在零下100℃时仍柔软，它还拥有塑料中最佳的老化寿命和最小的摩擦系数，可有效保护光纤温度传感器的光纤。

光纤温度传感器1和异型紧密导体2在框绞机绞合形成内置光纤温度传感器/紧密导体，通过框绞机进行导体绞合实现内置于异型紧密绞合导体中心，导体中心为光纤温度传感器1所在空间为中空圆形，异型紧密导体可增加导体中空内圆的稳定性，为光纤温度传感器提供稳定圆形空间结构，避免光纤在电缆附件连接时受损，避免光纤温度传感器受到导体挤压，确保导体结构的稳定性，保证光纤传感的准确度。异型紧密导体2包括自内向外依次设置的多层结构，每一层由不同根数的铜单线绞合成圆环形，每层绞合完成之后，将下一层绞合在上一层(内层)外侧，由内至外每层的单线根数增加；相互之间具有支撑作用，在外层单线压力下，结构更稳定。铜单线为瓦型结构。

绝缘线芯由内置光纤温度传感器紧密导体、绝缘层和铜屏蔽层7组成；其中，绝缘层为三层共挤一次完成，包括导体屏蔽层3、聚丙烯绝缘层4和绝缘屏蔽层5，绝缘屏蔽层5外由一层半导电带绕包而成，可防止电缆在生产和运行过程的高温条件下，铜丝铜带屏蔽的铜丝对绝缘屏蔽层造成损伤，提高电缆线路的安全性。半导电带绕包层6由一层半导电带绕包而成，铜屏蔽层7为铜丝铜带屏蔽层，其铜丝屏蔽由疏绕的软铜线组成，其表面由反向绕包的铜带绕包扎紧，同时其外侧由包带缠绕包裹。

光纤温度振动传感器10设置在第一铠装层9的铝丝之间，其放置方式可选择一根或几根光纤传感器与铝丝进行绞合，二者共同组成完整的铠装层。光纤温度振动传感器10放置在第一铠装层9，可实时监测电缆线路状态，在电缆受到外界机械损伤时由振动光纤对振动强度进行辨别，并发送至数据处理模块即服务器，由其根据光纤识别到的外力强度以及可能造成的损伤可及时报警，如外界机械损伤和山体落石砸伤；同时该位置的光纤温度传感器可监测电缆外护套状态下电缆线路进水状态(电缆进水后，进水位置光纤温度下降，从进水点向两侧温度逐渐下降)和屏蔽层与铠装层接地等故障(该故障会导致该点温度升高，铠装层测温光纤可识别温度高点，通过振动光纤联合识别外界冲击导致的接地故障)。同时放置在该位置可有效保护光纤振动传感器避免受到损伤。

参照图3，光纤温度振动传感器10的典型结构由振动传感单元31、第二温度传感单元32、第二芳纶加强件33、第二保护管34、第三铠装层35、第二芳纶加强层36和第二金属编织层37组成，第二保护管34、第三铠装层35、第二芳纶加强层36和第二金属编织层37自内向外依次设置，振动传感单元31、第二温度传感单元32和第二芳纶加强件33设置在第二保护管34内，第二芳纶加强件33位于整个光纤温度振动传感器10的中心位置。第三铠装层35为螺旋钢管铠装层。光纤温度振动传感器10的结构可根据使用场景和具体需求进行调整。

振动传感单元31由两根62.5/125μm的多模特种光纤，第二温度振动传感单元32由两根9/125μm的单模特种光纤组成，该光纤传感器的长期工作温度为150℃，短时工作温度为250℃，可满足电缆在生产和使用过程中温度对光纤衰减性能的影响，确保测温准确度。同时，第一保护管23和第二保护管34为PTFE材质，该材料的长期使用温度可达200～260℃，熔融温度为327～342℃。其在零下100℃时仍柔软，它还拥有塑料中最佳的老化寿命和最小的摩擦系数，可有效保护光纤温度传感器的光纤。

本实用新型提供的电缆具有导体温度监测、电缆振动监测、电缆外层温度监测和数据传输功能，可实现外护套破损导致的电缆进水、屏蔽层与铠装层接地等故障监测功能，能有效提高电缆的载流量，提高电缆的利用率和使用价值。同时温度和振动的双监测可以有效预防电缆故障的发生，做到提前感知和定位功能，提高电缆线路的可靠度，保证高铁运行所需电力***安全稳定运行。

实施例2

参照图4，一种电气化铁路用电力电缆的监测***包含电流传感器、电流监测单元、温度监测单元、振动监测单元、数据处理***及服务器、显示***和远程监控。

电流传感器串联在电缆和电流监测单元之间，光纤温度传感器1和温度监测单元的输入端连接，光纤温度振动传感器10和振动监测单元的输入端连接，电流监测单元、温度监测单元和振动监测单元的输出端均与数据处理模块及服务器连接，数据处理模块是输出端与显示单元和远程监控单元连接。

电流监测单元通过电流传感器实时监测电缆的运行电流，采集运行电流数据传送给数据处理模块；

温度监测单元对导体内置光纤温度传感器1和铠装层的光纤温度传感器采集数据进行解调分析，获得导体运行温度，将温度数据传给数据处理模块；

振动监测单元对铠装层光纤振动传感器10采集数据进行解调分析，获得电缆振动情况，将振动数据传给数据处理模块；

数据处理模块用于将运行电流、导体温度、铠装层温度、电缆振动数据进行汇集和分析，将数据传输至服务器；

显示单元用于显示电缆运行状态、线路信息及预警情况等；

服务器用于根据***内预设条件和采集数据，对电缆状态线路信息等进行分析处理，分析电缆运行状态；

远程监控单元连接数据处理模块和服务器，将处理后的电缆状态、信息等进行调取，可在互联网终端进行显示。

监测***中利用拉曼散射效应和光时域反射技术同时实现温度监测和空间定位功能，导体内置测温光纤传感器可实现对电缆线路导体温度的感知，发现异常温度和异常温度所在位置，预防电缆线路发生温度升高导致的故障，同时由导体内置光纤温度传感器获取导体温度与电流传感器获得电缆载流量，进而获得导体温度与电流传感器的关系，在导体温度105℃的设计阈值下可提高电缆的载流量，为高铁提速等情况下提供电缆真实状态作为参考。而铝丝铠装层的光纤温度振动传感器中的第二温度传感单元可实现电缆铠装层温度的测量，该温度既可反映电缆外层的温度，同时可在电缆受到外力等作用下发生护层破损等情况下，铠装层与屏蔽层发生多点接地导致的涡流发热和外护层破损下电缆进水等的监测。

铝丝铠装层的光纤温度振动传感器中的第一振动传感单元利用光纤的瑞利散射效应和光时域反射技术同时实现振动事件的感知和空间定位功能。温度和振动的双监测可以有效预防电缆故障的发生，当电流不变时，温度、振动发生突变时，会预警；电流变化与温度变化不同步时，同步预警；***参数的突变预示电缆线路存在问题，而这种问题不会立即导致电缆***发生故障。因此能做到提前感知和定位，提高电缆线路的可靠度，保证高铁***安全运行。

监测***中光纤温度振动传感器利用光纤的瑞利散射效应和光时域反射技术同时实现振动事件的感知和空间定位功能，可实现对电缆线路振动的感知，与温度监测单元联合测量，可提前预防电缆线路发生外界损伤所导致的故障，提高电缆线路安全运行的可靠性。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的实用新型主题的一部分。

Claims (9)

1.一种电气化铁路用电力电缆，其特征在于，包括光纤温度传感器(1)、异型紧密导体(2)、绝缘层、铜屏蔽层(7)、隔离层(8)、第一铠装层(9)、光纤温度振动传感器(10)和外护套(11)，所述光纤温度传感器(1)、异型紧密导体(2)、导体屏蔽层(3)、聚丙烯绝缘层(4)、绝缘屏蔽层(5)、半导电带绕包层(6)、铜屏蔽层(7)、隔离层(8)、第一铠装层(9)和外护套(11)由内至外依次设置，所述光纤温度振动传感器(10)设置在第一铠装层(9)中。

2.根据权利要求1所述的一种电气化铁路用电力电缆，其特征在于，所述光纤温度传感器(1)和异型紧密导体(2)绞合。

3.根据权利要求1所述的一种电气化铁路用电力电缆，其特征在于，所述异型紧密导体(2)包括自内向外依次设置的多层环形结构，每一层环形结构由铜单线绞合得到。

4.根据权利要求1所述的一种电气化铁路用电力电缆，其特征在于，所述绝缘层包括自内向外依次设置的导体屏蔽层(3)、聚丙烯绝缘层(4)和绝缘屏蔽层(5)。

5.根据权利要求4所述的一种电气化铁路用电力电缆，其特征在于，所述绝缘屏蔽层(5)外绕包有半导电带绕包层(6)。

6.根据权利要求1所述的一种电气化铁路用电力电缆，其特征在于，所述光纤温度传感器(1)包括第一温度传感单元(21)、第一芳纶加强件(22)、第一保护管(23)、第二铠装层(24)、第一芳纶加强层(25)和第一金属编织层(26)，所述第一保护管(23)、第二铠装层(24)、第一芳纶加强层(25)和第一金属编织层(26)自内向外依次设置，第一温度传感单元(21)与第一芳纶加强件(22)均设置于第一保护管(23)内。

7.根据权利要求6所述的一种电气化铁路用电力电缆，其特征在于，所述第一保护管(23)为PTFE材质。

8.根据权利要求6所述的一种电气化铁路用电力电缆，其特征在于，所述第一温度传感单元(21)包括由两根62.5/125μm的多模特种光纤组成。

9.根据权利要求1所述的一种电气化铁路用电力电缆，其特征在于，所述光纤温度振动传感器(10)包括振动传感单元(31)、第二温度传感单元(32)、第二芳纶加强件(33)、第二保护管(34)、第三铠装层(35)、第二芳纶加强层(36)和第二金属编织层(37)，所述第二保护管(34)、第三铠装层(35)、第二芳纶加强层(36)和第二金属编织层(37)自内向外依次设置，所述振动传感单元(31)、第二温度传感单元(32)和第二芳纶加强件(33)设置在第二保护管(34)内。

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