JPH06181013A

JPH06181013A - 光ファイバ複合電力ケーブル

Info

Publication number: JPH06181013A
Application number: JP4332067A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Amano; 一夫天野; Shotaro Yoshida; 昭太郎吉田; Kazuo Watanabe; 和夫渡辺
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1992-12-11
Filing date: 1992-12-11
Publication date: 1994-06-28

Abstract

(57)【要約】【目的】ラマン散乱光の強度に基づいて長手方向の温
度分布が測定可能な光ファイバを複合した光ファイバ複
合電力ケーブルにおいて、許容電流管理のための温度分
布測定のみならず、地絡事故における局部的な温度上昇
も検出可能とする。【構成】電力ケーブル遮蔽層８の一部に光ファイバ心
線７を設け、光ファイバ心線７を含む層を平面上に展開
したとき、互いに隣り合う光ファイバ心線７と、光ファ
イバ心線７に対し直角方向の２本の線分とで囲まれた長
方形ＡＢＣＤの面積が、長方形の一辺ＡＢを構成する光
ファイバ心線の長さ１０cmあたり２５〜３００ｃｍ²と
なるように絶縁体４外周に巻き付ける。これにより、小
規模な地絡事故の局部的な温度上昇（ホットスポット）
や、短時間で電流遮断されて温度上昇が少ない地絡事故
でも、事故の検出や、事故点の評定が短時間で行える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ケーブルの温度分布を
計測する光ファイバを複合した光ファイバ複合電力ケー
ブルに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、都市部における架空ケーブルは、
電力ケーブル・通信ケーブルを問わず交通や美観の点か
ら地中化が進められている。特に架空電力ケーブルはビ
ル街における消火活動の支障となることもあり、ケーブ
ル地中化への要請が強くなされている。このため、最近
の主要都市における電力ケーブルの地中化は著しく進行
している。ところが電力ケーブルを地中化すると、ケー
ブル事故が発生した場合に事故復旧に多大の時間を要す
るので、電力ケーブルを監視し異常を早期に検出して、
併設他ケーブルの損傷を防止するなどの安全対策の必要
性が高まっている。また、事故発生後のケーブル故障点
の標定を短時間で行うことも重要となっている。

【０００３】また、一般に電力ケーブルは電流容量に対
して余裕をもって、設計・敷設されることが多く、最近
の電力需要の急増に対応して、実際のケーブル運用状態
の温度を監視しながら許容温度以下で送電可能な電流を
管理することが重要となっている。以上のような背景か
ら、電力ケーブルの許容電流を管理するため、およびケ
ーブル異常点探査のために、温度分布検出機能を有する
光ファイバケーブルを電力ケーブルと複合した光ファイ
バ複合電力ケーブルが用いられるようになっている。

【０００４】この光ファイバを使用した温度分布計測に
はＯＴＤＲ（ＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎ
Ｒｅｆｒｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）法が用いられており、
その温度分布計測の原理を図６のラマン散乱の説明図を
用いて説明する。

【０００５】光ファイバに入射する光パルスの周波数を
ωｏとし、ファイバ構成物質（例えばＳｉＯ₂）のエネ
ルギー準位の基底レベルと励起レベルとの差ΔＥに相当
する光の周波数をωｆ（ωｆ＝ΔＥ／ｈ，ｈ；プランク
定数）とする。光ファイバに強い光パルスを入射する
と、入射した光子と光ファイバ構成物質との間でエネル
ギーの授受が行われ、入射光（ωｏ）と同じ周波数のレ
イリー散乱光に混じって、ラマン散乱光と呼ばれる入射
光より高い周波数（ωｏ＋ωｆ）や低い周波数（ωｏ−
ωｆ）の光が観測される。

【０００６】これは、光ファイバに入射した光子（ω
ｏ）が基底状態のファイバ構成物質に吸収され、光子が
放出されるときに物質が元の基底状態よりエネルギー準
位の高い励起状態になるときにストークス光（ωｏ−ω
ｆ）が放出され、この逆の場合に反ストークス光（ωｏ
＋ωｆ）が放出されることによる。

【０００７】このラマン散乱光の周波数偏位ωｆは、前
記のように物質固有の値で熱エネルギー準位の差ΔＥに
比例するもので、石英光ファイバでは約１３Ｔ（１
０¹²）Ｈｚである。

【０００８】このストークス光、反ストークス光の強度
は図７に示す温度依存性があり、このうち反ストークス
光の温度依存性が比較的大きい。分布型光ファイバ温度
センサは、この光ファイバ中で散乱され入射光の進行方
向とは逆方向へ伝わる後方ラマン散乱光のストークス光
と反ストークス光の強度比の時間変化を観測することに
よって、光の強度比を温度に、パルス光の入射から反射
光の受光までの時間を入射点から反射点までの距離に換
算してケーブルの長手方向の温度分布を測定するもので
ある。

【０００９】次に、温度計測システムの構成について説
明する。図５は光ファイバを用いた分布型温度計測シス
テムのブロック図である。同計測システムは、大別する
と光ファイバ心線７、測定ユニット２０、ディジタル平
均化ユニット２９、及び表示部を含むコンピュータ３０
とからなる。

【００１０】光ファイバ心線は前記の原理による温度検
知と、この温度検知情報の伝送経路としての機能をも
つ。測定ユニット２０は、光学ユニット２１と光電変換
ユニット２４とからなり、光学ユニット２１はディジタ
ル平均化ユニット２９からのトリガ信号を受けて、単色
光のパルス光源２２（例えばレーザダイオードなど）を
発光させ、分光デバイス２３を通じて光ファイバ心線７
へ入射する。また、光学ユニット２１は光ファイバ心線
７からの反射光を分光デバイス２３でストークス光と反
ストークス光に分離する。光電変換ユニット２４は、こ
の分離されたストークス光と反ストークス光をそれぞれ
受光素子２５，２６（例えばシリコン・アバランシ・フ
ォトダイオード；Ｓｉ−ＡＰＤ）で電気信号に変換後、
増幅器２７，２８で増幅してディジタル平均化ユニット
２９へ送る。

【００１１】ディジタル平均化ユニット２９は、上記の
測定を高速度で多数回（例えば１０⁹回）行い、この測
定信号をディジタル信号に変換して平均化処理によりノ
イズを除去するものである。コンピュータ３０は、測定
全体の制御を行うと共に、ディジタル平均化ユニット２
９からデータを吸い上げて、温度と距離に変換してディ
スプレイ画面に表示したりプリントアウトする。

【００１２】前記パルス光源２２から光ファイバ心線７
に入射したパルス光が、受光素子２５，２６に到達する
までの時間ｔは、ｔ＝２Ｌｏ／ｖ（ここで、Ｌｏはパルス光の入射端から後方散乱を生じ
た地点までの光ファイバ心線７の長さ、ｖは光ファイバ
中の光速度である。）と表されるので、ディジタル平均
化ユニット２９がパルス光源２２にトリガをかけてパル
ス光を発光させてから受光素子２５，２６が検出信号を
出力するまでの時間ｔを計測することにより、後方散乱
光を生じた位置を標定することができ、その結果、電力
ケーブル１の温度異常の発生位置を求めることが可能と
なる。

【００１３】以上説明した光ファイバ分布型温度計測シ
ステムは既に商品化されており本願出願人から「光ファ
イバ分布型温度センサＤＦＳ−１０００型」として販
売されている。このシステムの測定性能例を以下に示
す。温度測定精度 ±１℃ 温度測定範囲 −２０〜＋１５０℃ 測定可能距離２ｋｍ（最長１０ｋｍ）距離分解能１ｍ測定所要時間約１０秒また、図８に前記システムのラマン後方散乱の測定例
を、図９に図８の測定例のデータを温度に変換した例を
示す。

【００１４】さらに、以上のような光ファイバ分布型温
度計測システムに適応する光ファイバと電力ケーブルと
を複合した光ファイバ複合電力ケーブルが、本願出願人
より既に特許出願されている（特願昭６３−２８６６９
８及び特願昭６３−２９６１０１；「電力ケーブル及び
その温度分布測定方法」）。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、斯かる
従来技術にあっては、ケーブルの許容電流を管理する目
的の温度分布計測としては満足すべきものであったが、
ケーブル地絡事故等のケーブルの比較的短い区間で発生
し、しかもケーブル軸回りに対して非回転対称な態様で
発生する局部的温度上昇（ホットスポット）に対しては
十分な検出能力を有していないという問題点があった。
以上の点に鑑み、本発明は、地絡事故を早期にしかも確
実に検出することができるような光ファイバ複合電力ケ
ーブルを提供することを課題とするものである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の光ファイバ複合
電力ケーブルは、ケーブル中心導体を絶縁体で絶縁し、
絶縁体の外周に外部導体を含む遮蔽層を設け、遮蔽層の
外周に外被を設けてなる電力ケーブルにおいて、前記遮
蔽層の一部にその長手方向にほぼ沿って光ファイバ心線
を設け、光ファイバ心線を含む層を平面上に展開したと
き、互いに隣り合う光ファイバ心線と、光ファイバ心線
に対し直角方向の２本の線分とで囲まれた長方形の面積
が、長方形の一辺を構成する光ファイバ心線の長さ１０
cmあたり２５〜３００ｃｍ²となるように光ファイバ心
線を絶縁体外周に巻き付け、前記光ファイバ心線のラマ
ン散乱光強度に基づいて電力ケーブルの事故を検知可能
であることにより、前記課題を解決するものである。

【００１７】また、本発明は、ケーブル中心導体を絶縁
体で絶縁し、絶縁体の外周に外被を設けてなる電力ケー
ブルにおいて、前記外被の一部にその長手方向にほぼ沿
って光ファイバ心線を設け、光ファイバ心線を含む層を
平面上に展開したとき、互いに隣り合う光ファイバ心線
と、光ファイバ心線に対し直角方向の２本の線分とで囲
まれた長方形の面積が、長方形の一辺を構成する光ファ
イバ心線の長さ１０cmあたり２５〜３００ｃｍ²となる
ように光ファイバ心線を絶縁体外周に巻き付け、前記光
ファイバ心線のラマン散乱光強度に基づいて電力ケーブ
ルの事故を検知可能である。

【００１８】

【作用】本発明者は、前記問題点を解決するための手掛
かりとして、図１０に示すような電力ケーブルの地絡事
故をシミュレーションする方法を開発した（平成４年電
気学会全国大会予稿集１４４４「温度検知によるケーブ
ル故障点評定方法の開発」、天野他）。この方法は、電
力ケーブル製造過程で絶縁体に欠陥（０,１ｍｍφの導
体）を埋め込んだ試験用電力ケーブルを作成し、この試
験用電力ケーブルに高電圧を印加して、地絡事故時の電
力ケーブルの温度分布を測定するものである。この温度
分布測定により、光ファイバ心線を含む層を平面上に展
開したとき、互いに隣り合う光ファイバ心線と、光ファ
イバ心線に対し直角方向の２本の線分とで囲まれた長方
形の面積が、長方形の一辺を構成する光ファイバ心線の
長さ１０cmあたり２５〜３００ｃｍ²となるように光フ
ァイバ心線を絶縁体外周に巻き付ければ、種々の電圧階
級および種々の公称断面積に応じて精密なケーブル温度
分布測定ができることを見いだしたものである。

【００１９】本発明においては、例えば図１(ａ)のケー
ブル部分分解図に示すように電力ケーブルの遮蔽層また
は外被に光ファイバ心線設け、光ファイバ心線を含む層
を平面上に展開したとき、同図(ｂ)の展開図に示すよう
に、互いに隣り合う光ファイバ心線７と、光ファイバ心
線に対し直角方向の線分とで囲まれた長方形ＡＢＣＤの
面積が、長方形の一辺ＡＢまたはＣＤを構成する光ファ
イバ心線の長さ１０cmあたり２５〜３００ｃｍ²となる
ように光ファイバ心線を絶縁体外周に巻き付け、光ファ
イバにパルス光を入射したときの後方ラマン散乱光のス
トークス光と反ストークス光との強度比の時間変化を測
定することにより、ケーブルの短い区間のケーブル中心
軸に対して非対称な局部的温度上昇を検知して、電力ケ
ーブルの地絡事故を早期発見すると共に、ケーブル端末
部から事故発生地点までの距離の算出が可能となり、事
故発生地点の標定ができる。

【００２０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の一実施例を説
明する。図２に本発明の第一実施例による光ファイバ複
合電力ケーブルの断面図を示す。同図に示すように、光
ファイバ複合電力ケーブル１は銅素線を複数条撚り合わ
せて各分割導体を構成したケーブル中心導体２の外周に
内部半導電層３、架橋ポリエチレン絶縁層（絶縁体）
４、外部半導電層５が順次設けられ、通常内部半導電層
３、ポリエチレン絶縁層４及び外部半導電層５は同時押
出法により成形され、内部半導電層３とポリエチレン絶
縁層４との間、並びに架橋ポリエチレン絶縁層４と外部
半導電層５との間は一体化されている。

【００２１】そして、外部半導電層５の外周には多数本
の銅素線により遮蔽層８が設けられ、その上にプラスチ
ック、金属等からなるケーブルシース（外被）９が被覆
されている。

【００２２】また、遮蔽層８の一部にはその長手方向に
沿って光ファイバ心線７が周方向に４本設けられてお
り、この光ファイバ心線７は図３に示すように光ファイ
バ素線７ａを銅、アルミニウム、ステンレス等の金属層
７ｃで被覆し、金属層７ｃと光ファイバ素線７ａとの間
隙に、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等のセラミックパウダーま
たはタルクパウダー等の粉末潤滑剤７ｂを封入する。

【００２３】尚、本第一実施例では、光ファイバ心線７
を絶縁層４の外周に４本設けたが、これに限らず少なく
とも１本以上設けたものであってよい。また、光ファイ
バ心線を金属層７ｃで被覆する場合、金属層７ｃ内の光
ファイバ心線の本数は１本に限られず、２本以上設けて
もよいものである。

【００２４】図１(ａ)は上記第一実施例の光ファイバ複
合電力ケーブル１のケーブルシース９を除去し、遮蔽層
８の形状を示す部分分解図である。また、同図(ｂ)は遮
蔽層８を平面上に展開した図である。遮蔽層８の一部で
ある光ファイバ心線７の巻込みの密度は、本実施例で
は、ＡＢで示される光ファイバ心線７の長さ１０ｃｍあ
たりの遮蔽層上の長方形ＡＢＣＤの面積が７２ｃｍ²と
しているが、これに限定されるものではなく、ＡＢで示
される光ファイバ心線７の長さ１０ｃｍあたりの遮蔽層
上の長方形ＡＢＣＤの面積が２５〜３００ｃｍ²の範囲
のいずれの値であっても本発明の効果を奏し得るもので
ある。

【００２５】以上のようにして電力ケーブルに複合され
た光ファイバにより、従来技術で述べた図５の分布型温
度計測システムに接続して、光ファイバにパルス光を入
射させラマン散乱光の強度の時間変化を測定することに
より、ケーブル長手方向における連続的な温度分布を測
定することができ、ケーブル地絡事故における温度上昇
を検出できる。

【００２６】次に、図４に本発明の第二実施例による光
ファイバ複合電力ケーブル１Ａの断面図を示し、前記第
一実施例と同一部分には同一の符号を付して説明する。
本第二実施例では図２に示す電力ケーブル１の絶縁層４
の外周に図３に示す光ファイバ心線７を設けて、この光
ファイバ心線７を絶縁層４の外周に巻き付け、その外周
に外被９を設けて光ファイバ複合電力ケーブル１Ａを構
成したものである。この光ファイバ心線７の巻き付け
は、光ファイバ心線を含む層を平面上に展開したとき、
互いに隣り合う光ファイバ心線と、光ファイバ心線に対
し直角方向の２本の線分とで囲まれた長方形の面積が、
長方形の一辺を構成する光ファイバ心線の長さ１０cmあ
たり２５〜３００ｃｍ²の間で任意の値でよい。この光
ファイバ複合電力ケーブル１Ａも第一の実施例と同様に
図５の分布型温度計測システムに接続して、ケーブル長
手方向における連続的な温度分布を測定することがで
き、ケーブル地絡事故における温度上昇を検出できる。
以上、好ましい実施例を説明したが、これは発明の範囲
を限定するものではない。発明の範囲は前記請求の範囲
によってのみ限定されるべきである。以上の説明から発
明の精神、範囲に含まれる多くの変更が当業者には明ら
かであろう。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明において
は、光ファイバ複合電力ケーブルの光ファイバ心線を、
光ファイバ心線を含む層を平面上に展開したとき、互い
に隣り合う光ファイバ心線と、光ファイバ心線に対し直
角方向の２本の線分とで囲まれた長方形の面積が、長方
形の一辺を構成する光ファイバ心線の長さ１０cmあたり
２５〜３００ｃｍ²となるように遮蔽層または絶縁層の
外周に巻き付けることにより、光ファイバにパルス光を
入射したときの後方ラマン散乱光のストークス光と反ス
トークス光との強度比の時間変化を測定して、ケーブル
の短い区間のケーブル中心軸に対して非対称な局部的温
度上昇を検知し、電力ケーブルの地絡事故を早期に発見
することができると共に、ケーブル端末部から事故発生
地点までの距離の算出が可能となり、事故発生地点の標
定ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例の光ファイバ複合電力ケー
ブルの部分分解図(ａ)及び遮蔽層の展開図(ｂ)である。

【図２】本発明の第一実施例の光ファイバ複合電力ケー
ブルの断面図である。

【図３】光ファイバ心線の拡大断面図である。

【図４】本発明の第二実施例の光ファイバ複合電力ケー
ブルの断面図である。

【図５】分布型温度計測システムのブロック図である。

【図６】ラマン散乱原理の説明図である。

【図７】ラマン散乱光強度の温度依存性を示す図であ
る。

【図８】ラマン散乱光強度の測定例である。

【図９】ラマン散乱光強度の測定による温度測定例であ
る。

【図１０】ケーブル地絡擬似障害試験法の概要を示す図
である。

【符号の説明】１光ファイバ複合電力ケーブル（第一の実施例）１Ａ光ファイバ複合電力ケーブル（第二の実施例）２ケーブル中心導体３内部半導電層４架橋ポリエチレン絶縁層５外部半導電層７光ファイバ心線７ａ光ファイバ素線７ｂ粉末潤滑剤７ｃ金属層８遮蔽層９ケーブルシース（外被）２０測定ユニット２１光学ユニット２２パルス光源２３分光デバイス２４光電変換ユニット２５，２６受光素子２７，２８Ａｍｐ（増幅器）２９ディジタル平均化ユニット３０コンピュータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ケーブル中心導体を絶縁体で絶縁し、絶
縁体の外周に外部導体を含む遮蔽層を設け、遮蔽層の外
周に外被を設けてなる電力ケーブルにおいて、前記遮蔽
層の一部にその長手方向にほぼ沿って光ファイバ心線を
設け、光ファイバ心線を含む層を平面上に展開したと
き、互いに隣り合う光ファイバ心線と、光ファイバ心線
に対し直角方向の２本の線分とで囲まれた長方形の面積
が、長方形の一辺を構成する光ファイバ心線の長さ１０
cmあたり２５〜３００ｃｍ²となるように光ファイバ心
線を絶縁体外周に巻き付け、前記光ファイバ心線のラマ
ン散乱光強度に基づいて電力ケーブルの事故を検知可能
であることを特徴とする光ファイバ複合電力ケーブル。
【請求項２】ケーブル中心導体を絶縁体で絶縁し、該
絶縁体の外周に外被を設けてなる電力ケーブルにおい
て、前記外被の一部にその長手方向にほぼ沿って光ファ
イバ心線を設け、光ファイバ心線を含む層を平面上に展
開したとき、互いに隣り合う光ファイバ心線と、光ファ
イバ心線に対し直角方向の２本の線分とで囲まれた長方
形の面積が、長方形の一辺を構成する光ファイバ心線の
長さ１０cmあたり２５〜３００ｃｍ²となるように光フ
ァイバ心線を絶縁体外周に巻き付け、前記光ファイバ心
線のラマン散乱光強度に基づいて電力ケーブルの事故を
検知可能であることを特徴とする光ファイバ複合電力ケ
ーブル。