JPH06148001A - 光ファイバ複合電力ケーブル - Google Patents

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の一部に設けた光ファイ
バ心線を、遮蔽層または絶縁体外径の２.５〜２０倍の
ピッチで絶縁体外周に巻き付ける。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、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（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ
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 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、
該絶縁体の外周に外部導体を含む遮蔽層を設け、該遮蔽
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沿って光ファイバ心線
を設け、該光ファイバ心線を前記遮蔽層外径の２.５〜
２０倍のピッチで前記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、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沿っ
て光ファイバ心線を設け、該光ファイバ心線を前記絶縁
体外径の２.５〜２０倍のピッチで前記絶縁体外周に巻
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、光ファイバ心線を遮蔽層または絶縁体
外径の２.５〜２０倍のピッチで絶縁体外周に巻き付け
れば、種種の電圧階級および種種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、電力ケーブルの遮蔽層
または外被に設けた光ファイバ心線を、遮蔽層または絶
縁体外径の２.５〜２０倍のピッチで絶縁体外周に巻き
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
の銅素線の螺旋巻きにより遮蔽層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
とも一本以上設けたものであってよい。

【００２４】図１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
螺旋巻きの形状を示す部分分解図である。遮蔽層８の一
部である光ファイバ心線７の螺旋巻きのピッチは、本実
施例では遮蔽層８の外径の８倍としているが、これに限
定されるものではない。

【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の外周に螺旋巻に巻き付け、
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
き付けピッチは絶縁層４の外径の２.５〜２０倍の間で
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、
遮蔽層外径または絶縁層外径の２.５〜２０倍のピッチ
で遮蔽層または絶縁層の外周に螺旋巻に巻き付けること
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】図１は、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である。

【図２】図２は、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】図３は、光ファイバ心線の拡大断面図である。

【図４】図４は、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】図５は、分布型温度計測システムのブロック図
である。

【図６】図６は、ラマン散乱原理の説明図である。

【図７】図７は、ラマン散乱光強度の温度依存性を示す
図である。

【図８】図８は、ラマン散乱光強度の測定例である。

【図９】図９は、ラマン散乱光強度の測定による温度測
定例である。

【図１０】図１０は、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 ２７，２８ Ａｍｐ（増幅器） ２９ ディジタル平均化ユニット ３０ コンピュータ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケーブル中心導体を絶縁体で絶縁し、該
   絶縁体の外周に外部導体を含む遮蔽層を設け、該遮蔽層
   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沿って光ファイバ心線を
   設け、該光ファイバ心線を前記遮蔽層外径の２.５〜２
   ０倍のピッチで前記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。
2. 【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沿って光ファイバ
   心線を設け、該光ファイバ心線を前記絶縁体外径の２.
   ５〜２０倍のピッチで前記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。