CN100373745C - 用于电力传输线路状态的分析的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于电力传输线路状态的实时分析的装置与方法，该线路直接地掩埋或设置于管道或隧道中。该方法包括：利用沿着线路的纵向设置的分布式温度传感器，实时测量线路的表面分布温度；基于表面分布温度和流经线路的电流，计算线路的导体温度；基于该表面分布温度和该导体温度，计算从线路射出的热流量；以及基于该热流量，实时计算该线路周围的外界环境的热参数。因此，能够通过实时计算线路周围的热环境参数，更准确地计算线路的操作状态和改善电力传输的安全性。

Description

用于电力传输线路状态的分析的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种用于电力传输线路状态的分析的装置与方法，尤其涉及一种用于电力传输线路状态的实时分析的装置与方法，其具有计算和显示所设置的电力传输线路周围环境的热阻抗和热电容的功能。

背景技术

本说明书和所附权利要求书中所用的术语“电力传输线路”定义为：包括用于从供电方(比如发电机、变电站和配电站)传输电力到使用方(比如变电站、配电站和最终用户如建筑或房屋)的电缆、接头和分支，并且在下文中简称为“线路”。

该线路对环境变化，比如线路被掩埋或被临时设置的地点周围的温度变化，会敏感地做出反应，从而这样的环境变化会极大地影响线路的传输性能和稳定性。特别是，设置于地下的线路的传输容量和性能会严重地受到热参数即热阻抗和热电容的影响。线路的电力传输会产生热量，并且该热量会使得周围土壤的湿气移动，由此增大热阻抗。由线路的工作所造成的热阻抗的增大，将该线路所能承受的电流限制在一极限水平。因此，操作该线路而未察觉到热阻抗的增大，会导致危机事故，比如热击穿或火灾。

目前，如韩国专利公开号2001-79444或美国专利号6,167,525中所公开的，已有一些防止这些危机事故的尝试。例如，在测量了线路的外表面温度之后，或测量了沿着线路纵向方向的绝缘材料的外部温度之后，电力传输电缆中的导体温度可基于测得的数值被实时计算出来，并且被通知给操作员。此外，线路所能承受的安培容量(或载流容量)可基于导体的温度计算出来。上述两种情况中计算的数值可用以防止意外事故。这里，当计算导体温度或安培容量时，常规地，土壤的热阻抗设置为国际标准所规定的固定值，比如在温带地区中为1K·m/W。

然而，热阻抗和热电容实际上会因线路周围的土壤或环境或者线路的操作条件而具有变化的数值，并且常规的技术无法处理这些外界热参数的变化。此外，虽然这些技术旨在通过实时计算导体温度，以采取预防措施防止危机事故，但是由于导体温度不是基于导体本身来计算的，而是基于线路外部的外界温度和并非由电流状态所限定的固定热参数来计算的，所以这些技术仍然不足以防止由热参数的变化所导致的危机事故。

另一方面，也可以设置直接测量周围环境，特别是土壤的热参数的传感器。然而由于线路太长，监控线路的整个长度在实际中并不可能。

发明内容

本发明在于解决现有技术的问题，因此本发明的目的之一在于提供一种用于实时计算电力传输线路的外部热参数的装置与方法。

本发明的另一目的在于提供通过利用实时计算出的外界热参数，准确计算电力传输线路的实时传输容量，从而防止危机事故的装置与方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于电力传输线路状态的分析的装置，包括：分布式温度测量单元，该单元沿着直接掩埋或设置于管道或隧道中的电力传输线路的纵向设置，用于从分布式温度传感器实时获得纵向分布温度；导体温度计算单元，用于基于由分布式温度测量单元计算的分布温度和流经电力传输线路的电流，计算电力传输线路的导体温度；以及外界热参数计算单元，用于基于由分布式温度测量单元获得的分布温度和由导体温度计算单元计算的导体温度，计算从电力传输线路射出的热流量，然后基于热流量，实时计算电力传输线路周围的外界环境的热参数。

这里优选地，外界热参数计算单元基于热流量、分布温度和电力传输线路状态周围的外界环境的温度，或者基于热流量、分布温度、电力传输线路状态周围的外界环境的温度和电力传输线路周围的外界环境的热时间常数，计算电力传输线路周围的外界环境的热阻抗。

另一方面，电力传输线路周围的环境温度可根据分布温度或利用分离的环境分布式温度传感器来计算。

换言之，分布式温度传感器优选为光纤分布式温度传感器，也优选地包括沿着电力传输线路的纵向设置的第一分布式温度传感器，和设置于地下，并平行于第一分布式温度传感器且与第一分布式温度传感器恒定地间隔地第二分布式温度传感器，其中，第一分布式温度传感器测量分布温度，第二分布式温度传感器测量电力传输线路周围的外界环境温度。

可选地，分布式温度传感器也可以是形成回路的光纤分布式传感器，该回路的一端沿着电力传输线路的纵向设置，另一端设置于地下，并平行于前述一端且与前述一端恒定地间隔，其中分布温度在回路的一端测量，电力传输线路周围的外界环境温度在回路的另一端测量。

按照本发明的另一方案，也提供一种用于分析电力传输线路状态的方法，包括步骤：第一步，利用沿着直接掩埋或设置于管道或隧道中的电力传输线路的纵向设置的分布式温度传感器，实时测量电力传输线路的表面分布温度；第二步，基于表面分布温度和流经电力传输线路的电流，计算电力传输线路的导体温度；第三步，基于表面分布温度和导体温度，计算从电力传输线路射出的热流量；以及第四步，基于热流量，实时计算电力传输线路周围的外界环境的热参数。

利用上述的线路状态分析装置和方法，通过实时计算线路周围的环境热参数，能够计算更准确的传输容量，并且防止由环境热参数变化所导致的危机事故。

附图说明

从如下的参考附图对实施例的描述中，本发明的其他目的和方案将会更为明显，在附图中：

图1示出了按照本发明的一个实施例的用于电力传输线路状态的分析的装置的示意图；

图2示出了图1的地下电力电缆的剖视图；

图3和图4是图2的地下电力电缆的热近似电路图；

图5示出了按照本发明另一实施例的用于电力传输线路状态的分析的装置的示意图；

图6示出了按照本发明又一实施例的用于电力传输线路状态的分析的装置示意图。

具体实施方式

下面参照附图，具体地描述本发明的优选实施例。然而，这里所用的术语和词汇不应当解释为限制于一般的和字面上的意义，而应理解为是基于按照本发明的精神和范围应有的意义和概念，这些精神和范围是基于这样的原则，该原则允许发明人将术语定义为方便于最佳说明的合适概念。因此，这里的描述不应当理解为限制本发明的范围，而是仅提供对于本发明优选实施例的说明。应当理解，不背离本发明的精神和范围，可对这些实施例做出其他变更和改动。

图1示出了按照本发明第一实施例的用于线路状态的分析的装置。

参照图1，该实施例的线路状态分析装置30包括：分布式温度测量单元31，通过利用分布式温度传感器32，测量设置于地下的电力传输线路20的纵向分布温度；导体温度计算单元33，用于基于分布温度和流经线路20的电流，计算线路中的导体温度；以及热参数计算单元35，用于基于导体温度和分布温度，计算线路20周围的外界环境(或土壤)的热参数；以及载流容量计算单元36，用于基于导体温度和热参数，计算该线路所能承受的安培容量(或载流容量)。

线路状态分析装置30可利用能够高速计算和临时存储的计算机来实现，并且每个部件31、33、35或36可利用计算机中的操作单元、处理单元或存储器来实现。此外，部件31、33、35和36的一部分，该部分可由后面提到的算法来表示，并且该部分可以被提供一计算机可执行的程序，该程序可存储于计算机可读的存储介质中。

此外，线路状态分析装置30还包括：显示单元37，用于向操作者显示线路20的过去状态、当前状态或将来状态(即在预定期间之后某一时间点的状态)；以及数据库38，用于存储与这样的线路状态相关的数据。

现在，具体描述本实施例的线路状态分析装置30的结构和操作，以及根据本实施例的用于分析线路状态的方法。

在本实施例中，分布式温度传感器32优选为光纤，其一端连接到分布式温度测量单元31。如图2所示，光纤32附着于线路20的表面，即外壳23的外表面。至于光纤，最优选地是直径为50μm/125μm(内核/覆层)和长度为12km或更短的多模光纤。

参照表示线路20或电力电缆的简化剖视图的图2，线路20包括：导体21，位于作为电流通道的线路的中央；绝缘层22，围绕着导体21；以及外壳23，作为电缆的保护层。当然，电力电缆实际上具有更多的元件如可拉伸的金属线，为简便起见，将它们从附图中省略。

另一方面，虽然用作分布式温度传感器32的光纤在这里表示和描述为附着于外壳23的表面，该光纤也能够被插入而与绝缘层22的外圆周接触，或者与外壳23的内圆周接触。此外，虽然在该实施例中光纤被选择作为分布式温度传感器32，但这仅为优选示例，也可以采用各种温度传感器。当该光纤被替换为另一种温度传感器时，分布式温度测量单元31的数量和具体结构可能需要随着温度传感器变化。

分布式温度测量单元31，该单元连接到光纤的一端，通过将激光射向光纤并继而检测返回光线的波长，从而在光纤32被设置的线路20的整个长度上，实时计算线路20表面的分布温度。更具体地，分布式温度测量单元31向光纤32射出激光脉冲，这些脉冲在几kHz的频率上具有几ns到几十ns的宽度，然后将反射激光中的拉曼散射光线的与温度相关的光功率数据加以平均，从而获得温度数据。该温度可对于每1米的线路20测量，其精确度为±1.5℃。

导体温度计算单元33基于由分布式温度测量单元31获得的线路20的表面的分布温度和流经线路20的电流，实时计算导体21的温度、绝缘层22的温度和外壳23的温度。此外，热参数计算单元35基于线路20的表面分布温度、从线路20射出的热流量和线路20周围的土壤10的温度，来计算热参数，比如线路20周围的土壤10的热阻抗和/或热电容。现在参照表示电力电缆的热近似电路图，具体地描述计算导体温度和热参数的过程。

图3是一电路图，近似地表示在线路20(或电力电缆)的每个元件与围绕线路20的土壤10之间的热传递，其中CI和CO分别表示线路的内部和外部。在该电路图中，节点N21、N22、N23、N24、N32和N25分别标识导体21、绝缘层22、外壳23、电缆或外壳的表面、分布式温度传感器32和一围绕线路20的受电缆产生的热量影响的土壤10的区域。此外，θ₁至θ₄、θ_e和θ_amb分别标识每个节点的温度，T₁至T₅标识节点之间的热阻抗，Q₁至Q₄标识构成各节点的材料的热电容，i₁至i₅标识流经各节点的热量。另一方面，W_c、W_d和W_s是当电流流经线路20时在线路20中产生的热源，并且分别标识导体21中产生的导体损失、绝缘层22中产生的介电损失和外壳23中产生的外壳损失。导体损失W。是基于考虑到与导体阻抗和电流的平方成正比的焦耳损失、与交流电的流动有关的趋肤效应、由相邻电缆引起的邻近效应等来确定的。外壳损失是基于考虑到外壳循环电流损失和由外壳接地的类型引起的损失来确定的。

在这些值中，Q₁至Q₄和T₁至T₄由构成电缆的各材料的性质和结构来确定，而W_c、W_d和W_s由流经导体21的电流以及各材料的性质(比如阻抗)和结构来确定。流经线路20或导体21的电流可通过借助电流测量单元34测量该电流来获得，或者通过从输电站接收关于当前电流的数据来获得。此外，θ_e由前述分布式温度测量单元31来获得。

与一般电路的分析相似，θ₁至θ_e可通过利用所得数值分析图3的热近似电路来获得。此外，流经各节点的热流量i₁至i₄以及从电缆射出的热流量i₅可利用下面的等式来获得。

等式1

$i_1=Q_1\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_1}{\mathrm{\Δt}},$ $i_2=Q_2\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_2}{\mathrm{\Δt}},$ $i_3=Q_3\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_3}{\mathrm{\Δt}},$ $i_4=Q_4\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_4}{\mathrm{\Δt}}$

i₅＝W_c+W_d+W_s-(i₁+i₂+i₃+i₄)

然后，线路周围的土壤10的热阻抗T5可利用下面的等式来获得。

等式2

$T_5=\frac{{\mathrm{\θ}}_e-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{amb}}}{i_5}$

这里，线路20的表面分布温度θ_e，即分布式温度传感器31的温度，可通过前述分布式温度测量单元31来获得，线路20周围的土壤10的温度θ_amb可利用国际标准IEC60287为电力电缆所设定的数值(例如，当线缆直接掩埋或设置于管道中时，在温带区域中为25℃，而在电缆设置于隧道中时为40℃)。

另一方面，如图4所示，除计算线路20周围的土壤10的热阻抗之外，或者不计算该热阻抗，也能够实时计算热电容。

图4的热近似电路图与图3的不同在于，线路周围的土壤的热电容Q₅增加到了图3的电路图中。在图4的热近似电路图中，线路20周围的土壤10的热电容Q₅是利用下面的等式3计算的。在等式3中，k是土壤的热时间常数，即温度函数中的一个时间参数，当线路周围的土壤温度随着线路20的加热而升高时，该时间参数随时间而增大。热时间常数k取决于土壤的地理特征。

等式3

$Q_5=\frac{i_5}{\frac{{\mathrm{d\θ}}_e}{\mathrm{dt}}+\frac{{\mathrm{\θ}}_e-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{amb}}}{k}}$

另一方面，线路周围的土壤的热阻抗T₅和热电容Q₅是相关的，如下面的等式所示。

等式5

$T_S=\frac{k}{Q_5}$

当线路20的导体温度和线路20周围的土壤10的热参数计算出来之后，载流容量计算单元36可基于这些值，计算线路20所能承受的安培容量。简言之，与常规的情况相同，载流容量也可以仅基于导体温度或仅基于计算出的热参数来计算。具体地，由过去的一段预定期间内的线路操作历史所构造的导体温度，与将来的线路安培容量之间的关系将形成一数据库，用于计算将来的预定期间的载流容量。在利用热参数时，载流容量可以相同的方式计算。

在计算将来的预定期间(优选为各种时间期间，比如2小时、4小时、8小时、12小时、24小时、48小时、100小时等等)的载流容量时，对线路20的操作进行实时管理。换言之，在实时监控导体温度和热参数时，如果导体温度或热阻抗接近或超过一个预定标准时，该装置会发出警报。

优选地，线路20的该监控、报警和管理通过如图1所示的线路状态分析装置30中设置的显示单元37来进行。此外，诸如线路20的表面分布温度、导体温度、热参数和载流容量等数据优选地累积在数据库38的每项之中。特别地，因为线路20的整个长度是按照每米进行监控的，所以该实施例的线路状态分析装置能管理大量的数据。

图5表示按照本发明另一实施例的线路状态分析装置。现在参照图5，描述该实施例的线路状态分析装置，重点描述与前述实施例不相同的特征和结构。

如图5所示，该实施例的线路状态分析装置30在分布式温度测量单元31a中包括两个分布式温度传感器32a和32b。这里，第一分布式温度传感器32a用于测量线路20的表面分布温度，这一点与前述实施例的分布式温度传感器32相同(参见图1)，而第二分布式传感器(或环境分布式温度传感器)32b以平行于第一分布式温度传感器32a，并与第一分布式温度传感器32a恒定地间隔开地设置。这样，第二分布式温度传感器32b可直接地测量线路20周围的土壤10的温度θ_amb(参见图3、4和等式2、3)，从而能够获得比前述实施例更准确的热参数。

图6表示按照本发明又一实施例的线路状态分析装置。现在参照图6，描述该实施例的线路状态分析装置，重点描述与前述实施例不相同的特征和结构。

如图6所示，该实施例的线路状态分析装置30包括形成一回路的分布式温度传感器32c，该回路连接到分布式温度测量单元31b。回路(即分布式温度传感器)32c的一端用于测量线路20的表面分布温度，这一点与前述实施例的分布式温度传感器32或32b(参见图1至图5)相同，而回路32c的另一端以平行于回路32c的一端的方式设置，并与回路32c恒定地间隔。因此，回路32c的另一端可直接地测量线路20周围的土壤10的温度θ_amb(参见图3、4和等式2、3)，从而能够获得比前述实施例更准确的热参数。

另一方面，虽然上述实施例中已表示和描述了线路20是直接掩埋在地下的，但是相同的原理和结构可应用于线路20设置于管道或隧道中的情形。

本发明已被具体地描述，然而应当理解，表示本发明优选实施例的详细描述和具体示例仅作为说明而给出，对于本领域技术人员来说，从该详细的描述中，在本发明的精神和范围以内做出变化和改型是显而易见的。

根据本发明，由于实时计算了线路周围环境的热参数，能够更准确地管理电力传输线路的操作状态，由此防止了任何可能在环境热参数的变化未能适当反映时会发生的危机事故。

由于地下电力传输线路周围的土壤的热参数可显示给线路操作员，本发明也能够同时确保线路的安全和效率。

Claims (19)

1.一种用于电力传输线路状态的分析的装置，包括：

分布式温度测量单元，该单元沿着直接掩埋或设置于管道或隧道中的电力传输线路的纵向设置，以从分布式温度传感器实时获得纵向分布温度；

导体温度计算单元，用于基于由该分布式温度测量单元获得的分布温度和流经该电力传输线路的电流，计算该电力传输线路的导体温度；以及

外界热参数计算单元，用于基于由该分布式温度测量单元获得的分布温度和由该导体温度计算单元计算出的导体温度，计算从该电力传输线路射出的热流量，然后基于该热流量，实时计算该电力传输线路周围的外界环境的热参数。

2.如权利要求1所述的用于电力传输线路状态的分析的装置，其中：

该外界热参数计算单元基于该热流量、该分布温度和该电力传输线路周围的外界环境温度，计算该电力传输线路周围的外界环境的热阻抗。

3.如权利要求1所述的用于电力传输线路状态的分析的装置，其中：

该外界热参数计算单元基于该热流量、该分布温度、该电力传输线路周围的外界环境温度和该电力传输线路周围的外界环境的热时间常数，计算该电力传输线路周围的外界环境的热电容。

4.如权利要求2或3所述的用于电力传输线路状态的分析的装置，其中：

该分布式温度传感器是光纤分布式温度传感器，并且包括沿着该电力传输线路的纵向设置的第一分布式温度传感器，和设置于地下并平行于该第一分布式温度传感器且与该第一分布式温度传感器恒定地间隔的第二分布式温度传感器，

其中，该第一分布式温度传感器测量该分布温度，该第二分布式温度传感器测量该电力传输线路周围的该外界环境的温度。

5.如权利要求2或3所述的用于电力传输线路状态的分析的装置，其中：

该分布式温度传感器是形成回路的光纤分布式温度传感器，该回路的一端沿着该电力传输线路的纵向设置，另一端设置于地下，并平行于该一端并与该一端恒定地间隔，

其中，该分布温度在该回路的该一端测量，该电力传输线路周围的该外界环境的温度在该回路的该另一端测量。

6.如权利要求1所述的用于电力传输线路状态的分析的装置，还包括载流容量计算单元，用于基于由该导体温度计算单元计算出的导体温度和由该外界热参数计算单元计算出的热参数，计算该电力传输线路在预定时间所能流过的安培容量。

7.如权利要求1所述的用于电力传输线路状态的分析的装置，还包括载流容量计算单元，用于基于由该导体温度计算单元计算出的导体温度，计算该电力传输线路在预定时间所能流过的安培容量。

8.如权利要求1所述的用于电力传输线路状态的分析的装置，还包括热参数显示单元，用于实时显示由该外界热参数计算单元计算出的热参数。

9.如权利要求1所述的用于电力传输线路状态的分析的装置，还包括导体温度显示单元，用于实时显示由该导体温度计算单元计算出的导体温度。

10.如权利要求1所述的用于电力传输线路状态的分析的装置，还包括电流测量单元，用于测量流经该电力传输线路的电流。

11.一种用于电力传输线路状态的分析的方法，包括步骤：

第一步，通过使用沿着直接掩埋或设置于管道或隧道中的电力传输线路的纵向设置的分布式温度传感器，实时测量该电力传输线路的表面分布温度；

第二步，基于该表面分布温度和流经该电力传输线路的电流，计算该电力传输线路的导体温度；

第三步，基于该表面分布温度和该导体温度，计算从该电力传输线路射出的热流量；以及

第四步，基于该热流量，实时计算该电力传输线路周围的外界环境的热参数。

12.如权利要求11所述的用于电力传输线路状态的分析的方法，其中：

在所述第四步，基于该热流量、该表面分布温度和该电力传输线路周围的外界环境的温度，计算该电力传输线路周围的外界环境的热阻抗。

13.如权利要求12所述的用于电力传输线路状态的分析的方法，其中：

在所述第四步，通过利用下面的等式来计算该热阻抗T：

$T=\frac{{\mathrm{\θ}}_e-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{amb}}}{i}$

其中是θ_e是表面分布温度，θ_amb是该电力传输线路周围的外界环境温度，i是该热流量。

14.如权利要求11所述的用于电力传输线路状态的分析的方法，其中：

其中在所述第四步，基于该热流量、该表面分布温度、该电力传输线路周围的外界环境的温度和该电力传输线路周围的外界环境的热时间常数，计算该电力传输线路周围的外界环境的热电容。

15.如权利要求14所述的用于电力传输线路状态的分析的方法，其中：

在所述第四步，通过利用下面的等式来计算该热电容Q：

$Q=\frac{i}{\frac{{\mathrm{d\θ}}_e}{\mathrm{dt}}+\frac{{\mathrm{\θ}}_e-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{amb}}}{k}}$

其中是θ_e是表面分布温度，θ_amb是该电力传输线路周围的外界环境的温度，i是该热流量，k是该热时间常数。

16.如权利要求12或14所述的用于电力传输线路状态的分析的方法，其中：

该电力传输线路周围的外界环境的温度是通过环境分布式温度传感器来测量的，该环境分布式温度传感器设置于地下，并平行于该分布式温度传感器且与该分布式温度传感器恒定地间隔。

17.如权利要求12或14所述的用于电力传输线路状态的分析的方法，其中：

该分布式温度传感器是形成回路的光纤分布式温度传感器，该回路的一端沿着该电力传输线路的纵向设置，另一端设置于地下，并平行于该一端且与该一端恒定地间隔，

其中，该表面分布温度在该回路的该一端测量，该电力传输线路周围的外界环境的温度在该回路的该另一端测量。

18.如权利要求11所述的用于电力传输线路状态的分析的方法，其中还包括基于该导体温度和该热参数来计算电流的步骤，该电流是指该电力传输线路在预定时间所能流过的电流。

19.如权利要求11所述的用于电力传输线路状态的分析的方法，其中还包括基于该导体温度计算电流的步骤，该电流是指该电力传输线路在预定时间所能流过的电流。

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