CN102507042A - 智能电网电力电缆嵌入光纤传感器的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种智能电网电力电缆嵌入光纤传感器的方法及装置。它将分布式的光纤传感探头借助辅助夹具、光纤、阻水油膏、金属套管、铠装层、外护套层构建的光纤传感器，根据智能电网电力电缆导电线芯的数量和外护套监测位置的需要，在电力电缆生产过程中嵌入到电力电缆导电线芯和外护套，组成智能电网电力电缆。智能电网电力电缆导电线芯和外护套嵌入的光纤传感探头，实时监测导电线芯和外护套的运行温度，实时定位电缆破坏点，减少事故的发生率，提高电缆载流量，为电力电缆的安全运营提供保障。本装置体积小，结构简单，本质绝缘，不需接外电源。
Description
技术领域：
本发明属于光纤传感技术应用领域，涉及一种智能电网电力电缆嵌入光纤传感器的方法及装置。
背景技术：
电力工业属于国民经济发展的基础行业，在经济建设中有着举足轻重的地位。随着经济的迅猛发展，各个国家对电力的需求都在日益增加，导致电力系统中额定电压和额定电流等级逐年提高。由于电力电缆应用成本的下降，以及电力电缆自身所具有的供电可靠性高、不受地面、空间建筑物的影响、不受恶劣气候侵害、安全隐蔽耐用等特点，电力电缆供电正在成为各国输配电网发展的主流模式，特别在城市、发电厂与变电站进出线走廊拥挤地区、大江河湖泊或海峡地区，不能采用架空线路时，需要采用电力电缆输电，而且电力电缆输电又在朝着大长度、大截面方式转变。
与架空输电线路相比，电力电缆线路大多采用直埋式、构架式及水下敷设等方式，因沿途的敷设环境、热阻、临近热源等散热条件差异，往往会导致电力电缆出现局部过热点而形成载流量瓶颈效应，为后期电缆的运行和维护工作，特别是故障测距与定位带来了较大的难度，尤其是线路故障不可观测性等特点决定了电力电缆线路要求有更精确的故障监测方法；另一方面，电力电缆作为整个电力系统的重要组成部分，一旦发生故障将直接影响着整个电力系统的安全运行，并且如故障发现不及时，则可能导致火灾、大规模停电等较大的事故后果，因此如何快速、准确地查找电力电缆故障，减少故障修复费用及停电损失，成为电力工程领域与研究界日益关注的问题。近年来不少研究者提出了电力电缆在线检测方法：
(1)热电偶、半导体温度传感器、电子式温度计测温法：由于每个监测点都需要供电、接线，布线复杂且电磁干扰严重、易损坏、维护量大；传感器不具备自检功能，需要经常校验。
(2)感温电缆式测温系统：将感温电缆与电力电缆平行安放，当电力电缆温度超过固定温度值时，感测电缆被短路。系统仅能一次性使用，不能测出电力电缆的实际温度值；由于电缆数量多，系统安装及维护工作不够方便，设备易损坏；不能进行早期故障预测，不能实时显示测量值，无温度趋势分析。
(3)红外成像测温法：主要适用于户外终端和电缆连接点及接地点等部位，易受到电力电缆周围环境变化，电磁干扰、气雾影响及物体发射率的影响。
(4)分布式光纤温度传感器：通过检测故障点附近温度变化情况来实现电缆故障定位，因所测温度是一个范围内的平均温度，精度不高，不能精确反映每个点的温度、导电线芯的温度。
上述方法对电力电缆，特别是交联聚乙烯电力电缆的运营监测有一定的参考价值。随着迅速增长的电力需求，特别是超大容量发电机组的迅速发展，促进了超导电力电缆、大截面电力电缆等技术的发展。随着电缆长度和截面的尺寸越来越大，相应的交接试验因为对象的电压等级和电容量增大给试验设备带来较大的困难。
提高用户电能质量是智能电网在当前乃至未来实现的主要目标之一，状态信息是智能电网状态监测的基础支撑，作为智能电网重要组成部分的电力电缆的实时运营监测的研究自在顺应之中。
发明内容：
本发明针对上述现有技术的不足：提供一种智能电网电力电缆嵌入光纤传感器的方法及装置。该装置可以实时监测电力电缆导电线芯和外护套的运行温度，实时定位电缆破坏点，减少事故的发生率，提高电缆载流量，最大的发挥电缆的传输能力，为电力电缆的安全运营提供保障；可以有效的监测电力电缆的运营能力，提高常规、高压及超高压电力电缆的安全性和可靠性，体积小，结构简单，本质绝缘，不需接外电源，为智能电网的建设提供服务。
本发明所采用的技术方案是：
一种智能电网电力电缆嵌入的光纤传感器装置，它包括光纤传感探头、辅助夹具、传输光纤、阻水油膏、金属套管、铠装层和外护套层组建的光纤传感器、电力电缆、数据分析与处理装置；所述的光纤传感探头经辅助夹具固定在金属套管内，在金属套管内的任意两个光纤传感探头之间放置缠绕的传输光纤并接续，在金属套管内的任意两个光纤传感探头间填满了阻水油膏，经所述的铠装层和外护套层封装成单根所述的光纤传感器；其单根传感器或多根光纤传感器嵌入在电力电缆导电线芯和外护套中，组成智能电网电力电缆，嵌入在电力电缆的导电线芯和外护套的一根或多根光纤传感器经传输光纤和数据分析与处理装置相连。
本发明的技术方案中，所述的光纤传感探头采用光纤传感器或光纤光栅传感器。
本发明的技术方案中，所述的光纤传感器的光纤传感探头、辅助夹具、传输光纤、阻水油膏、金属套管、铠装层和外护套层均采用绝缘材料绝缘。
本发明的技术方案中，根据所述的智能电网电力电缆的导电线芯的数量和外护套监测位置，嵌入单根或多根光纤传感器并与相应导电线芯的数量、规格、尺寸、材料相匹配。
本发明的技术方案中，在每根光纤传感器内在金属套管内借助辅助夹具等距或不等距地固定若干个分布式的光纤传感探头，并在智能电网电力电缆最外层印刷标注相应的标记。便于施工、运营和维护。
本发明的技术方案中，所述的数据分析与处理装置预设嵌入到智能电网电力电缆的单根或多根光纤传感器的安装环境参数和电力电缆的结构参数。
本发明的一种智能电网电力电缆嵌入的光纤传感器装置的制备方法：根据智能电网电力电缆监测的需要，将若干分布式光纤传感探头按照相应的间距经辅助夹具固定在金属套管内；在所述的金属套管内的光纤传感探头之间放置缠绕的传输光纤并接续；在金属套管内的任意光纤传感探头间填满阻水油膏，经铠装层和外护套层封装成单根光纤传感器；根据电力电缆导电线芯的数量和外护套监测位置的需要，将单根或多根光纤传感器在电力电缆生产过程中嵌入到电力电缆的导电线芯和外护套中，组成智能电网电力电缆，嵌入到电力电缆导电线芯和外护套的一根或多根光纤传感器经传输光纤和数据分析与处理装置相连。
本发明的一种智能电网电力电缆嵌入的光纤传感器装置的使用，当智能电网电力电缆运营时，嵌入到电力电缆导电线芯和外护套的一根或多根光纤传感器经传输光纤，将被测的智能电网电力电缆导电线芯和外护套的温度信号传输到数据分析与处理装置处理，可以实时监测电力电缆导电线芯和外护套的运行温度，实时定位电缆破坏点，减少事故的发生率，提高电缆载流量，最大的发挥电缆的传输能力，为电力电缆的安全运营提供保障。
本装置可以有效的监测电力电缆的运营能力，提高常规、高压及超高压电力电缆的安全性和可靠性，体积小，结构简单，本质绝缘，不需接外电源，为智能电网的运营提供服务。
在金属套管内的任意两个光纤传感探头间放置缠绕的传输光纤，当电力电缆截断或接续时可以拉出光纤方便引出或接续后再次放进金属套管；在金属套管内任意两个光纤传感探头间填满阻水油膏可以防止水气进入；铠装层保证分布式的光纤传感探头不被外力破坏；选择外护套层的材料与电力电缆导电线芯和外护套材料相匹配。
本发明的技术方案中，所述的光纤传感探头可以根据测试电力电缆运行状态的需要，也可以传感电力电缆的应力、应变、磁场信号等。
本发明的技术方案中，所述的数据分析与处理装置可以预设嵌入到电力电缆的单根或多根光纤传感器的安装环境参数和电力电缆的结构参数；根据嵌入在一条或多条电力电缆的多根光纤传感器的实际运行监测数据，可以获取电力电缆的运行情况，比如：电力电缆实时电流、实时温度、电网相电流、超负荷状态、故障定位、防偷防盗、环境温度监测、非法入侵情况等；也可以载流量限度分析，保证在不超过电力电缆允许运行温度的情况下，最大限度的发挥电力电缆的传输能力、提高经济效益；积累电力电缆运营的历史技术数据；发现电缆上的局部过热点，及时采取降流降温措施，延缓电缆老化速度；实时故障监测预警，发现电缆运行过程中外界因素导致的破坏；电力电缆火情监测与报警等。
本发明中的智能电网电力电缆嵌入的光纤传感器，可以实现电网电力电缆的多路多点的监测，测量精度和分辨率高；感测信号和传输信号均为光信号，不受电磁干扰、不受核辐射的影响；环境适应性好，稳定性好，可长期用于高温、高湿及存在化学侵蚀等的恶劣环境；可以有效的监测电力电缆的运营能力，提高常规、高压及超高压电力电缆的安全性和可靠性，体积小，结构简单，本质绝缘，不需接外电源，为智能电网的建设、维护及运营提供服务。
附图说明：
图1为智能电网电力电缆嵌入的光纤传感器结构示意图
图2为智能电网电力单芯电缆剖面图
图3为智能电网电力三芯电缆剖面图
图4为智能电网电力电缆嵌入的光纤传感器的一个实施例，
图中：1-光纤传感探头，2-辅助夹具，3-传输光纤，4-阻水油膏，5-金属套管，6-铠装层，7-外护套层，8-光纤传感器，9-电力电缆，10-智能电力电缆，11-数据分析与处理装置，12-导电芯线，13-内屏蔽，14-绝缘层，15-外屏蔽，16金属屏蔽，17-包带，18内衬，19-外护套。
具体实施方式：
本发明的一种智能电网电力电缆嵌入的光纤传感器结构如图1所示，它包括若干光纤传感探头1、辅助夹具2、传输光纤3、阻水油膏4、金属套管5、铠装层6、外护套层7。根据电力电缆9监测点的需要将若干分布式光纤传感探头1按照相应的间距经辅助夹具2固定在金属套管5内；在金属套管5内的任意两个光纤传感探头1之间放置缠绕的传输光纤3并接续；在金属套管5内的任意两个光纤传感探头1间填满阻水油膏4；经铠装层6和外护套层7封装成单根光纤传感器8；根据电力电缆9导电线芯的数量和外护套监测位置的需要，将单根或多根光纤传感器8在电力电缆9生产过程中嵌入到电力电缆导电线芯和外护套，组成智能电网电力电缆10，见图2和图3所示。当智能电网电力电缆10运营时，见图3示意，嵌入到电力电缆9导电线芯和外护套的一根或多根光纤传感器8经传输光纤3，将被测的智能电网电力电缆10导电线芯和外护套的温度信号传输到数据分析与处理装置11。
本发明的智能电网电力电缆嵌入的光纤传感器工作原理：当智能电网电力电缆10载流时，导电线芯的金属导体会发热，并逐渐向外层散热，借助分布式的光纤传感探头1，可以实时地监测到智能电网电力电缆10的导电线芯12和外护套19监测位置的温度信号；当智能电网电力电缆10的电流信号变化时，导电线芯的金属导体发热不同，导致嵌入的光纤传感器8内的多个光纤传感探头1的传感信号变化，并通过传输光纤3送至数据分析与处理装置11进行数据处理和分析，实时监测智能电网电力电缆10导电线芯和外护套的运行温度、实时电流、超负荷运行状态、电网负荷状态、电力电缆故障、电力电缆被盗等，减少事故的发生率，提高电力电缆9载流量，可以最大的发挥智能电网电力电缆10的传输能力，为智能电网电力电缆的安全运营提供保障。
本发明所述的光纤传感探头1采用光纤传感器或光纤光栅传感器传感智能电网电力电缆10导电线芯或外护套的温度信号。
本发明所述的光纤传感器8根据智能电网电力电缆10监测点的需要，将若干个光纤传感探头1经辅助夹具2固定在金属套管内，在金属套管5内的光纤传感探头1间放置缠绕的传输光纤3，当智能电网电力电缆10截断或接续时可以拉出方便传输光纤3引出或接续后再次放进金属套管5，在金属套管5内的封入防止水气进入的阻水油膏4，通过铠装层6和外护套层7保护光纤传感探头1不被外力破坏。
本发明所述的光纤传感器8的光纤传感探头1、辅助夹具2、传输光纤3、阻水油膏4、金属套管5、铠装层6、外护套层7，设计成与相应导电线芯和规格的电力电缆9尺寸匹配所需的形状，且均采用绝缘材料绝缘。
实施例1
图4所示为智能电网电力电缆嵌入的光纤传感器的一个实施例，它包括两根光纤传感器8、一根智能电网电力电缆10，一个数据分析与处理装置11。每根光纤传感器8由两个光纤传感探头1、两个辅助夹具2、传输光纤3、阻水油膏4、一根金属套管5、铠装层6、外护套层7组成。智能电网电力电缆10由两根光纤传感器8和电力电缆9组成。智能电网电力电缆10的四个光纤传感探头1通过传输光纤3与数据分析与处理装置11相连。
当智能电网电力电缆10运营时，导电线芯的金属导体会发热，并逐渐向电力电缆9线缆外层散热，导致嵌入到电力电缆9导电线芯和外护套的光纤传感探头1的信号发生变化，变化信号经传输光纤3传输到数据分析与处理装置11，数据分析与处理装置11进行数据处理和分析，实时监测智能电网电力电缆10导电线芯和外护套的运行温度、实时电流、超负荷运行状态、电网负荷状态、电力电缆故障、电力电缆被盗等，减少事故的发生率，提高电力电缆9载流量。
Claims (8)
1.一种智能电网电力电缆嵌入的光纤传感器装置，其特征在于：它包括光纤传感探头(1)、辅助夹具(2)、传输光纤(3)、阻水油膏(4)、金属套管(5)、铠装层(6)、外护套层(7)组建的光纤传感器(8)、电力电缆(9)、数据分析与处理装置(11)；光纤传感探头(1)经辅助夹具(2)固定在金属套管(5)内，在金属套管(5)内的任意两个光纤传感探头(1)之间放置缠绕的传输光纤(3)并接续，在金属套管(5)内的任意两个光纤传感探头(1)间填满了阻水油膏(4)，经铠装层(6)和外护套层(7)封装成单根光纤传感器(8)；单根传感器或多根光纤传感器(8)嵌入在电力电缆导电线芯(12)和外护套(19)中，组成智能电网电力电缆(10)，嵌入在电力电缆(9)的导电线芯(12)和外护套(19)的一根或多根光纤传感器(8)经传输光纤(3)和数据分析与处理装置(11)相连。
2.如权利要求1所述的一种智能电网电力电缆嵌入的光纤传感器装置，其特征在于：光纤传感探头(1)采用光纤传感器或光纤光栅传感器。
3.如权利要求1所述的一种智能电网电力电缆嵌入的光纤传感器装置，其特征在于：光纤传感器(8)的光纤传感探头(1)、辅助夹具(2)、传输光纤(3)、阻水油膏(4)、金属套管(5)、铠装层(6)、外护套层(7)均采用绝缘材料绝缘。
4.如权利要求1所述的一种智能电网电力电缆嵌入的光纤传感器装置，其特征在于：根据智能电网电力电缆(10)的导电线芯的数量和外护套监测位置，嵌入单根或多根光纤传感器(8)并与相应导电线芯的数量、规格、尺寸、材料相匹配。
5.如权利要求1所述的一种智能电网电力电缆嵌入的光纤传感器装置，其特征在于：在每根光纤传感器(8)内在金属套管(5)内借助辅助夹具(2)等距或不等距地固定若干个分布式的光纤传感探头(1)，并在智能电网电力电缆(10)最外层印刷标注相应的标记。
6.如权利要求1所述的一种智能电网电力电缆嵌入的光纤传感器装置，其特征在于：数据分析与处理装置(11)预设嵌入到智能电网电力电缆(10)的单根或多根光纤传感器(8)的安装环境参数和电力电缆(9)的结构参数。
7.一种智能电网电力电缆嵌入的光纤传感器装置的制备方法：其特征是：根据智能电网电力电缆(10)监测的需要，将若干分布式光纤传感探头(1)按照相应的间距经辅助夹具(2)固定在金属套管5内；在金属套管(5)内的光纤传感探头(1)之间放置缠绕的传输光纤(3)并接续；在金属套管(5)内的任意光纤传感探头(1)间填满阻水油膏(4)；经铠装层(6)和外护套层(7)封装成单根光纤传感器(8)；根据电力电缆(9)导电线芯的数量和外护套监测位置的需要，将单根或多根光纤传感器(8)在电力电缆(9)生产过程中嵌入到电力电缆(9)的导电线芯(12)和外护套(19)中，组成智能电网电力电缆(10)，嵌入到电力电缆(9)导电线芯(12)和外护套(19)的一根或多根光纤传感器(8)经传输光纤(3)和数据分析与处理装置(11)相连。
8.权利要求1所述的一种智能电网电力电缆嵌入的光纤传感器装置的使用，其特征是：当智能电网电力电缆(10)运营时，嵌入到电力电缆(9)导电线芯和外护套的一根或多根光纤传感器(8)经传输光纤(3)，将被测的智能电网电力电缆(10)导电线芯(12)和外护套(19)的温度信号传输到数据分析与处理装置(11)处理，为智能电网电力电缆的安全运营提供保障。
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