CN102680135B - 一种基于电缆温度测量的电缆隧道环境监测方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于温度监测的电缆隧道运行环境监测方法，其特征是：包括的步骤有：1)确定电缆温度测量点；2）电缆运行时表面温度测量；3）电力电缆内部导体温度计算；4）电缆隧道环境的判断；通过理论温度T1与实测温度T0比较，如果,则认为该温度测量点对应的电缆隧道内环境发生了改变,需要安排人员进行检查。本发明还涉及基于电缆温度测量的电缆隧道环境监测系统，由温度测量终端和数据处理中心构成。

Description

一种基于电缆温度测量的电缆隧道环境监测方法及其系统

技术领域

本发明涉及高压输配电技术领域，特别是城市输配电技术领域。

背景技术

近几年来随着我国城市用电容量的快速增长，110kV输电线与220kV输电线在国内大城市中已经成为主力输电线路。为了改进城市的市容以及减小输电线路的占地面积，越来越多的地下电力电缆在国内的大城市开始进行敷设、运行。

目前部分10kV、110kV以及220kV电缆采用的主要敷设方式是电缆隧道，由于国内电缆隧道建设以及运行管理的还不够规范，电缆隧道内的环境常常遭到破坏，例如电缆隧道出现淤泥、积水以及堆积杂物等。电缆隧道内出现淤泥、积水以及杂物堆积时，其内部敷设的电力电缆的运行环境遭受到破坏，进而影响电力电缆的正常运行，导致电缆遭受到破坏，包括导致电缆的外护套击穿、散热不良造成的电力电缆老化等问题。

为了使得电力电缆安全运行，需要对其运行环境，即电缆隧道内的环境进行监测。目前国内对于电缆隧道内的环境监测多数还是采用人工巡线的方式，即巡线工人沿着电缆隧道逐点检测，这种方式的问题是需要耗费大量的人力，并且也不能有效保证每个巡线工人严格的查询了所有的电缆隧道。目前国内关于电缆隧道环境监测系统研究还未见报道，很多研究都是围绕电缆的故障检测以及电缆的运行温度监测进行的。因此，需要研究一种能够监测电缆隧道内环境的方法以及监测系统，确保电力电缆在良好的环境中运行，避免电缆事故的发生。

目前关于电力电缆运行温度测量技术的研究已经比较成熟，本发明通过利用该技术提出了一种电缆隧道环境监测方法以及系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以用于电缆隧道的环境监测的方法。该发明的依据是当电力电缆在正常的电缆隧道内运行时，根据电力电缆的负荷电流、电缆的尺寸参数以及电缆隧道的尺寸参数，可以计算出电力电缆内导体的温度。如果电缆隧道环境发生改变时，例如淤泥、积水或者是隧道内电缆支架倒塌等，电力电缆传输相同的负荷电流时，其内部导体的温度将会改变。因此通过测量电力电缆的运行时的实际温度，并与根据电力电缆参数、电缆隧道参数以及负荷电流计算得出的电力电缆的温度进行比较，判断电缆隧道环境内是否发生改变，当判断出电缆隧道环境发生改变时，可以进行相应的人工检查，节省了大量的人力。

本发明的另一目的是提供一种实现上述方法的电缆隧道环境监测系统。

为实现上述第一目的而采用的技术方案是这样的，即一种可以用于电缆隧道的环境监测的方法，其特征是：包括以下步骤：

1)确定电缆温度测量点

根据需要监测的电缆隧道的长度，确定温度测量点的数量与位置：首先根据电缆隧道的长度确定其中点位置，在电缆隧道中点的电缆表面布置一个温度测量点，然后由该中点测量点依次间距向电缆两端布置测量点，电缆隧道两个端头的电缆上不布置测量点，记录电缆隧道内的温度测量点的位置与数量；

2)电缆运行时表面温度测量

将光栅温度传感器分别安装在每个测量点的电缆表面，测量电缆的表面温度，通过光纤与光端机采集各个温度测量点的测量数据，然后由光端机将采集的测量数据通过GPRS发送到数据处理中心；

3)电力电缆内部导体温度计算

光栅温度传感器测量的是电力电缆表面的温度，数据处理中心根据测量得到的电力电缆的表面温度，根据建立的从电缆表面到电缆内部导体之间的等值热路公式计算出电力电缆缆芯温度T0，该温度是电力电缆运行时内部导体的实际测量温度；

等值热路计算电缆缆芯温度的计算公式为：

T0＝Ta+(W_c+0.5W_d)R₁+[(1+λ₁)W_c+W_d](R₂+R₃)

式中，T0、Ta分别为电缆缆芯温度和表面温度，K；W_c、W_d分别为电缆缆芯损耗和绝缘层损耗，W；λ₁为屏蔽层损耗因数；R₁、R₂、R₃分别为电缆绝缘层、屏蔽层、外护层的等值热阻；

4)电缆隧道环境的判断

数据处理中心接收到温度测量终端的测量数据之后，首先根据测量点的编号在数据库中查询其对应的电缆的尺寸参数、电力电缆的负荷电流以及电缆隧道的尺寸参数，建立电力电缆的温度场计算方程，具体为三维空间的温度场控制方程，所示如下：

$\mathrm{\λ}(\frac{{\∂}^{2}T}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{\∂z^2})+Q=0---\left(1\right)$

其中T为温度、λ为导热系数、A为热源。对应的边界条件为：

$\left.\begin{array}{c}T(x,y,z){|}_{{\mathrm{\Γ}}_1}=f(x,y,z){|}_{{\mathrm{\Γ}}_1}\\ \mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂n}{|}_{{\mathrm{\Γ}}_1}=q_n\\ -\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂n}{|}_{{\mathrm{\Γ}}_1}=h(T-T_f){|}_{{\mathrm{\Γ}}_1}\end{array}\right\}---\left(2\right)$

其中λ为导热系数；q_n为热流密度；h为对流换热系数；T_f为流体温度；г为积分边界；

采用有限元法对方程(1)、(2)进行求解，得出电力电缆内部的温度分布，最终确定出其内部导体的理论温度T1；并比较T1与T0，如果则认为该温度测量点对应的电缆隧道内环境发生了改变,需要安排人员进行检查。

为实现本发明的第二目的而采用的技术方案是：一种基于电缆温度测量的电缆隧道环境监测系统，其特征在于由温度测量终端和数据处理中心构成；

1)、所述温度测量终端由光栅温度传感器、光纤、光端机、中央信息处理器、GPRS数据通信模块和电源管理模块构成；其中

a)光栅温度传感器用于现场测量电力电缆的表面温度，固定在电力电缆外表面上，通过光纤与光端机的输入端连接；

b)光端机用于将一个隧道内的光栅温度传感器的测量数据进行汇集，并将光信号转换成数字信号，其输出端与中央信息处理器的输入端连接；

c)中央信息处理器接收数字信号，并进行存储，其输出端与GPRS数据通信模块的输入端连接；

d)GPRS数据通信模块将数据通过GPRS网络发送至中心数据处理服务器，并接收中心数据处理服务器发送来的信息；

e)电源管理模块提供+5.0V电压为不同模块供电，其输出端分别与中央信息处理器和GPRS数据通信模块的电源端连接；

2)、所述数据处理中心由GPRS通信模块，分析计算模块、数据库系统和PC机构成；其中

a)GPRS通信模块接收测量终端通过发送的数据；

b)分析计算模块自动处理检测分机发来的测量数据信息，包括测量点的位置编号、温度、测量时间，并且能够根据测量点的编号从数据库系统查询电力电缆与电缆隧道的参数，根据测量时间可以从数据库系统查询电力电缆的负荷电流大小。从而建立热力学方程，计算出电力电缆内部导体的理论温度T1；同时

根据温度测量点处对应的电力电缆的参数，建立该电力电缆外表面至内部导体的等值热路，根据电力电缆的表面温度得出电力电缆内部导体温度T0，将计算得到的电力电缆的内部导体与测量得到的温度进行比较，判断分析电缆隧道环境是否正常。

本发明由于采用上述方法和系统而产生的积极效果是非常显著的，即通过监测电力电缆的表面温度，进而得出电力电缆内部导体的实际温度，并与根据电力电缆的负荷电流计算得到的温度进行比较，判断电缆隧道的环境是否正常。

目前国内关于电缆隧道内部环境的监测系统还未见报道，目前采用较多的还是人工巡线，本发明为电缆隧道的环境监测提供了新方法，可以避免电缆运行环境的恶化，导致电缆的非正常损坏。

本发明主要包括以下内容：

1、基于电缆温度测量的电缆隧道环境监测系统

该系统由温度测量终端和数据处理中心构成。温度测量终端采用光栅温度传感器测量电力电缆的表面温度，并通过光纤将温度数据发送至光端机。光端机将测量的温度数据，以及对应的温度测量点的位置编号以及测量时间通过GPRS网络发送至数据处理中心。数据处理中心通过GPRS接收模块接收温度测量终端发送的数据，并根据数据进行计算分析。首先根据温度测量终端发送过来的电力电缆的表面测量温度计算电力电缆内部导体的温度。根据温度测量点对应的电缆编号，查询数据库系统对应的电力电缆的尺寸参数与负荷电流，PC机端的分析计算模块将计算电力电缆的温度场，得出其内部导体的温度,并比较电力电缆内部导体温度的测量值与计算值,判断电缆隧道环境是否正常。数据处理中心在判断出电缆隧道环境异常之后，会发出报警信息。

2、基于电缆温度测量的电缆隧道环境监测方法

本方法是基于电力电缆温度测量以及根据电力电缆温度场计算的定义与应用提出的。电力了电缆温度测量是指采用光栅温度传感器测量其表面温度，并根据等值热路法确定其内部导体温度。电力电缆温度场计算是指根据电力电缆的尺寸参数、电力电缆的负荷电流以及电缆隧道的尺寸参数，计算电力电缆内外的温度分布，通过电力电缆温度场的计算，可以得出其在给定的负荷电流下，其内部导体的温度。

方法的具体原理为：根据需要监测的电缆隧道，确定电力电缆温度测量点的位置以及数量，采用光栅传感器测量各个点的测量点的温度，并通过光纤结合GPRS网络将测量数据发送给数据处理中心。测量信息包括测量点的位置编号、测量时间、温度。例如以一个横截面积大小为800m²、型号为YJLW02的110kV电缆为例，如果将其敷设在2米×3米的电缆隧道内，当负荷电流为360A时，隧道内的一个测量点的测量得出的表面温度为46℃,根据该电缆的等值热路,可以得出其内部的导体温度为65.7℃。根据电力电缆的负荷电流与尺寸参数、电缆隧道的参数可以计算得到电力电缆内部导体的温度为54.2℃，由于因此可以确定该测量点处的电缆隧道环境异常，需要工作人员现场检查。

附图说明

图1是系统结构图，整个系统由温度测量终端、数据处理中心组成；

图2是温度测量终端组成；

图3是数据处理中心的构成；

图4是本发明的系统工作流程图；

图5是电力电缆表面至内部导体的等值热路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步描述：

基于电缆温度测量的电缆隧道环境监测方法的原理为：根据需要监测的电缆隧道的长度确定测量点的数量与位置，并根据电力电缆的编号确定每个测量点的编号。以一个长度为1800米的电缆隧道为例，假设该线路的编号为110kV竹渝东西线I回，那么该电缆隧道内的温度测量点的位置与编号应该按以下规则确定：首先在电缆隧道内电缆的中点布置一个测量点该测量点的编号为ZYDX_I_M，编号规则为线路名称的拼音首字母缩写+回路编号+位置编号。这里的M表示中点。然后从该点分别向左、向右布置温度测量点(注：左侧为向西或向北的方向)，每两个测量点之间的距离为250米。因为在电缆隧道的端头不布置温度测量点，因此左侧测量点的数量为3个，距离中点的距离分别为250米、500米、750米。左侧温度测量点的编号依次为ZYDX_I_L001、ZYDX_I_L002、ZYDX_I_L003。右侧测量点的数量也为3个，距离中点的距离分别为250米、500米、750米。右侧温度测量点的编号依次为ZYDX_I_R001、ZYDX_I_R002、ZYDX_I_R003。

在每个温度测量点处安装一个光栅温度传感器，测量电力电缆的表面温度，并通过光纤将温度测量数据传送至光端机，光端机将每个温度测量点的温度、对应的温度测量点编号以及测量时间通过GPRS网络向数据处理中心发送，数据处理中心接收到温度测量终端的测量数据之后。首先根据测量点的编号在数据库系统中查询其对应的电缆的尺寸参数、电力电缆的负荷电流以及电缆隧道的尺寸参数建立电力电缆的温度场计算方程，具体参见三维空间的温度场控制方程如方程，所示如下：

$\mathrm{\λ}(\frac{{\∂}^{2}T}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{\∂z^2})+Q=0---\left(1\right)$

其中T为温度、λ为导热系数、A为热源。对应的边界条件为：

$\left.\begin{array}{c}T(x,y,z){|}_{{\mathrm{\Γ}}_1}=f(x,y,z){|}_{{\mathrm{\Γ}}_1}\\ \mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂n}{|}_{{\mathrm{\Γ}}_1}=q_n\\ -\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂n}{|}_{{\mathrm{\Γ}}_1}=h(T-T_f){|}_{{\mathrm{\Γ}}_1}\end{array}\right\}---\left(2\right)$

其中λ为导热系数；q_n为热流密度；h为对流换热系数；T_f为流体温度；г为积分边界。

采用有限元法对方程(1)、(2)进行求解，可以得出电力电缆内部的温度分布，最终确定出其内部导体的温度T1。其控制方程和边界条件相关参数的确定，每个电缆隧道内的温度场计算边界条件是给定，系统会根据当前需要计算温度场的电缆与隧道，自动从数据库中读取相应的边界条件。

同时数据处理中心还将根据电缆的参数建立电缆表面至内部导体之间的等值热路，根据其等值热路以及测量得到的电力电缆表面温度计算其内部导体温度T0，最终根据T0与T1确定电缆隧道环境是否正常。

以下以一实例对本发明的技术方案的应用过程做进一步描述：

参见图3所示的敷设了多条电力电缆的电缆隧道，线路名称为110kV竹渝东西线，该电缆隧道的长度为1800米。

1)确定测量点的位置与数量。选择隧道内的第一回路为测量目标，根据前面所述，温度测量点一共需要7个，编号分别为：ZYDX_I_L001、ZYDX_I_L002、ZYDX_I_L003、ZYDX_I_M、ZYDX_I_R001、ZYDX_I_R002、ZYDX_I_R003。

2)获取测量点的温度。采用温度测量终端，测量得到7个测量点的温度分别为37.9℃、37.8℃、37.9℃、37.9℃、38.1℃、37.8℃、42.8℃，根据电力电缆外表面到其内部导体之间的等值热路，可以得出7个温度测量点处对应的电力电缆导体内部温度为：54.1℃、54.0℃、54.1℃、54.1℃、54.4℃、54.0℃、61.14℃。根据电力电缆的负荷电流与尺寸参数、电缆隧道的参数可以计算得到7个温度测量点对应的电力电缆内部导体的温度都为54.25℃，由于编号为ZYDX_I_R003的温度测量点处对应的电力电缆内部导体的温度的测量值与计算值误差为因此可以确定编号ZYDX_I_R003的测量点处的电缆隧道环境异常，即该段电力电缆隧道右侧端口处的电缆隧道环境异常。

本方法能够应用于：

1)10kV及以上电压等级的电缆隧道环境监测；

2)10kV及以上电压等级电缆隧道的运行状态监测。

本发明提供的基于电力电缆温度测量的电缆隧道环境监测方法与监测系统，可以应用与10kV、110kV、220kV电缆隧道的环境监测中，从而可以解决目前电缆隧道环境监测耗费大量的人力资源的问题，从而确保电缆隧道内环境没有遭受破坏，避免电力电缆的运行环境恶化，进而导致的电缆损坏。本发明为电缆隧道的监测提供有效方法。

Claims (2)

1.一种基于温度监测的电缆隧道运行环境监测方法，其特征是：包括以下步骤：

1)、确定电缆温度测量点

根据需要监测的电缆隧道的长度，确定温度测量点的数量与位置：首先根据电缆隧道的长度确定其中点位置，在电缆隧道中点的电缆表面布置一个温度测量点，然后由该中点测量点依次间距向电缆两端布置测量点，电缆隧道两个端头的电缆上不布置测量点，记录电缆隧道内的温度测量点的位置与数量；

2）、电缆运行时表面温度测量

将光栅温度传感器分别安装在每个测量点的电缆表面，测量电缆的表面温度，通过光纤与光端机采集各个温度测量点的测量数据，然后由光端机将采集的测量数据通过GPRS发送到数据处理中心；

3）、电力电缆内部导体温度计算

光栅温度传感器测量的是电力电缆表面的温度，数据处理中心根据测量得到的电力电缆的表面温度，根据建立的从电缆表面到电缆内部导体之间的等值热路公式计算出电力电缆缆芯温度T0，该温度是电力电缆运行时内部导体的实际测量温度；

等值热路计算电缆缆芯温度的计算公式为：

T0＝Ta+(W_c+0.5W_d)R₁+[(1+λ₁)W_c+W_d](R₂+R₃)

式中，T₀、Ta分别为电缆缆芯温度和表面温度，单位为K；W_c、W_d分别为电缆缆芯损耗和绝缘层损耗，单位为W；λ₁为屏蔽层损耗因数；R₁、R₂、R₃分别为电缆绝缘层、屏蔽层、外护层的等值热阻；

4）、电缆隧道环境的判断

数据处理中心接收到温度测量终端的测量数据之后，首先根据测量点的编号在数据库中查询其对应的电缆的尺寸参数、电力电缆的负荷电流以及电缆隧道的尺寸参数建立电力电缆的温度场计算方程，具体公式如下：

$\mathrm{\λ}(\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂y}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂z}^2})+Q=0---\left(1\right)$

其中T为温度、λ为导热系数、Q为热源，对应的边界条件为：

$\left.\begin{array}{c}T(x,y,z){|}_{{\mathrm{\Γ}}_1}=f(x,y,z){|}_{{\mathrm{\Γ}}_1}\\ \mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂n}{|}_{{\mathrm{\Γ}}_2}=q_n\\ -\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂n}{|}_{{\mathrm{\Γ}}_3}=h(T-T_f){|}_{{\mathrm{\Γ}}_3}\end{array}\right\}---\left(2\right)$

其中λ为导热系数；q_n为热流密度；h为对流换热系数；T_f为流体温度；г为积分边界；

采用有限元法对方程（1）、（2）进行求解，得出电力电缆内部的温度分布，最终确定出其内部导体的理论温度T1；并比较T1与T₀，如果则认为该温度测量点对应的电缆隧道内环境发生了改变,需要安排人员进行检查。

2.一种基于电缆温度测量的电缆隧道环境监测系统，其特征在于包括温度测量终端和数据处理中心：

1）、所述温度测量终端由光栅温度传感器、光端机、中央信息处理器、GPRS数据通信模块和电源管理模块构成；其中

a)、光栅温度传感器用于现场测量电力电缆的表面温度，固定在电力电缆外表面上，通过光纤与光端机的输入端连接；

b）、光端机用于将一个隧道内的所有光栅温度传感器的测量数据进行汇集，并将光信号转换成数字信号，其输出端与中央信息处理器的输入端连接；

c)、中央信息处理器接收数字信号，并进行存储，其输出端与GPRS数据通信模块的输入端连接；

d）、GPRS数据通信模块将数据通过GPRS网络发送至中心数据处理服务器，并接收中心数据处理服务器发送来的信息；

e)、电源管理模块提供+5.0V电压为不同模块供电，其输出端分别与中央信息处理器和GPRS数据通信模块的电源端连接；

2）、所述数据处理中心由GPRS通信模块，分析计算模块、数据库系统和PC机构成；其中：

a）、GPRS通信模块接收测量终端通过GPRS网络发送过来的数据；

b)、分析计算模块自动处理检测分析收到的测量数据信息，包括测量点的位置编号、温度、测量时间，并且能够根据测量点的编号从数据库系统查询电力电缆与电缆隧道的参数，根据测量时间可以从数据库系统查询电力电缆的负荷电流大小，从而建立热力学方程，计算出电力电缆内部导体的理论温度T1；同时

根据温度测量点处对应的电力电缆的参数，建立该电力电缆外表面至内部导体的等值热路，根据电力电缆的表面温度得出电力电缆缆芯温度T0，将计算得到的电力电缆缆芯温度T0与测量得到的温度进行比较，判断分析电缆隧道环境是否正常。