CN103592054A - 电缆群线芯温度确定方法、装置及该装置的安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式光纤测温的电缆群线芯温度确定方法、装置以及分布式光纤测温装置的安装方法，该电缆群温度确定方法包括：测量电缆群敷设的环境参数和电缆群中的电缆参数；并根据环境参数和电缆参数建立的电缆群模型；读取电缆群导体的电流，根据电缆群模型进行电缆表皮温度仿真计算，得到该电缆群中的第一电缆的表皮预估温度T_c；测量电缆群中的第一电缆在轴向上的表皮实际温度T_b；通过表皮预估温度T_c和表皮实际温度T_b，计算折算系数α；根据折算系数α，对电缆表皮预估温度进行修正，计算出电缆群中的各条电缆的表皮实际温度。本发明提供的方法和装置能够提高对电缆群温度计算精度，增加电缆群温度计算范围。

Description

电缆群线芯温度确定方法、装置及该装置的安装方法

技术领域

本发明属于电力电缆设备的电缆温度评估领域，尤其涉及一种基于分布式光纤测温的电缆群线芯温度确定方法、装置以及分布式光纤测温装置的安装方法。

背景技术

随着社会经济的发展，城市中心用电负荷越来越大，对供电可靠性的要求也越来越高。再加上架空电缆会造成视觉污染、电磁污染，因此地下电缆供电是现代城市发展的必然趋势。

近年来，国内外多次发生因电缆输送超过其实际载流能力的负荷而导致电缆发生热崩溃的事故，证明了开展电缆温度监测和载流量管理的迫切性和重要性。

但在实际现场中，电缆群敷设条件复杂，环境情况多变，现有技术中已有的采用IEC标准等计算电缆温度的方法主要针对的是单根电缆，而对于多根电缆同时运行时的精确度有待提高。

故目前亟需一种电缆群线芯温度的测量方法及装置，提高对电缆群温度的温度计算精度，增加电缆群温度的计算范围。在保证电缆设备安全运行的前提下，提高电缆的负荷利用率和系统可靠性，为电力系统调度提供帮助。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种基于分布式光纤测温的电缆群线芯温度确定方法、装置以及分布式光纤测温装置的安装方法。该方法和装置能够提高对电缆群温度计算精度，增加电缆群温度计算范围。在保证电缆设备安全运行的前提下，提高电缆的负荷利用率和系统可靠性，为电力系统调度提供帮助。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于分布式光纤测温的电缆群温度确定方法，包括：

测量电缆群敷设的环境参数和电缆群中的电缆参数；并根据所述环境参数和电缆参数建立的电缆群模型；

读取电缆群导体的电流，根据电缆群模型进行电缆表皮温度仿真计算，得到该电缆群中的第一电缆的表皮预估温度T_c；

通过分布式光纤测温装置测量所述电缆群中的第一电缆在轴向上的表皮实际温度T_b；

通过所述第一电缆的表皮预估温度T_c和表皮实际温度T_b，计算电缆的表皮实际温度与所述电缆群模型下计算得出的电缆表皮预估温度之间的折算系数α；

根据所述折算系数α，对所述电缆群模型下计算得出的电缆表皮预估温度进行修正，计算出所述电缆群中的各条电缆的表皮实际温度。

其中，所述环境参数包括：土壤的热阻和热容系数、空气间隙的对流换热系数、土壤底层温度、空气温度、埋设深度、电缆沟槽的几何尺寸及导热系数。

其中，所述电缆参数包括：电缆各层的几何尺寸、电缆导体的导热系数、绝缘层的导热系数、填充物的导热系数、内外护层的导热系数、导体的20℃直流电阻、比热容、电缆群各电缆之间的间距。

其中，所述折算系数α=T_b/T_c。

其中，所述根据所述折算系数α，对所述电缆群模型下计算得出的电缆表皮预估温度进行修正，计算出所述电缆群中的各条电缆的表皮实际温度，包括：

根据所述电缆群模型，计算所述电缆群中某一条电缆的表皮温度，得到表皮预估温度T_cal，

所述根据所述折算系数α，对所述电缆群模型下计算得出的电缆表皮预估温度进行修正，得到该电缆的表皮实际温度T_real，其中，T_real=T_cal×α。

其中，读取电缆群导体的电流，根据电缆群模型进行电缆表皮温度仿真计算，得到该电缆群中的第一电缆的表皮预估温度T_c，包括：

读取电缆群导体的电流后，第一电缆的表皮预估温度T_c计算方法如下：

对于第一电缆电缆，列出θ₀～θ₃四个温度点所在的节点方程，式（1）：

$\frac{1}{T_1}{\mathrm{\θ}}_1-\frac{1}{T_1}{\mathrm{\θ}}_2=W+W_d/2$

$-\frac{3}{T_1}{\mathrm{\θ}}_1+(\frac{3}{T_1}+\frac{1}{T_2}){\mathrm{\θ}}_2-\frac{1}{T_2}{\mathrm{\θ}}_3=3W_d/2+3W_3---\left(1\right)$

$-\frac{1}{T_2}{\mathrm{\θ}}_2+(\frac{1}{T_3}+\frac{1}{T_2}){\mathrm{\θ}}_3-\frac{1}{T_3}{\mathrm{\θ}}_0=W_4$

式（1）用矩阵形式表示为：Aθ=W，其中：

$A=\left[\begin{array}{cccc}\frac{1}{T_1},& -\frac{1}{T_1},& 0,& 0\\ -\frac{3}{T_1},& \frac{3}{T_1}+\frac{1}{T_2},& -\frac{1}{T_2},& 0\\ 0,& -\frac{1}{T_2},& \frac{1}{T_2}+\frac{1}{T_3},& -\frac{1}{T_3}\end{array}\right]$

θ=[θ₁ θ₂ θ₃ θ₀]^T

W=[W+W_d/2 3W_d/2+3W₃ W₄]^T

得到θ₀和θ₁的关系，式（2）

θ₁-θ₀＝(W+W_d/2)T₁+(3W+3W_d+3W₃)T₂+(3W+3W_d+3W₃+W₄)T₃  (2)

Aθ=W中θ的第一个数θ₁即为所求的第一电缆导体温度，A由第一电缆的结构和材料参数确定；W由电缆导体损耗、介质损耗以及金属套和屏蔽层损耗确定；矩阵θ中的θ₀通过直接测量获得；在T₁/3上产生的温度降为，式（3）所示：

${\mathrm{\Δ\θ}}_1=3(W_c+\frac{1}{2}{W}_d)\·\frac{1}{3}{T}_1=(W_c+\frac{1}{2}{W}_d)\·T_1---\left(3\right)$

在T₂、T₃和T₄上产生的温度降为，式（4）所示：

△θ₂=[3(W_c+W_d)+W₁]·(T₂+T₃+T₄)=3[W_c(1+λ₁)W_d]·(T₂+T₃+T₄)  (4)

则导体温度为，式（5）所示：

θ_c=θ₀+△θ₁+△θ₂  (5)

重复利用以上公式进行计算，比较每次计算结果，当前一次结果θ_c和后一次结果θ_c’差值小于0.05℃时计算结束，求得电缆的温度分布，计算得到的表皮温度记为T_c；

上述公式中，W为—每相电缆导体及内屏蔽层产生的损耗；W_d为每相绝缘层介质损耗；W₃为每相外屏蔽及金属屏蔽层损耗；W₄为铠装层损耗；单位为W；

θ₁为电缆导体表面温度；θ₂为绝缘外表面及金属屏蔽层温度；θ₃为铠装层温度；θ₀为电缆外护套表面温度；θ_amb为周围环境的温度；单位为K；

T₁为电缆绝缘层热阻；T₂为垫层及内衬层热阻；T₃为电缆外护层热阻；T₄为电缆外部热阻；单位为K/W。

对应的，本发明还提供一种基于分布式光纤测温的电缆群温度确定装置及其安装方法，该装置包括：

电缆群模型建模模块，用于测量电缆群敷设的环境参数和电缆群中的电缆参数；并根据所述环境参数和电缆参数建立的电缆群模型；

表皮温度预估模块，用于读取电缆群导体的电流，根据电缆群模型进行电缆表皮温度仿真计算，得到该电缆群中的第一电缆的表皮预估温度T_c；

分布式光纤测温装置，用于测量所述电缆群中的第一电缆在轴向上的表皮实际温度T_b；

温度计算及修正模块，用于通过所述第一电缆的表皮预估温度T_c和表皮实际温度T_b，计算电缆的表皮实际温度与所述电缆群模型下计算得出的电缆表皮预估温度之间的折算系数α；并根据所述折算系数α，对所述电缆群模型下计算得出的电缆表皮预估温度T_cal进行修正，计算出所述电缆群中的各条电缆的表皮实际温度。

其中，所述分布式光纤测温装置包括：同步控制单元，激光光源，激光器尾纤，光路耦合器，恒温槽，光纤，分光器，滤波单元，信号接收单元，主机；

同步控制单元用于触发，激光光源产生一光脉冲，并注入激光器尾纤中，再进入传感光纤；光路耦合器用于接收激光在光纤中发生散射后，携带有温度信息的喇曼后向散射光，并耦合至分光器；滤波单元用于分别滤出斯托克斯信号和反斯托克斯信号，两路光信号进行光电转换和放大，然后由信号接收单元采样并转换为数字量，经过滤波单元后，最后主机接收。

其中，温度计算及修正模块包括：

折算系数计算单元，用于通过所述第一电缆的表皮预估温度T_c和表皮实际温度T_b，计算电缆的表皮实际温度与所述电缆群模型下计算得出的电缆表皮预估温度之间的折算系数α；所述折算系数α=T_b/T_c；

表皮实际温度计算单元，用于通过所述表皮温度预估模块获取所述电缆群中某一条电缆的表皮预估温度T_cal，并根据所述折算系数α，对所述电缆表皮预估温度T_cal进行修正，得到该电缆的表皮实际温度T_real，其中，T_real=T_cal×α。

本发明提供的分布式光纤测温装置的安装方法包括：

将光缆的专用尾纤熔接于接头盒内，再将接头盒固定；

将尾纤插入主处理机上的光纤插口，顺电缆方向将光缆排于管内，感温光缆与电缆外护套表面呈自然接触状态；

用扎带将光缆固定在电缆表面，并留有裕度；

将测温光纤缠绕在电缆中间接头处，且缠绕光纤展开长度不小于5m。

本发明提供的基于分布式光纤测温的电缆群线芯温度确定方法、装置以及分布式光纤测温装置的安装方法，能够提高对电缆群温度计算精度，增加电缆群温度计算范围。在保证电缆设备安全运行的前提下，提高电缆的负荷利用率和系统可靠性，为电力系统调度提供帮助。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于分布式光纤测温的电缆群温度确定方法第一实施例流程示意图；

图2为本发明提供的基于分布式光纤测温的电缆群温度确定方法第二实施例流程示意图；

图3为本实例提供的以排管敷设为例进行建模的电缆的热路模型示意图；

图4为本实例提供的对电缆群模型进行三角形剖分的示意图；

图5为本实例提供的对电缆群模型进行三角形剖分的另一示意图；

图6为本发明提供的基于分布式光纤测温的电缆群温度确定装置实施例结构示意图；

图7为本发明提供的分布式光纤测温装置结构及原理示意图；

图8为本发明提供的测温光纤采用双环形缠绕方式固定在电缆中间接头处出意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，为本发明提供的基于分布式光纤测温的电缆群温度确定方法第一实施例流程示意图，如图1所示，该电缆群温度确定方法包括：

步骤S101，测量电缆群敷设的环境参数和电缆群中的电缆参数。

步骤S102，根据所述环境参数和电缆参数建立的电缆群模型。

步骤S103，读取电缆群导体的电流，根据电缆群模型进行电缆表皮温度仿真计算，得到该电缆群中的第一电缆的表皮预估温度T_c。

步骤S104，通过分布式光纤测温装置测量所述电缆群中的第一电缆在轴向上的表皮实际温度T_b；需要说明的是，步骤S103与步骤S104在实际执行过程中没有严格的时间顺序，可以步骤S103先执行，步骤S104后执行；也可以步骤S104先执行，步骤S103后执行；亦或是步骤S103与步骤S104同时执行。

步骤S105，通过所述第一电缆的表皮预估温度T_c和表皮实际温度T_b，计算电缆的表皮实际温度与所述电缆群模型下计算得出的电缆表皮预估温度之间的折算系数α。

步骤S106，根据所述折算系数α，对所述电缆群模型下计算得出的电缆表皮预估温度进行修正，计算出所述电缆群中的各条电缆的表皮实际温度。

本发明提供的基于分布式光纤测温的电缆群线芯温度确定方法，通过某一电缆的表皮预估温度与实际温度计算出两者之间的折算系数，然后以该折算系数对其它电缆的表皮预估温度进行修正，得到与电缆真实的温度一致或基本一致的表皮实际温度。

这种电缆群线芯温度确定方法能够提高对电缆群温度计算精度，增加电缆群温度计算范围。在保证电缆设备安全运行的前提下，提高电缆的负荷利用率和系统可靠性，为电力系统调度提供帮助。

参见图2，为本发明提供的基于分布式光纤测温的电缆群温度确定方法第二实施例流程示意图，在本实施例中，将更为详细的说明该电缆群温度确定方法的流程。该电缆群温度确定方法如图2所示，包括：

步骤S201，测量电缆群敷设的环境参数。所述环境参数包括：土壤的热阻和热容系数、空气间隙的对流换热系数、土壤底层温度、空气温度、埋设深度、电缆沟槽的几何尺寸及导热系数。

步骤S202，测量电缆群中的电缆参数。所述电缆参数包括：电缆各层的几何尺寸、电缆导体的导热系数、绝缘层的导热系数、填充物的导热系数、内外护层的导热系数、导体的20℃直流电阻、比热容、电缆群各电缆之间的间距。

需要说明的是，步骤S201与步骤S202在实际执行过程中没有严格的时间顺序，可以步骤S201先执行，步骤S202后执行；也可以步骤S202先执行，步骤S201后执行；亦或是步骤S201与步骤S202同时执行。

步骤S203，根据所述环境参数和电缆参数建立的电缆群模型。本领域技术人员可以理解的是，建立电缆群模型的方式多种多样，选用的参数更具精度要求的不同也不尽相同。在本实例中，以排管敷设为例进行建模，所述电缆各层几何尺寸如表1所示。

表1

对于电缆，其热路模型如图3所示，其中：

W为—每相电缆导体及内屏蔽层产生的损耗；W_d为每相绝缘层介质损耗；W₃为每相外屏蔽及金属屏蔽层损耗；W₄为铠装层损耗；单位为W；

θ₁为电缆导体表面温度；θ₂为绝缘外表面及金属屏蔽层温度；θ₃为铠装层温度；θ₀为电缆外护套表面温度；θ_amb为周围环境的温度；单位为K；

T₁为电缆绝缘层热阻；T₂为垫层及内衬层热阻；T₃为电缆外护层热阻；T₄为电缆外部热阻；单位为K/W。

其中损耗可以由W=I²R求得，各层温度根据季节不同进行设置。

本领域技术人员可以理解的是，有时根据算法需要的不同，对电缆群模型进行三角形剖分。剖分时单元越小越密集，计算结果越精确，但计算时间更长。根据温度分布，导体、绝缘层、内护层剖分最密集，网格密度尺寸级别取4；外护层、排管、土壤剖分密度下降，网格密度尺寸级别分别取5、6、8，剖分结果如图4、图5所示。

步骤S204，读取电缆群导体的电流，根据电缆群模型进行电缆表皮温度仿真计算，得到该电缆群中的第一电缆的表皮预估温度T_c。读取电缆群导体的电流后，第一电缆的表皮预估温度T_c计算方法如下：

对于第一电缆电缆，列出θ₀～θ₃四个温度点所在的节点方程，如式（1）所示：

$\frac{1}{T_1}{\mathrm{\θ}}_1-\frac{1}{T_1}{\mathrm{\θ}}_2=W+W_d/2$

$-\frac{3}{T_1}{\mathrm{\θ}}_1+(\frac{3}{T_1}+\frac{1}{T_2}){\mathrm{\θ}}_2-\frac{1}{T_2}{\mathrm{\θ}}_3=3W_d/2+3W_3---\left(1\right)$

$-\frac{1}{T_2}{\mathrm{\θ}}_2+(\frac{1}{T_3}+\frac{1}{T_2}){\mathrm{\θ}}_3-\frac{1}{T_3}{\mathrm{\θ}}_0=W_4$

上式可用矩阵形式表示为：Aθ=W，其中：

$A=\left[\begin{array}{cccc}\frac{1}{T_1},& -\frac{1}{T_1},& 0,& 0\\ -\frac{3}{T_1},& \frac{3}{T_1}+\frac{1}{T_2},& -\frac{1}{T_2},& 0\\ 0,& -\frac{1}{T_2},& \frac{1}{T_2}+\frac{1}{T_3},& -\frac{1}{T_3}\end{array}\right]$

θ=[θ₁ θ₂ θ₃ θ₀]^T

W=[W+W_d/2 3W_d/2+3W₃ W₄]^T

可得到θ₀和θ₁的关系，如式（2）所示

θ₁－θ₀＝(W+W_d/2)T₁+(3W+3W_d+3W₃)T₂+(3W+3W_d+3W₃+W₄)T₃  (2)

Aθ=W中θ的第一个数θ₁即为所求的第一电缆的导体温度。A由第一电缆的结构和材料参数确定。W由第一电缆导体损耗、介质损耗以及金属套和屏蔽层损耗确定。矩阵θ中的θ₀可通过直接测量获得。Aθ=W中并未出现电缆外部热阻T₄，故电缆导体温度可通过电缆外护套表面温度θ₀或者外界温度θ_amb间接求得，而无需考虑电缆外部热阻、热源的影响。在T₁/3上产生的温度降为，如式（3）所示：

${\mathrm{\Δ\θ}}_1=3(W_c+\frac{1}{2}{W}_d)\·\frac{1}{3}{T}_1=(W_c+\frac{1}{2}{W}_d)\·T_1---\left(3\right)$

在T₂、T₃和T₄上产生的温度降为，如式（4）所示：

△θ₂=[3(W_c+W_d)+W₁]·(T₂+T₃+T₄)=3[W_c(1+λ₁)W_d]·(T₂+T₃+T₄)  (4)

则导体温度为，如式（5）所示：

θ_c=θ₀+△θ₁+△θ₂  (5)

重复利用以上公式进行计算，比较每次计算结果，当前一次结果θ_c和后一次结果θ_c’差值小于0.05℃时计算结束。此时即可求得电缆的温度分布，计算得到的第一电缆表皮预估温度记为T_c。

将计算得到该第一电缆表皮温度T_c以后与实际测得第一电缆表皮温度T_b进行折算，得到折算系数α，α=T_b/T_c，对电缆群中其他电缆的温度T_cal进行折算，得到折算后的温度T_real，T_real=T_cal·α，即可反推电缆群全部电缆在轴向上温度分布。

步骤S205，通过分布式光纤测温装置测量所述电缆群中的第一电缆在轴向上的表皮实际温度T_b。对于分布式光纤测温装置，在后续会详细描述，此处不再赘述。需要说明的是，步骤S204与步骤S205在实际执行过程中没有严格的时间顺序，可以步骤S204先执行，步骤S205后执行；也可以步骤S205先执行，步骤S204后执行；亦或是步骤S204与步骤S205同时执行。

步骤S206，通过所述第一电缆的表皮预估温度T_c和表皮实际温度T_b，计算电缆的表皮实际温度与所述电缆群模型下计算得出的电缆表皮预估温度之间的折算系数α；所述折算系数α=T_b/T_c。

步骤S207，根据所述折算系数α，对所述电缆群模型下计算得出的电缆表皮预估温度进行修正，计算出所述电缆群中的各条电缆的表皮实际温度。更为具体的，根据所述电缆群模型，计算所述电缆群中某一条电缆的表皮温度，得到表皮预估温度T_cal，然后所述根据所述折算系数α，对所述电缆群模型下计算得出的电缆表皮预估温度进行修正，得到该电缆的表皮实际温度T_real，其中，T_real=T_cal×α。对电缆群中其他电缆的温度T_cal进行折算后，得到折算后的温度T_real，即可反推电缆群全部电缆在轴向上温度分布。

本发明实施例提供的基于分布式光纤测温的电缆群线芯温度确定方法，通过某一电缆的表皮预估温度与实际温度计算出两者之间的折算系数，然后以该折算系数对其它电缆的表皮预估温度进行修正，得到与电缆真实的温度一致或基本一致的表皮实际温度。

这种电缆群线芯温度确定方法能够提高对电缆群温度计算精度，增加电缆群温度计算范围。在保证电缆设备安全运行的前提下，提高电缆的负荷利用率和系统可靠性，为电力系统调度提供帮助。

参见图6，为本发明提供的基于分布式光纤测温的电缆群温度确定装置实施例结构示意图，如图6所示，该电缆群温度确定装置包括：

电缆群模型建模模块1，用于测量电缆群敷设的环境参数和电缆群中的电缆参数；并根据所述环境参数和电缆参数建立的电缆群模型；

表皮温度预估模块2，用于读取电缆群导体的电流，根据电缆群模型进行电缆表皮温度仿真计算，得到该电缆群中的第一电缆的表皮预估温度T_c；

分布式光纤测温装置3，用于测量所述电缆群中的第一电缆在轴向上的表皮实际温度T_b；

温度计算及修正模块4，用于通过所述第一电缆的表皮预估温度T_c和表皮实际温度T_b，计算电缆的表皮实际温度与所述电缆群模型下计算得出的电缆表皮预估温度之间的折算系数α；并根据所述折算系数α，对所述电缆群模型下计算得出的电缆表皮预估温度T_cal进行修正，计算出所述电缆群中的各条电缆的表皮实际温度。具体的，温度计算及修正模块包括折算系数计算单元和表皮实际温度计算单元。折算系数计算单元用于通过所述第一电缆的表皮预估温度T_c和表皮实际温度T_b，计算电缆的表皮实际温度与所述电缆群模型下计算得出的电缆表皮预估温度之间的折算系数α；所述折算系数α=T_b/T_c。表皮实际温度计算单元用于通过所述表皮温度预估模块获取所述电缆群中某一条电缆的表皮预估温度T_cal，并根据所述折算系数α，对所述电缆表皮预估温度T_cal进行修正，得到该电缆的表皮实际温度T_real，且T_real=T_cal×α。

本领域技术人员可以理解的是，本发明实施例中提供的基于分布式光纤测温的电缆群温度确定装置可以实现上述基于分布式光纤测温的电缆群温度确定方法第一实施例和第二实施例中所描述的方法流程。由于各个单元模块的具体功能在前述的两个方法实施例中实际已经详细描述，本实施例中不再赘述。

进一步的，所述分布式光纤测温装置3包括：同步控制单元，激光光源，激光器尾纤，光路耦合器，恒温槽，光纤，分光器，滤波单元，信号接收单元，主机；同步控制单元用于触发，激光光源产生一光脉冲，并注入激光器尾纤中，再进入传感光纤；光路耦合器用于接收激光在光纤中发生散射后，携带有温度信息的喇曼后向散射光，并耦合至分光器；滤波单元用于分别滤出斯托克斯信号和反斯托克斯信号，两路光信号进行光电转换和放大，然后由信号接收单元采样并转换为数字量，经过滤波单元后，最后主机接收。

该分布式光纤测温装置的具体工作过程如下：

在同步控制单元的触发下，激光光源产生一光脉冲，并注入激光器尾纤中，从激光器尾纤输出的光脉冲要经过光路耦合器后进入一段放置在恒温槽中的光纤(用于系统标定)，然后进入传感光纤。当激光在光纤中发生散射后，携带有温度信息的喇曼后向散射光将返回到光路耦合器中，光路耦合器不但可以将“发射机”产生的光脉冲直接耦合至传感光纤，而且还可以将散射回来的不同于发射波长的喇曼散射光耦合至分光器。分光器由两个不同中心波长的光滤波器组成，它们分别滤出斯托克斯信号和反斯托克斯信号，两路光信号经过接收机时进行光电转换和放大，然后由数据采集单元进行高速数据采样并转换为数字量，最后经过对信号进一步处理(提高信噪比)，用于温度的计算。如图7所示。

该分布式光纤测温装置的安装方法如下：

先将光缆的一端与测温设备的专用尾纤熔接于接头盒内，接头盒应具备良好的防水性能，熔接完毕后，再将接头盒固定。然后将尾纤插入主处理机上的光纤插口，光缆的另一端从变电站引出来，顺电缆方向将光缆排于管内，感温光缆与电缆外护套表面呈自然接触状态。在电缆井内用扎带将光缆固定在电缆表面，并留有10m左右裕度。

在电缆中间接头处，测温光纤采用双环形缠绕方式固定在电缆中间接头处，保证测温光纤与电缆中间接头紧密接触，双环形缠绕光纤展开长度不小于5m，如图8所示。

考虑到感温光纤比较纤细，安装时没有将光缆与电缆同步敷设，因为电缆很重，敷设时需要牵引机施加较大的拉力，而光纤比较脆弱，在拖拉的过程中很有可能发生刮擦或者卡住导致光缆折断，所以感温光纤的敷设一般采取人工拉拽的方式进行敷设。实际施工中，先敷设电缆，电缆接头做好之后再敷设光缆。

本发明实施例提供的基于分布式光纤测温的电缆群线芯温度确定装置，通过某一电缆的表皮预估温度与实际温度计算出两者之间的折算系数，然后以该折算系数对其它电缆的表皮预估温度进行修正，得到与电缆真实的温度一致或基本一致的表皮实际温度。

这种电缆群线芯温度确定装置能够提高对电缆群温度计算精度，增加电缆群温度计算范围。在保证电缆设备安全运行的前提下，提高电缆的负荷利用率和系统可靠性，为电力系统调度提供帮助。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于分布式光纤测温的电缆群温度确定方法，其特征在于，包括：

测量电缆群敷设的环境参数和电缆群中的电缆参数；并根据所述环境参数和电缆参数建立的电缆群模型；

读取电缆群导体的电流，根据电缆群模型进行电缆表皮温度仿真计算，得到该电缆群中的第一电缆的表皮预估温度T_c；

通过分布式光纤测温装置测量所述电缆群中的第一电缆在轴向上的表皮实际温度T_b；

通过所述第一电缆的表皮预估温度T_c和表皮实际温度T_b，计算电缆的表皮实际温度与所述电缆群模型下计算得出的电缆表皮预估温度之间的折算系数α；

根据所述折算系数α，对所述电缆群模型下计算得出的电缆表皮预估温度进行修正，计算出所述电缆群中的各条电缆的表皮实际温度。

2.如权利要求1所述的基于分布式光纤测温的电缆群温度确定方法，其特征在于，所述环境参数包括：土壤的热阻和热容系数、空气间隙的对流换热系数、土壤底层温度、空气温度、埋设深度、电缆沟槽的几何尺寸及导热系数。

3.如权利要求1所述的基于分布式光纤测温的电缆群温度确定方法，其特征在于，所述电缆参数包括：电缆各层的几何尺寸、电缆导体的导热系数、绝缘层的导热系数、填充物的导热系数、内外护层的导热系数、导体的20℃直流电阻、比热容、电缆群各电缆之间的间距。

4.如权利要求1所述的基于分布式光纤测温的电缆群温度确定方法，其特征在于，所述折算系数α=T_b/T_c。

5.如权利要求1所述的基于分布式光纤测温的电缆群温度确定方法，其特征在于，所述根据所述折算系数α，对所述电缆群模型下计算得出的电缆表皮预估温度进行修正，计算出所述电缆群中的各条电缆的表皮实际温度，包括：

根据所述电缆群模型，计算所述电缆群中某一条电缆的表皮温度，得到表皮预估温度T_cal，

所述根据所述折算系数α，对所述电缆群模型下计算得出的电缆表皮预估温度进行修正，得到该电缆的表皮实际温度T_real，其中，T_real=T_cal×α。

6.如权利要求1至5中任一项所述的基于分布式光纤测温的电缆群温度确定方法，其特征在于，读取电缆群导体的电流，根据电缆群模型进行电缆表皮温度仿真计算，得到该电缆群中的第一电缆的表皮预估温度T_c，包括：

读取电缆群导体的电流后，第一电缆的表皮预估温度T_c计算方法如下：

对于第一电缆电缆，列出θ₀～θ₃四个温度点所在的节点方程，式（1）：

$\frac{1}{T_1}{\mathrm{\θ}}_1-\frac{1}{T_1}{\mathrm{\θ}}_2=W+W_d/2$

$-\frac{3}{T_1}{\mathrm{\θ}}_1+(\frac{3}{T_1}+\frac{1}{T_2}){\mathrm{\θ}}_2-\frac{1}{T_2}{\mathrm{\θ}}_3=3W_d/2+3W_3---\left(1\right)$

$-\frac{1}{T_2}{\mathrm{\θ}}_2+(\frac{1}{T_3}+\frac{1}{T_2}){\mathrm{\θ}}_3-\frac{1}{T_3}{\mathrm{\θ}}_0=W_4$

式（1）用矩阵形式表示为：Aθ=W，其中：

$A=\left[\begin{array}{cccc}\frac{1}{T_1},& -\frac{1}{T_1},& 0,& 0\\ -\frac{3}{T_1},& \frac{3}{T_1}+\frac{1}{T_2},& -\frac{1}{T_2},& 0\\ 0,& -\frac{1}{T_2},& \frac{1}{T_2}+\frac{1}{T_3},& -\frac{1}{T_3}\end{array}\right]$

θ=[θ₁ θ₂ θ₃ θ₀]^T

W=[W+W_d/2 3W_d/2+3W₃ W₄]^T

得到θ₀和θ₁的关系，式（2）

θ₁-θ₀＝(W+W_d/2)T₁+(3W+3W_d+3W₃)T₂+(3W+3W_d+3W₃+W₄)T₃ (2)

Aθ=W中θ的第一个数θ₁即为所求的第一电缆导体温度，A由第一电缆的结构和材料参数确定；W由电缆导体损耗、介质损耗以及金属套和屏蔽层损耗确定；矩阵θ中的θ₀通过直接测量获得；在T₁/3上产生的温度降为，式（3）所示：

${\mathrm{\Δ\θ}}_1=3(W_c+\frac{1}{2}{W}_d)\·\frac{1}{3}{T}_1=(W_c+\frac{1}{2}{W}_d)\·T_1---\left(3\right)$

在T₂、T₃和T₄上产生的温度降为，式（4）所示：

△θ₂=[3(W_c+W_d)+W₁]·(T₂+T₃+T₄)=3[W_c(1+λ₁)W_d]·(T₂+T₃+T₄)  (4)

则导体温度为，式（5）所示：

θ_c=θ₀+△θ₁+△θ₂  (5)

重复利用以上公式进行计算，比较每次计算结果，当前一次结果θ_c和后一次结果θ_c’差值小于0.05℃时计算结束，求得电缆的温度分布，计算得到的表皮温度记为T_c；

上述公式中，W为—每相电缆导体及内屏蔽层产生的损耗；W_d为每相绝缘层介质损耗；W₃为每相外屏蔽及金属屏蔽层损耗；W₄为铠装层损耗；单位为W；

θ₁为电缆导体表面温度；θ₂为绝缘外表面及金属屏蔽层温度；θ₃为铠装层温度；θ₀为电缆外护套表面温度；θ_amb为周围环境的温度；单位为K；

T₁为电缆绝缘层热阻；T₂为垫层及内衬层热阻；T₃为电缆外护层热阻；T₄为电缆外部热阻；单位为K/W。

7.一种基于分布式光纤测温的电缆群温度确定装置，其特征在于，包括：

电缆群模型建模模块，用于测量电缆群敷设的环境参数和电缆群中的电缆参数；并根据所述环境参数和电缆参数建立的电缆群模型；

表皮温度预估模块，用于读取电缆群导体的电流，根据电缆群模型进行电缆表皮温度仿真计算，得到该电缆群中的第一电缆的表皮预估温度T_c；

分布式光纤测温装置，用于测量所述电缆群中的第一电缆在轴向上的表皮实际温度T_b；

温度计算及修正模块，用于通过所述第一电缆的表皮预估温度T_c和表皮实际温度T_b，计算电缆的表皮实际温度与所述电缆群模型下计算得出的电缆表皮预估温度之间的折算系数α；并根据所述折算系数α，对所述电缆群模型下计算得出的电缆表皮预估温度T_cal进行修正，计算出所述电缆群中的各条电缆的表皮实际温度。

8.如权利要求7所述的基于分布式光纤测温的电缆群温度确定装置，其特征在于，所述分布式光纤测温装置包括：同步控制单元，激光光源，激光器尾纤，光路耦合器，恒温槽，光纤，分光器，滤波单元，信号接收单元，主机；

同步控制单元用于触发，激光光源产生一光脉冲，并注入激光器尾纤中，再进入传感光纤；光路耦合器用于接收激光在光纤中发生散射后，携带有温度信息的喇曼后向散射光，并耦合至分光器；滤波单元用于分别滤出斯托克斯信号和反斯托克斯信号，两路光信号进行光电转换和放大，然后由信号接收单元采样并转换为数字量，经过滤波单元后，最后主机接收。

9.如权利要求7所述的基于分布式光纤测温的电缆群温度确定装置，其特征在于，温度计算及修正模块包括：

折算系数计算单元，用于通过所述第一电缆的表皮预估温度T_c和表皮实际温度T_b，计算电缆的表皮实际温度与所述电缆群模型下计算得出的电缆表皮预估温度之间的折算系数α；所述折算系数α=T_b/T_c；

表皮实际温度计算单元，用于通过所述表皮温度预估模块获取所述电缆群中某一条电缆的表皮预估温度T_cal，并根据所述折算系数α，对所述电缆表皮预估温度T_cal进行修正，得到该电缆的表皮实际温度T_real，其中，T_real=T_cal×α。

10.如权利要求7至9中任一项所述的基于分布式光纤测温的电缆群温度确定装置，其特征在于，所述分布式光纤测温装置的安装方法包括：

将光缆的专用尾纤熔接于接头盒内，再将接头盒固定；

将尾纤插入主处理机上的光纤插口，顺电缆方向将光缆排于管内，感温光缆与电缆外护套表面呈自然接触状态；

用扎带将光缆固定在电缆表面，并留有裕度；

将测温光纤缠绕在电缆中间接头处，且缠绕光纤展开长度不小于5m。

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