CN105157872B - 一种电缆温度监测方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电缆温度监测方法及其装置，该方法是将该光源分为第一本地布里渊光和第二本地布里渊光，声光调制器将第二本地布里渊光转换为脉冲光，并通过光开关将该脉冲光发送至感温光缆；光开关后向数据处理单元发送脉冲光的入射信号；感温光缆产生后向散射光传输至信号处理模块；信号处理模块对第一本地布里渊光和后向散射光进行拍频处理，得到低频布里渊散射频移信号，并将该低频布里渊散射频移信号发送至数据处理单元；数据处理单元根据低频布里渊散射频移信号解调得到实时电缆温度数据，将实时电缆温度数据与预设的温度限制值比较得知电缆运行情况，将该实时电缆温度数据代入相应的电缆绝缘层温度数学模型，得到电缆绝缘层径向温度分布。

Description

一种电缆温度监测方法及其装置
技术领域
本发明涉及电力设备监测技术领域，尤其涉及一种电缆温度监测方法及其装置。
背景技术
随着我国经济的迅速发展，国民生产方面和生活中对电能的需求日益增加，同时电力电缆在城市电网系统的应用越来越多。电力电缆运行时，导体、绝缘层和金属屏蔽层都会产生损坏而引起电缆发热，使各部分的工作温度升高，而温度过高会影响绝缘材料的绝缘性能，引起绝缘老化，缩短电缆使用寿命，严重情况会导致火灾及停电事故；导体温度值也是确定电缆载流量的重要特征值，因此很有必要在电缆运行过程中对电缆各层的温度分布情况进行实时监测。
目前监测电缆温度的方法主要由热电偶法、光纤光栅监测方法、分布式光纤监测技术等，其中热电偶法应用较多，但是此法一般只是监测电缆局部温度，不能通过数据完全计算出电缆载流量，此方法在精度和稳定性上也有一定不足；光纤光栅监测方法是通过预埋在电缆本体中的光纤光栅传感器监测电缆温度，此法稳定性得到一定提高，但是只能实现准分布式测量电缆温度，光纤光栅传感器数量会增加投入成本；分布式光纤传感技术具有抗电磁干扰、连续测量光纤沿电缆各点的温度，在电缆测温的工程中也得到一定的应用。基于拉曼散射的分布式光纤测温系统的技术已经非常成熟，已被用于电缆的实时温度监测。但由于拉曼散射的光强度较弱，需要用到多模光纤，同时受技术所限，光纤敷设方式一般在电缆表面，其监测结果容易受外部环境影响，较难精确推算出导体温度，目前此方法所实现的监测距离短，不能满足工程应用需求。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的之一在于提供一种电缆温度监测方法，其能够实时监测电缆温度，能够及时发现电缆温度是否超标。
为实现上述目的之一，本发明采用如下技术方案：
一种电缆温度监测方法，包括如下步骤：
步骤一：第一耦合器接收光源设备的光源后将该光源分为第一本地布里渊光和第二本地布里渊光，并将第一本地布里渊光通过本地布里渊激光器发送至信号处理模块，同时将第二本地布里渊光发送至声光调制器；
步骤二：声光调制器将第二本地布里渊光转换为脉冲光，并通过光开关将该脉冲光发送至感温光缆；
步骤三：光开关接收到脉冲光后向数据处理单元发送脉冲光的入射信号，数据处理单元根据该入射信号得到脉冲光从光开关入射至感温光缆的时间点，记为t1；
步骤四：感温光缆接收到脉冲光后产生后向散射光，该后向散射光传输至信号处理模块；
步骤五：信号处理模块对第一本地布里渊光和后向散射光进行拍频处理，得到低频布里渊散射频移信号，并将该低频布里渊散射频移信号发送至数据处理单元；
步骤六：数据处理单元接收低频布里渊散射频移信号后得到低频布里渊散射频移信号的接收时间点，记为t2，数据处理单元根据公式Z＝Ct/2n计算得到光散射的位置，其中，C为真空光速，n为光纤折射率，t＝t1-t2；同时，数据处理单元根据低频布里渊散射频移信号解调得到实时电缆温度数据，并将实时电缆温度数据代入相应的电缆绝缘层温度数学模型，得到电缆绝缘层径向温度分布；
步骤七：数据处理单元判断实时电缆温度数据是否高于预设的温度限制值，若是，则说明电缆运行故障，否则，说明电缆运行正常。
优选的，所述步骤二具体包括如下子步骤：
步骤a1：声光调制器将第二本地布里渊光转换为脉冲光发送至光纤放大器；
步骤a2：光纤放大器将脉冲光进行放大后通过环形器发送至光开关。
进一步优选的，所述信号处理模块包括第二耦合器、双平衡探测器、微波信号放大器，所述第二耦合器用于接收第一本地布里渊光和后向散射光，并将第一本地布里渊光和后向散射光进行拍频处理得到低频布里渊散射频移信号；所述低频布里渊散射频移信号依次经过双平衡探测器和微波信号放大器输送至数据处理单元。
优选的，当感温光缆设于电缆导体中心时，所述实时电缆温度数据为电缆导体中心实时温度，并记为T1，其电缆绝缘层温度数学模型为当感温光缆设于电缆绝缘层表面时，所述实时电缆温度数据为电缆绝缘层表面实时温度，并记为T2，其电缆绝缘层温度数学模型为当感温光缆设于电缆阻水带时，所述实时电缆温度数据为电缆阻水带实时温度，并记为T3，其电缆温度数学模型为其中，QC＝I2RC，λ1为电缆绝缘层的导热系数，λ2为电缆阻水带的导热系数；γ为电缆绝缘层等值电导率；r1为电缆导体半径；r2为电缆绝缘层外半径；r3为电缆阻水层外半径；U0为相电压；I为导体电流；RC为单位长度在允许工作温度下每相导体的交流电阻或直流电阻；r为电缆绝缘层任意一点到电缆中心的距离。
另一方面，本发明的目的之二在于提供一种电缆温度监测装置；
为实现上述目的之二，本发明采用如下技术方案：
一种电缆温度监测装置，包括第一耦合器、本地布里渊激光器、信号处理模块、声光调制器、光开关、感温光缆、数据处理单元以及显示器；
所述第一耦合器用于将来自光源设备的光源分为第一本地布里渊光和第二本地布里渊光，并将第一本地布里渊光通过本地布里渊激光器发送至信号处理模块，同时将第二本地布里渊光发送至声光调制器；
所述声光调制器用于将第二本地布里渊光转换为脉冲光，并通过光开关将该脉冲光发送至感温光缆；
所述光开关用于接收到脉冲光后向数据处理单元发送脉冲光的入射信号；
所述感温光缆用于接收到脉冲光后产生后向散射光传输至信号处理模块；
所述信号处理模块用于对第一本地布里渊光和后向散射光进行拍频处理，得到低频布里渊散射频移信号，并将该低频布里渊散射频移信号发送至数据处理单元；
所述数据处理单元用于根据该入射信号得到脉冲光从光开关入射至感温光缆的时间点，记为t1，接收低频布里渊散射频移信号后得到低频布里渊散射频移信号的接收时间点，记为t2，根据公式Z＝Ct/2n计算得到光散射的位置，根据低频布里渊散射频移信号处理得到实时电缆温度数据，并将实时电缆温度数据发送至显示器，同时该实时电缆温度数据代入相应的电缆绝缘层温度数学模型，得到电缆绝缘层径向温度分布，并判断实时电缆温度数据是否高于预设的温度限制值，若是，则说明电缆运行故障，否则，说明电缆运行正常，其中，C为真空光速，n为光纤折射率，t＝t1-t2。
优选的，所述电缆温度监测装置还包括光纤放大器和环形器，所述光纤放大器用于将脉冲光进行放大后发送至环形器，所述环形器用于将放大后的脉冲光发送至光开关。
优选的，所述信号处理模块包括第二耦合器、双平衡探测器、微波信号放大器，所述第二耦合器用于接收第一本地布里渊光和后向散射光，并将第一本地布里渊光和后向散射光进行拍频处理得到低频布里渊散射频移信号；所述低频布里渊散射频移信号依次经过双平衡探测器和微波信号放大器输送至数据处理单元。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明采用基于布里渊分布式光纤技术的测温方法对电缆线路温度进行实时动态监测。同时，可对预先植入到电缆导体中心、电缆绝缘层表面和电缆阻水带的多路感温光缆进行同时监测，实时掌握电缆运行时电缆温度立体式分布信息。不仅可以精确检测电缆温度是否过高，同时可以得知实施电缆温度数据所对应的位置，两者结合，当判断到电缆温度过高时，可准确对温度过高的位置进行维护，效率高，成本低。
附图说明
图1为本发明的一种电缆温度监测方法的流程图；
图2为本发明的一种电缆温度监测装置的框架图；
其中，1、第一耦合器；2、本地布里渊激光器；3、声光调制器；4、第二耦合器；5、双平衡探测器；6、微波信号放大器；7、数据处理单元；8、光开关；9、感温光缆；10、光纤放大器；11、环形器；12、显示器。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
如图1所示，本实施例的一种电缆温度监测方法，主要应用于主机中，主机包括第一耦合器、本地布里渊激光器、声光调制器、数据处理单元、信号处理模块，主机接收来自外部光源设备的光源，在本实施例的电缆温度监测中还需要使用到光开关、多个感温光缆，光开关与主机连接，光开关的端口为8X1，该光开关通过法兰盘、光纤连接器与感温光缆连接，感温光缆分别置于电缆中不同的位置，不同位置的感温光缆分别连接光开关不同的端口，具体包括步骤如下：
步骤s1：第一耦合器接收光源设备的光源后将该光源分为第一本地布里渊光和第二本地布里渊光，并将第一本地布里渊光通过本地布里渊激光器发送至信号处理模块，同时将第二本地布里渊光发送至声光调制器；
步骤s2：声光调制器将第二本地布里渊光转换为脉冲光，并通过光开关将该脉冲光发送至感温光缆；
步骤s3：光开关接收到脉冲光后向数据处理单元发送脉冲光的入射信号，数据处理单元根据该入射信号得到脉冲光从光开关入射至感温光缆的时间点，记为t1；
步骤s4：感温光缆接收到脉冲光后产生后向散射光，该后向散射光传输至信号处理模块；
步骤s5：信号处理模块对第一本地布里渊光和后向散射光进行拍频处理，得到低频布里渊散射频移信号，并将该低频布里渊散射频移信号发送至数据处理单元；所谓拍频，在声学上两个频率相近但不同的声波的干涉，所得到的干涉信号的频率是原先两个声波的频率之差，因此也叫差频，在光学和电子学中，拍频是指两个频率不同的信号进行合波后得到频率为两者之差的新信号。由于后向散射光频率较高，后续无法使用，需要进行处理降低频率，本步骤中所采用拍频处理的方式，其成本高、效率低。
步骤s6：数据处理单元接收低频布里渊散射频移信号后得到低频布里渊散射频移信号的接收时间点，记为t2，数据处理单元根据现有的公式Z＝Ct/2n计算得到光散射的位置，其中，C为真空光速，n为光纤折射率，t＝t1-t2；同时，数据处理单元根据低频布里渊散射频移信号解调得到实时电缆温度数据，由于温度的高低不同，则光波信号的频率也会有所不同，根据这个差异，数据处理单元可以从低频布里渊散射频移信号中通过解调等方式得到实时电缆温度数据，其具体处理方法由现有技术可获知，并将实时电缆温度数据代入相应的电缆绝缘层温度数学模型，得到电缆绝缘层径向温度分布，同时也将实时电缆温度数据发送至显示器；
步骤s7：数据处理单元判断实时电缆温度数据是否高于预设的温度限制值，若是，则说明电缆运行故障，否则，说明电缆运行正常。显示器将实时电缆温度沿感温光缆长度(横向)上的分布显示出来，工作人员通过显示器可以将实时电缆温度与预设的温度限制值进行直观的比较，可以更快的采取相应的措施。
在上述步骤s2中，经过声光调制器产生的脉冲光功率较小，作为一种较佳方式，步骤s2具体包括子步骤a1和子步骤a2，
步骤a1：声光调制器将第二本地布里渊光转换为脉冲光发送至光纤放大器；
步骤a2：光纤放大器将脉冲光进行放大后通过环形器发送至光开关。
信号处理模块包括第二耦合器、双平衡探测器、微波信号放大器，所述第二耦合器用于接收第一本地布里渊光和后向散射光，并将第一本地布里渊光和后向散射光进行拍频处理得到低频布里渊散射频移信号；低频布里渊散射频移信号依次经过双平衡探测器和微波信号放大器输送至数据处理单元。双平衡探测器用于对低频布里渊散射频移信号进行滤波处理。
本实施例的感温光缆设于电缆导体中心、电缆绝缘层和电缆阻水带的位置，能够从多个位置监测电缆绝缘层温度，使得监测范围更加全面和广泛。当感温光缆设于电缆导体中心时，所述实时电缆温度数据为电缆导体中心实时温度，并记为T1，其电缆绝缘层温度数学模型为当感温光缆设于电缆绝缘层表面时，所述实时电缆温度数据为电缆绝缘层表面实时温度，并记为T2，其电缆绝缘层温度数学模型为当感温光缆设于电缆阻水带时，所述实时电缆温度数据为电缆阻水带实时温度，并记为T3，其电缆绝缘层温度数学模型为其中，QC＝I2RC， λ1为电缆绝缘层的导热系数，λ2为电缆阻水带的导热系数；γ为电缆绝缘层等值电导率；r1为电缆导体半径；r2为电缆绝缘层外半径；r3为电缆阻水层外半径；U0为相电压；I为导体电流；RC为单位长度在允许工作温度下每相导体的交流电阻或直流电阻；r为电缆绝缘层任意一点到电缆中心的距离。通过本实施例的监测方法，既可以从多个位置精确监测电缆温度是否过高，同时也可以精确得知实时电缆温度数据所对应的电缆位置，从而当判定为电缆温度过高时，可以对症下药，准确对温度过高的位置进行维护。通过电缆绝缘层温度数学模型的建立，可以得到电缆绝缘层径向分布的温度，从而可以更全面的了解电缆温度分布，以便更好的对电缆进行维护和管理。
本实施例的电缆绝缘层温度数学模型建立过程如下：
当分别考虑电缆导体中心损耗QC和介质损耗Qi单独作用产生的绝缘层温升泊松方程为：
若电缆导体中心温度已知，则初始条件为：根据分别求解以上两个方程可得：
当考虑电缆导体中心损耗QC和介质损耗Qi共同作用，根据叠加定理，其电缆绝缘层温度分布为，以电缆导体中心实时温度T1已知为例：
若电缆绝缘线表面实时温度T2已知，类比上式可得，绝缘层温度分布为：
若电缆阻水层实时温度T3已知，根据热路方程T2＝T3+(QC+Qi)R2，代入上式得到绝缘层温度分布为：
另外，参见图2，本实施例还提供一种电缆监测装置，包括第一耦合器1、本地布里渊激光器2、信号处理模块、声光调制器3、光开关8、感温光缆9、数据处理单元7以及显示器12；
第一耦合器1用于将来自光源设备的光源分为第一本地布里渊光和第二本地布里渊光，并将第一本地布里渊光通过本地布里渊激光器2发送至信号处理模块，同时将第二本地布里渊光发送至声光调制器3；
声光调制器3用于将第二本地布里渊光转换为脉冲光，并通过光开关将该脉冲光发送至感温光缆9；
光开关8用于接收到脉冲光后向数据处理单元7发送脉冲光的入射信号；
感温光缆9用于接收到脉冲光后产生后向散射光传输至信号处理模块；
信号处理模块用于对第一本地布里渊光和后向散射光进行拍频处理，得到低频布里渊散射频移信号，并将该低频布里渊散射频移信号发送至数据处理单元7；
数据处理单元7用于根据该入射信号得到脉冲光从光开关8入射至感温光缆的时间点，记为t1，接收低频布里渊散射频移信号后得到低频布里渊散射频移信号的接收时间点，记为t2，根据公式Z＝Ct/2n计算得到光散射的位置，根据低频布里渊散射频移信号处理得到实时电缆温度数据，并将实时电缆温度数据发送至显示器12，同时该实时电缆温度数据代入相应的电缆绝缘层温度数学模型，得到电缆绝缘层径向温度分布，并判断实时电缆温度数据是否高于预设的温度限制值，若是，则说明电缆运行故障，否则，说明电缆运行正常，其中，C为真空光速，n为光纤折射率，t＝t1-t2.
相应的，电缆温度监测装置还包括光纤放大器10和环形器11，光纤放大器10用于将脉冲光进行放大后发送至环形器11，环形器11用于将放大后的脉冲光发送至光开关8。信号处理模块包括第二耦合器4、双平衡探测器5、微波信号放大器6，第二耦合器4用于接收第一本地布里渊光和后向散射光，并将第一本地布里渊光和后向散射光进行拍频处理得到低频布里渊散射频移信号；低频布里渊散射频移信号依次经过双平衡探测器5和微波信号放大器6输送至数据处理单元7。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电缆温度监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：第一耦合器接收光源设备的光源后将该光源分为第一本地布里渊光和第二本地布里渊光，并将第一本地布里渊光通过本地布里渊激光器发送至信号处理模块，同时将第二本地布里渊光发送至声光调制器；
步骤二：声光调制器将第二本地布里渊光转换为脉冲光，并通过光开关将该脉冲光发送至感温光缆；
步骤三：光开关接收到脉冲光后向数据处理单元发送脉冲光的入射信号，数据处理单元根据该入射信号得到脉冲光从光开关入射至感温光缆的时间点，记为t1；
步骤四：感温光缆接收到脉冲光后产生后向散射光，该后向散射光传输至信号处理模块；
步骤五：信号处理模块对第一本地布里渊光和后向散射光进行拍频处理，得到低频布里渊散射频移信号，并将该低频布里渊散射频移信号发送至数据处理单元；
步骤六：数据处理单元接收低频布里渊散射频移信号后得到低频布里渊散射频移信号的接收时间点，记为t2，数据处理单元根据公式Z＝Ct/2n计算得到光散射的位置，其中，C为真空光速，n为光纤折射率，t＝t1-t2；同时，数据处理单元根据低频布里渊散射频移信号解调得到实时电缆温度数据，并将该实时电缆温度数据代入相应的电缆绝缘层温度数学模型，得到电缆绝缘层径向温度分布；
步骤七：数据处理单元判断实时电缆温度数据是否高于预设的温度限制值，若是，则说明电缆运行故障，否则，说明电缆运行正常。
2.如权利要求1所述的电缆温度监测方法，其特征在于：所述步骤二具体包括如下子步骤：
步骤a1：声光调制器将第二本地布里渊光转换为脉冲光发送至光纤放大器；
步骤a2：光纤放大器将脉冲光进行放大后通过环形器发送至光开关。
3.如权利要求2所述的电缆温度监测方法，其特征在于：所述信号处理模块包括第二耦合器、双平衡探测器、微波信号放大器，所述第二耦合器用于接收第一本地布里渊光和后向散射光，并将第一本地布里渊光和后向散射光进行拍频处理得到低频布里渊散射频移信号；所述低频布里渊散射频移信号依次经过双平衡探测器和微波信号放大器输送至数据处理单元。
4.如权利要求1所述的电缆温度监测方法，其特征在于：当感温光缆设于电缆导体中心时，所述实时电缆温度数据为电缆导体中心实时温度，并记为T1，其电缆绝缘层温度数学模型为当感温光缆设于电缆绝缘层表面时，所述实时电缆温度数据为电缆绝缘层表面实时温度，并记为T2，其电缆绝缘层温度数学模型为当感温光缆设于电缆阻水带时，所述实时电缆温度数据为电缆阻水带实时温度，并记为T3，其电缆温度数学模型为 其中，QC＝I2RC，λ1为电缆绝缘层的导热系数，λ2为电缆阻水带的导热系数；γ为电缆绝缘层等值电导率；r1为电缆导体半径；r2为电缆绝缘层外半径；r3为电缆阻水层外半径；U0为相电压；I为导体电流；RC为单位长度在允许工作温度下每相导体的交流电阻或直流电阻；r为电缆绝缘层任意一点到电缆中心的距离。
5.一种电缆温度监测装置，其特征在于，包括第一耦合器、本地布里渊激光器、信号处理模块、声光调制器、光开关、感温光缆、数据处理单元以及显示器；
所述第一耦合器用于将来自光源设备的光源分为第一本地布里渊光和第二本地布里渊光，并将第一本地布里渊光通过本地布里渊激光器发送至信号处理模块，同时将第二本地布里渊光发送至声光调制器；
所述声光调制器用于将第二本地布里渊光转换为脉冲光，并通过光开关将该脉冲光发送至感温光缆；
所述光开关用于接收到脉冲光后向数据处理单元发送脉冲光的入射信号；
所述感温光缆用于接收到脉冲光后产生后向散射光传输至信号处理模块；
所述信号处理模块用于对第一本地布里渊光和后向散射光进行拍频处理，得到低频布里渊散射频移信号，并将该低频布里渊散射频移信号发送至数据处理单元；
所述数据处理单元用于根据该入射信号得到脉冲光从光开关入射至感温光缆的时间点，记为t1，接收低频布里渊散射频移信号后得到低频布里渊散射频移信号的接收时间点，记为t2，根据公式Z＝Ct/2n计算得到光散射的位置，根据低频布里渊散射频移信号处理得到实时电缆温度数据，并将实时电缆温度数据发送至显示器，同时该实时电缆温度数据代入相应的电缆绝缘层温度数学模型，得到电缆绝缘层径向温度分布，并判断实时电缆温度数据是否高于预设的温度限制值，若是，则说明电缆运行故障，否则，说明电缆运行正常，其中，C为真空光速，n为光纤折射率，t＝t1-t2。
6.如权利要求5所述的电缆温度监测装置，其特征在于，所述电缆温度监测装置还包括光纤放大器和环形器，所述光纤放大器用于将脉冲光进行放大后发送至环形器，所述环形器用于将放大后的脉冲光发送至光开关。
7.如权利要求5所述的电缆温度监测装置，其特征在于，所述信号处理模块包括第二耦合器、双平衡探测器、微波信号放大器，所述第二耦合器用于接收第一本地布里渊光和后向散射光，并将第一本地布里渊光和后向散射光进行拍频处理得到低频布里渊散射频移信号；所述低频布里渊散射频移信号依次经过双平衡探测器和微波信号放大器输送至数据处理单元。
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