CN105698963A

CN105698963A - 基于声表面波温度传感器的电缆导体温度测量系统及算法

Info

Publication number: CN105698963A
Application number: CN201610178812.4A
Authority: CN
Inventors: 吴立远; 毕建刚; 马国明; 吴震; 杨圆; 郑晴; 常文治; 杜月
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI; North China Electric Power University
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI; North China Electric Power University
Priority date: 2016-03-25
Filing date: 2016-03-25
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2036-03-25
Also published as: CN105698963B

Abstract

本发明属于电缆温度测量技术领域，尤其涉及一种基于声表面波温度传感器的电缆导体温度测量系统及算法，该测量系统包括声表面波温度传感器、数据传输系统、电缆温度监控系统；所述声表面波温度传感器布置在电缆接头表面和电缆本体表面，将采集到的数据通过数据传输系统传递到电缆温度监控系统，并结合电缆表面温度测量值和电缆载流量理论计算方法，通过表面温度和电缆结构参数计算导体温度，从而实现对电缆导体温度的实时监测。解决了传统IEC算法无法解决的由于电缆中间接头处结构复杂、环境恶劣而造成电缆接头处导体温度和本体处导体温度存在较大差异的问题，实现了电缆接头导体温度的测量，大大提高了导体温度测量的便捷性和准确度。

Description

基于声表面波温度传感器的电缆导体温度测量系统及算法

技术领域

本发明属于电缆温度测量技术领域，尤其涉及一种基于声表面波温度传感器的电缆导体温度测量系统及算法。

背景技术

在电缆线路中，电缆接头的运行环境通常是最为恶劣的。首先，电缆接头复杂的结构会导致接头处散热条件很差；其次，为了防止电缆接头烧毁酿成大范围事故，一般电缆接头都运行于防爆箱中，这也会影响到接头的散热。因此，为了判断绝缘老化状况、局部过热点，及时发现安全隐患，同时为了向电力电缆容量动态增容提供依据，对电缆接头温度进行监测，对保障电力系统运行的可靠性、稳定性、经济性有十分重要的作用。

目前电缆温度监测技术主要可以分为接触式测温和非接触式测温。非接触式测温利用红外热成像仪或红外探头通过接收电触头的红外辐射来确定温度，此种方式容易受到设备内部元件对外红外辐射光路遮挡的影响，测温精度较差。接触式测温主要是将传感器安置在待测设备表面，传感器和设备表面紧密贴合，能够较为准确地获取设备温度。但是，由于接头处电缆结构复杂、通风等环境因素影响，电缆导体温度和电缆表皮温度通常差距较大，因此对电缆表皮温度进行测量不能完全反映电缆导体温度。

声表面波(SurfaceAcousticWave，SAW)传感器是一种新型传感器，由于具有高精度、高灵敏度、体积小、质量轻、功耗低等许多优点，引起了国内外研究者的广泛关注。对于运行中电缆的接头温度监测，有源传感器等传感技术有一定的使用时间限制和环境限制，不方便现场巡检。无源传感技术可以克服有源传感器的操作限制，具有更好的使用前景和研究价值。电力电缆产生的无线杂波分布于0.1—100MHz之间，而SAW器件输出的频率大都位于射频范围内，屏蔽了电力电缆带来的噪声干扰，适合于高压电缆接头温度的在线监测。

发明内容

针对上述背景中的问题，我们提出一种基于声表面波温度传感器的电缆导体温度测量系统及算法。

该测量系统包括声表面波温度传感器、数据传输系统、电缆温度监控系统；所述声表面波温度传感器布置在电缆接头表面和电缆本体表面，将采集到的数据通过数据传输系统传递到电缆温度监控系统。

所述声表面波温度传感器包括布置在压电基片两端的叉指换能器(IDT)和反射栅，在叉指换能器两端加上交变电压时，会在叉指换能器下面的压电基片表面和表面附近的空间产生交变电场，并通过逆压电效应在压电基片表面产生相应的弹性形变，从而激发声表面波，通过利用外界温度因素对声表面波传播特性，特别是声表面波传播速度的影响，可以获得与被测物体温度相关的数据。

所述数据传输系统是由温度采集器、测温主控终端、电力专网所组成；温度采集器对各测温点的声表面温度传感器进行数据采集，并通过CAN或者无线传输至测温主控终端，测温主控终端通过电力专网将数据上传至电缆温度监控系统，进行进一步分析计算。

所述声表面温度传感器采用分布式布置方式，并使用导热胶进行固定。

所述温度采集器安装在温度采集轨道车，温度采集轨道车自动运行于电缆隧道或电缆沟中的轨道上，温度采集器自动接收一定范围内的声表面温度传感器所采集的数据，并通过CAN或者无线方式上传至测温主控终端，实现无人自动巡检。

所述算法是以交互式遗传算法(IEC)为基础，利用不同敷设环境下仿真数据和结合110kV电缆试验结果、数值计算结果和IEC计算结果，得到IEC修正公式：

I = k \sqrt{\frac{Δ θ - W_{d} [0.5 T_{1} + n (T_{2} + T_{3} + T_{4})]}{{RT}_{1} + n R (1 + λ_{1}) T_{2} + n R (1 + λ_{1} + λ_{2}) (T_{3} + T_{4})}}

式中：R为最高工作温度下导体的交流电阻(Ω/m)，W_d为绝缘层的介质损耗，λ₁为金属套与屏蔽的损耗系数，λ₂为铠装的损耗系数，W_d为绝缘层的介质损耗，T₁为绝缘层热阻，T₂为内衬及填料热阻，T₃为外护套热阻，T₄为空气中电缆外部热阻，n为电缆中载有负荷的导体数，Δθ为高于环境温度的导体温升，k为修正系数，I为电缆实时负荷。

其中修正系数k的取值如表1所示。

表1修正系数k的取值

敷设方式	修正系数k
		排管敷设	1.24
直埋敷设	1.24
		电缆沟敷设	1.11
隧道敷设	1.11

所述算法还包括利用稳态运行工况下中间接头导体温度和本体导体温度差异，得到110kV单芯电缆接头导体温度计算公式：

θ₁＝α(θ＇₁-θ₀)+θ₀

θ₂＝β(θ＇₂-θ＇₁)+θ₁

式中：θ₁为接头导体计算值温度；θ＇₁为本体导体计算值温度；θ₂为接头表皮计算值温度；θ＇₂为本体表皮计算值温度；θ₀为环境温度；其中修正系数α＝1.25、β＝0.98。

本发明的有益效果在于：设计了一种基于声表面波温度传感器的电缆接头温度测量系统，并结合电缆表面温度测量值和电缆载流量理论计算方法，通过表面温度和电缆结构参数计算导体温度，从而实现对电缆导体温度的实时监测。解决了传统IEC算法无法解决的由于电缆中间接头处结构复杂、环境恶劣而造成电缆接头处导体温度和本体处导体温度存在较大差异的问题，实现了电缆接头导体温度的测量，大大提高了导体温度测量的便捷性和准确度。

附图说明

图1是声表面波器件结构示意图；

图2是数据传输系统示意图；

图3是电缆导体温度计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

如图1所示，声表面波温度传感器包括布置在压电基片两端的叉指换能器(IDT)和反射栅，在叉指换能器两端加上交变电压时，会在叉指换能器下面的压电基片表面和表面附近的空间产生交变电场，并通过逆压电效应在压电基片表面产生相应的弹性形变，从而激发声表面波，通过利用外界温度因素对声表面波传播特性，特别是声表面波传播速度的影响，可以获得与被测物体温度相关的数据。

如图2所示，本发明使用的数据传输系统，SAW温度传感器采用分布式布置方式，并使用导热胶进行固定。同时，该系统使用了轨道车自动温度巡检装置，能够实现无人自动监测。

温度采集轨道车由SAW温度采集器和驱动器构成，该轨道车能够自动运行于电缆隧道或电缆沟中。在运行中，轨道车内部的SAW温度采集器自动接收一定范围内的SAW传感器所测温度数据。测得的数据通过CAN或者无线方式上传至测温主控终端，测温主控终端主要功能是收集所有温度数据，并利用电力专网将温度数据上传至云端电缆温度检测系统。

如图3所示，电缆导体温度计算程序的计算流程图。首先，电缆温度监控系统获得由数据传输系统上传的电缆表皮温度；其次，监控系统判断所得表皮温度是否为接头处表皮温度，不是则利用电缆本体导体温度算法计算导体温度。反之，则用电缆接头导体温度算法计算导体温度；最后，监控系统将分析求得的电缆导体温度数据，判断电缆是否存在局部过热或对动态增容提供指导。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于声表面波温度传感器的电缆导体温度测量系统，其特征在于，包括声表面波温度传感器、数据传输系统、电缆温度监控系统；所述声表面波温度传感器布置在电缆接头表面和电缆本体表面，将采集到的数据通过数据传输系统传递到电缆温度监控系统。

2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述声表面波温度传感器包括布置在压电基片两端的叉指换能器和反射栅，在叉指换能器两端加上交变电压时，会在叉指换能器下面的压电基片表面和表面附近的空间产生交变电场，并通过逆压电效应在压电基片表面产生相应的弹性形变，从而激发声表面波，通过利用外界温度因素对声表面波传播特性，特别是声表面波传播速度的影响，可以获得与被测物体温度相关的数据。

3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述数据传输系统是由温度采集器、测温主控终端、电力专网所组成；温度采集器对各测温点的声表面温度传感器进行数据采集，并通过CAN或者无线传输至测温主控终端，测温主控终端通过电力专网将数据上传至电缆温度监控系统，进行进一步分析计算。

4.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述声表面温度传感器采用分布式布置方式，并使用导热胶进行固定。

5.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述温度采集器安装在温度采集轨道车，温度采集轨道车自动运行于电缆隧道或电缆沟中的轨道上，温度采集器自动接收一定范围内的声表面温度传感器所采集的数据，并通过CAN或者无线方式上传至测温主控终端，实现无人自动巡检。

6.一种基于权利要求1所述声表面波温度传感器的电缆导体温度测量系统的算法，其特征在于，该算法是以IEC算法为基础，利用不同敷设环境下仿真数据和结合110kV电缆试验结果、数值计算结果和IEC计算结果，得到IEC修正公式：

I = k \sqrt{\frac{Δ θ - W_{d} [0.5 T_{1} + n (T_{2} + T_{3} + T_{4})]}{{RT}_{1} + n R (1 + λ_{1}) T_{2} + n R (1 + λ_{1} + λ_{2}) (T_{3} + T_{4})}}

式中：R为最高工作温度下导体的交流电阻，单位Ω/m，W_d为绝缘层的介质损耗，λ₁为金属套与屏蔽的损耗系数，λ₂为铠装的损耗系数，W_d为绝缘层的介质损耗，T₁为绝缘层热阻，T₂为内衬及填料热阻，T₃为外护套热阻，T₄为空气中电缆外部热阻，n为电缆中载有负荷的导体数，Δθ为高于环境温度的导体温升，k为修正系数，I为电缆实时负荷。

7.根据权利要求6所述算法，其特征在于，该算法还包括利用稳态运行工况下中间接头导体温度和本体导体温度差异，得到110kV单芯电缆接头导体温度计算公式：

θ₁＝α(θ′₁-θ₀)+θ₀

θ₂＝β(θ′₂-θ′₁)+θ₁

式中：θ₁为接头导体计算值温度；θ′₁为本体导体计算值温度；θ₂为接头表皮计算值温度；θ′₂为本体表皮计算值温度；θ₀为环境温度；其中修正系数α＝1.25、β＝0.98。