CN107422215A - 一种基于分布式光纤测温技术的电缆载流量监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分布式光纤测温技术的电缆载流量监测系统，包括信号处理主机，测温光纤，载流量计算服务器，信号处理主机分别与载流量计算服务器和测温光纤相连接，测温光纤缠绕于被测电缆表面。本发明测温光纤环绕于电缆表面至少一圈，可以精确获取电缆横向和纵向各部分的温度信息，以解决传统热电偶法测量的精度较差，只能测量线路的局部温度的问题；本发明采用分布式光纤测温技术和传热学数值计算结合的方法，由电缆表面温度推导电缆的载流量，以解决热电偶法不能通过数据完全计算出电缆的实时载流量、IEC60287标准计算法只能满足简单场景下的载流量计算以及计算误差较大的问题。
Description
技术领域
本发明属于电力设备技术领域，特别是涉及一种基于分布式光纤测温技术的电缆载流量监测方法及系统。
背景技术
随着社会发展与科技进步，电能作为清洁能源在人类社会中扮演了越来越重要的角色。输电线缆作为电流传输过程中的重要载体，其安全状态对于保障人民生活和工业正常发展至关重要，如何在保障其长期安全可靠地运行的前提下，合理确定输电线缆的载流量，有着重要意义。
运行温度是电缆的一个重要参数，随着载流量的增加，其运行温度升高，当超过一定温度，电缆绝缘体会迅速老化导致使用寿命降低。
电缆载流量的计算一般是根据IEC60287标准进行计算，但此标准只可满足简单场景下的载流量计算，在应用于复杂环境时，存在一定的局限性，如当电缆敷设环境与其设定的基准参数不同时，需要通过大量试验来确定相应的校正系数。
传统的电缆载流量监测的方法主要是热电偶法，其具有成本低，操作简单等特点，但是测量的精度较差，而且获得的只是线路的局部温度，更不能通过数据完全计算出电缆的实时载流量，尤其对于电缆内部包含馈电线和中性线，其不同部位的温度会有差异。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于分布式光纤测温技术的电缆载流量监测方法及系统：
1、本发明测温光纤环绕于电缆表面至少一圈，可以精确获取电缆横向和纵向各部分的温度信息，以解决传统热电偶法测量的精度较差，只能测量线路的局部温度的问题；
2、本发明采用分布式光纤测温技术和传热学数值计算结合的方法，由电缆表面温度推导电缆的载流量，以解决热电偶法不能通过数据完全计算出电缆的实时载流量、IEC60287标准计算法只能满足简单场景下的载流量计算以及计算误差较大的问题。
本发明的技术方案是：
一种基于分布式光纤测温技术的电缆载流量监测系统，包括信号处理主机，测温光纤，载流量计算服务器，信号处理主机分别与载流量计算服务器和测温光纤相连接，测温光纤缠绕于被测电缆表面。
所述信号处理主机包括调制激光器、隔离器、分路器、波分复用器、光电二极管探测器、雪崩光电二极管a探测器、雪崩光电二极管b探测器、信号处理与控制系统、信号驱动器，调制激光器、隔离器、分路器、波分复用器与测温光纤依次电气连接形成第一条支路，分路器再与光电二极管探测器电气连接形成第二条支路，波分复用器分别与雪崩光电二极管a探测器、雪崩光电二极管b探测器电气连接形成第三条、第四条支路，光电二极管探测器、雪崩光电二极管a探测器、雪崩光电二极管b探测器分别连接信号处理与控制系统，信号处理与控制系统再依次与信号发生器、调制激光器电气相连。
所述载流量计算服务器包括电流采集模块、载流量计算模块、报警监控模块，电流采集模块与载流量计算模块、报警监控模块依次进行电气连接。
一种基于分布式光纤测温技术的电缆载流量监测系统，监测方法包括以下步骤：
步骤1：信号驱动器控制调制激光器产生重复频率的激光脉冲，通过隔离器，进入分路器；
步骤2：经过分路器分离的光信号，其中0.1％的光被光电二极管探测器探测后转变成电信号，进入信号处理与控制系统并作为初始相位参考信号，99.9％的光信号经波分复用器进入到测温光纤中；
步骤3：测温光纤中光信号发生拉曼散射，产生斯托克斯光和反斯托克斯光，通过波分复用器进行滤波，将斯托克斯光和反斯托克斯光分离；
步骤4：分离出的斯托克斯光和反斯托克斯光分别入射到雪崩光电二极管a探测器和雪崩光电二极管b探测器，将光信号转变为电信号并进入信号处理与控制系统进行处理分析，解调出光纤沿线的温度信息；
步骤5：载流量计算服务器中电流采集模块通过测温光纤获取电缆的实时电流信息，并接收来自信号处理主机的温度信息，输送于载流量计算模块，对载流量和导体内部温度进行计算；
步骤6：根据载流计算模块的计算结果，当电缆实时电流大于载流量计算值时，触发报警监控模块，产生预警信息。
一种基于分布式光纤测温技术的电缆载流量监测系统，所述的载流量计算模块计算方法为稳态热分析法，计算式为：
式中T为点处的温度，单位℃；qv为体积发热率，W/m3。
一种基于分布式光纤测温技术的电缆载流量系统，监测方法步骤5所述的载流量计算模块，包括以下计算步骤：
步骤5.1：建立电缆结构模型；
步骤5.2：对模型各材料参数进行选择和设定；
步骤5.3：对模型进行网格设定和刨分单元格；
步骤5.4：对模型设置边界条件；边界控制方程式为
T＝T(x,y)|r
式中，T为(x,y)点处的温度，单位℃；λ为电缆周边空气的导热系数，单位W/(m·K)；α为空气的换热系数，单位W/(m2·℃)；为边界法向量；为物体边界；q为已知热流密度值，单位W/㎡；
步骤5.5：对电缆施加电流，产生焦耳热，对温度场分析；导体的生热率式中IC为电缆负荷电流，Rc为导体交流电阻。
步骤5.6：获取电缆横向和纵向各部分的温度信息，计算电缆临界温度时的载流量。
本发明的有益效果：
一种基于分布式光纤测温技术的电缆载流量监测系统，包括信号处理主机、测温光纤、载流量计算服务器，载流量计算服务器中电流采集模块通过缠绕于被测电缆的测温光纤获取电缆的实时电流信息，并接收来自信号处理主机的温度信息，然后输送于载流量计算模块，对载流量和导体内部温度进行计算；本发明测温光纤环绕于电缆表面至少一圈，可以精确获取电缆横向和纵向各部分的温度信息，以解决传统热电偶法测量的精度较差，只能测量线路的局部温度的问题；本发明采用分布式光纤测温技术和传热学数值计算结合的方法，由电缆表面温度推导电缆的载流量，以解决热电偶法不能通过数据完全计算出电缆的实时载流量、IEC60287标准计算法只能满足简单场景下的载流量计算以及计算误差较大的问题。
附图说明：
图1是本发明的结构示意框图；
图2是本发明分布式光纤测温系统框图；
图3是本发明载流量计算流程图；
图4是电缆结构模型图；
图5是电缆模型本体刨分图；
图6是电缆本体温度分布图；
图中标号：1、信号处理主机；2、测温光纤；3、载流量计算服务器；4、调制激光器；5、隔离器；6、分路器；7、波分复用器；8、光纤出入口；9、光电二极管探测器；10、雪崩光电二极管a探测器；11、雪崩光电二极管b探测器；12、信号处理与控制系统；13、信号发生器；17、馈电线；18、XLPE绝缘层；19、填充层；20、内护套；21、外护套；22、中性线。
具体实施方式：
一种基于分布式光纤测温技术的电缆载流量监测系统，包括信号处理主机1，测温光纤2，载流量计算服务器3，信号处理主机1分别与载流量计算服务器3和测温光纤2相连接，测温光纤2缠绕于被测电缆表面。
所述信号处理主机1包括调制激光器4、隔离器5、分路器6、波分复用器7、光电二极管探测器9、雪崩光电二极管a探测器10、雪崩光电二极管b探测器11、信号处理与控制系统12、信号驱动器13，调制激光器4、隔离器5、分路器6、波分复用器7与测温光纤2依次电气连接形成第一条支路，分路器6再与光电二极管探测器9电气连接形成第二条支路，波分复用器7分别与雪崩光电二极管a探测器10、雪崩光电二极管b探测器11电气连接形成第三条、第四条支路，光电二极管探测器9、雪崩光电二极管a探测器10、雪崩光电二极管b探测器11分别连接信号处理与控制系统12，信号处理与控制系统12再依次与信号发生器13、调制激光器1电气相连。
所述载流量计算服务器3包括电流采集模块14、载流量计算模块15、报警监控模块16，电流采集模块14与载流量计算模块15、报警监控模块16依次进行电气连接。
所述的一种基于分布式光纤测温技术的电缆载流量监测系统，监测方法包括以下步骤：
步骤1：信号驱动器13控制调制激光器4产生重复频率的激光脉冲，通过隔离器5，进入分路器6；以达到通过隔离器5阻止反射光，避免光路中的回波对光源的干扰和损害的效果。
步骤2：经过分路器6分离的光信号，其中0.1％的光被光电二极管探测器9探测后转变成电信号，进入信号处理与控制系统12并作为初始相位参考信号，99.9％的光信号经波分复用器7进入到测温光纤2中；
步骤3：测温光纤2中光信号发生拉曼散射，产生斯托克斯光和反斯托克斯光，通过波分复用器7进行滤波，将斯托克斯光和反斯托克斯光分离；
步骤4：分离出的斯托克斯光和反斯托克斯光分别入射到雪崩光电二极管a探测器10和雪崩光电二极管b探测器11，将光信号转变为电信号并进入信号处理与控制系统12进行处理分析，解调出光纤沿线的温度信息；通过雪崩光电二极管a探测器10及雪崩二极管b探测器11的雪崩倍增效应有效放大光电信号，提高信号处理与控制系统12对光信号的检测灵敏度。
步骤5：载流量计算服务器3中电流采集模块14通过测温光纤2获取电缆的实时电流信息，并接收来自信号处理主机12的温度信息，输送于载流量计算模块15，对载流量和导体内部温度进行计算；
步骤6：根据载流计算模块15的计算结果，当电缆实时电流大于载流量计算值时，触发报警监控模块16产生预警信息；根据预警信息，运维人员通过调整负荷降低电缆的实时电流，保证输电电缆安全稳定运行，增加输电电缆使用寿命。
一种基于分布式光纤测温技术的电缆载流量监测系统，所述的载流量计算模块15计算方法为稳态热分析法，计算式为：
式中T为点处的温度，单位℃；qv为体积发热率，W/m3。
一种基于分布式光纤测温技术的电缆载流量系统，监测方法步骤5所述的载流量计算模块15，包括以下计算步骤：
步骤5.1：根据电缆的实际结构，基于COMSOL仿真软件建立电缆结构模型，包括馈电线17、XLPE绝缘层18、填充层19、内护套20、外护套21、中性线22；
步骤5.2：对模型各材料参数进行选择和设定；从COMSOL仿真软件材料库中对电缆模型各部分参数进行选择和设定，包括热导率，导热系数，电阻率，密度，比热等物理量。
步骤5.3：对模型进行网格设定和刨分单元格；采用对电缆模型温度梯度变化较大的区域进行加密网格划分，其它区域则进行稍大网格划分；
步骤5.4：对模型设置边界条件；架空输电电缆边界条件属于电缆传热问题三类边界条件中的第三类，流体温度即为电缆表面空气温度，边界的控制方程如下式：
T＝T(x,y)|r
式中，T为(x,y)点处的温度，单位℃；λ为电缆周边空气的导热系数，单位W/(m·K)；α为空气的换热系数，单位W/(m2·℃)；为边界法向量；为物体边界；q为已知热流密度值，单位W/㎡；
步骤5.5：对电缆施加电流，产生焦耳热，对温度场计算分析；整个温度场域只有电缆产生热量，电缆产生的热量包括导体损耗、介质损耗、金属屏蔽层损耗和铠装层损耗产生的热量，导体的生热率式中IC为电缆负荷电流，Rc为导体交流电阻。
步骤5.6：获取测温光纤2测出的电缆横向和纵向各部分的温度信息，计算电缆临界温度时的载流量；采用对分法确定电缆缆芯70℃的生热率，其值将很快收敛，相对应的载流量也就确定，即当电缆缆芯温度达到70℃时的电流值为在规定敷设条件下此种电缆的载流量。
Claims (6)
1.一种基于分布式光纤测温技术的电缆载流量监测系统，包括信号处理主机(1)，测温光纤(2)，载流量计算服务器(3)，其特征在于：信号处理主机(1)分别与载流量计算服务器(3)和测温光纤(2)相连接，测温光纤(2)缠绕于被测电缆表面。
2.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤测温技术的电缆载流量监测系统，其特征在于：所述信号处理主机(1)包括调制激光器(4)、隔离器(5)、分路器(6)、波分复用器(7)、光电二极管探测器(9)、雪崩光电二极管a探测器(10)、雪崩光电二极管b探测器(11)、信号处理与控制系统(12)、信号驱动器(13)，调制激光器(4)、隔离器(5)、分路器(6)、波分复用器(7)与测温光纤(2)依次电气连接形成第一条支路，分路器(6)再与光电二极管探测器(9)电气连接形成第二条支路，波分复用器(7)分别与雪崩光电二极管a探测器(10)、雪崩光电二极管b探测器(11)电气连接形成第三条、第四条支路，光电二极管探测器(9)、雪崩光电二极管a探测器(10)、雪崩光电二极管b探测器(11)分别连接信号处理与控制系统(12)，信号处理与控制系统(12)再依次与信号发生器(13)、调制激光器(11)电气相连。
3.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤测温技术的电缆载流量监测系统，其特征在于：所述载流量计算服务器(3)包括电流采集模块(14)、载流量计算模块(15)、报警监控模块(16)，电流采集模块(14)与载流量计算模块(15)、报警监控模块(16)依次进行电气连接。
4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的一种基于分布式光纤测温技术的电缆载流量监测系统，监测方法包括以下步骤：
步骤1：信号驱动器(13)控制调制激光器(4)产生重复频率的激光脉冲，通过隔离器(5)，进入分路器(6)；
步骤2：经过分路器(6)分离的光信号，其中0.1％的光被光电二极管探测器(9)探测后转变成电信号，进入信号处理与控制系统(12)并作为初始相位参考信号，99.9％的光信号经波分复用器(7)进入到测温光纤(2)中；
步骤3：测温光纤(2)中光信号发生拉曼散射，产生斯托克斯光和反斯托克斯光，通过波分复用器(7)进行滤波，将斯托克斯光和反斯托克斯光分离；
步骤4：分离出的斯托克斯光和反斯托克斯光分别入射到雪崩光电二极管a探测器(10)和雪崩光电二极管b探测器(11)，将光信号转变为电信号并进入信号处理与控制系统(12)进行处理分析，解调出光纤沿线的温度信息；
步骤5：载流量计算服务器(3)中电流采集模块(14)通过测温光纤(2)获取电缆的实时电流信息，并接收来自信号处理主机(1)的温度信息，输送于载流量计算模块(15)，对载流量和导体内部温度进行计算；
步骤6：根据载流计算模块的计算结果，当电缆实时电流大于载流量计算值时，触发报警监控模块(16)，产生预警信息。
5.如权利要求4所述的一种基于分布式光纤测温技术的电缆载流量监测系统，其特征在于：所述的载流量计算模块(15)计算方法为稳态热分析法，计算式为
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式中T为点处的温度，单位℃；qv为体积发热率，W/m3。
6.如权利要求4所述的一种基于分布式光纤测温技术的电缆载流量系统，步骤5所述的载流量计算模块，包括以下计算步骤：
步骤5.1：建立电缆结构模型；
步骤5.2：对模型各材料参数进行选择和设定；
步骤5.3：对模型进行网格设定和刨分单元格；
步骤5.4：对模型设置边界条件；边界控制方程式为
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式中，T为(x,y)点处的温度，单位℃；λ为电缆周边空气的导热系数，单位W/(m·K)；α为空气的换热系数，单位W/(m2·℃)；为边界法向量；为物体边界；q为已知热流密度值，单位W/㎡；
步骤5.5：对电缆施加电流，产生焦耳热，对温度场分析；导体的生热率式中IC为电缆负荷电流，Rc为导体交流电阻。
步骤5.6：获取电缆横向和纵向各部分的温度信息，计算电缆临界温度时的载流量。
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