CN108535570B - 一种电缆负载测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电缆负载测量装置，涉及电缆负载测量设备技术领域，包括温度探针一、温度探针二、温度探针三、控制器和报警器，温度探针一固定在绝缘层表面，温度探针二贯穿绝缘层并与导体的表面接触，温度探针三暴露于空气中，控制器用于计算导体温度及负荷。本发明还公开了一种电缆负载测量装置的测量方法。本发明根据焦耳定律和热传导方程推导出电缆的导体的工作电流与导体温度、绝缘层外表面温度及环境温度的关系式，进而通过测量电缆的导体温度、绝缘层外表面温度以及环境温度，实现对电缆负载的在线实时监测，操作方便，非常的安全可靠，简单高效。

Description

一种电缆负载测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及电缆负载测量设备技术领域，具体的说是一种电缆负载装置及测量方法。

背景技术

灯火通明，华灯初上，这些词无疑都在表达着灯火带给人的光明，而着耀眼的光芒需要电线电缆的传导，电线是每个家庭里用来进行通电的工具，但有时用户购买的电线偏小或者是有些电器的电压比电线的负荷大，就很容易造成电线超负荷的情况，下面给大家讲一下电线电缆超负荷的危害。介绍所谓的电线超负荷就叫做“过载”。就像是一辆汽车的载重量为1吨，但是在运输中的货物重量超过了这个规定，那就变成了“过载”，这样不仅很容易损坏车辆。并且还有可能引起相关的交通安全问题，我们生活中使用的电线也不例外，它也是有载电规定的，当使用电的时候，电流通过电线会使电线发热，这是属于很正常的情况，但是如果超出了负荷使用，那么细细的电线通过大电流，就很容易引起火灾。

电缆负载可以通过电流表进行测量，由于电流表需要串联到电路中，因此需要破坏电缆，操作不安全的同时也给连续供电带来影响。

专利CN201310430168.1公开了一种电缆导体温度测量装置及测量方法,用于检测电缆负载情况。利用包覆在电缆外表面上的热阻件，所述热阻件的内表面设有一与电缆外表面相接触的内层温度传感器，所述热阻件的外表面设有一外层温度传感器，所述内层温度传感器和外层温度传感器位于电缆的同一径向直线上。该电缆导体温度测量装置中，电缆导体发热，通过绝缘护套向外侧散热，并趋向于热平衡状态，在热阻件和绝缘护套内根据热阻的分布形成相应的温度梯度，再通过内层温度传感器和外层温度传感器的测量值得到热阻件的温度梯度数值，利用电缆热平衡数学模型计算出电缆导体的温度。

上述专利通过检测导体温度来判断电缆负载情况，没有考虑到空气与电缆的对流散热以及接触热阻的影响。电流通过电缆时会发热，本发明通过热传导理论由电缆温度推导出电缆负载的计算公式，可以实现实时监测电缆的负载，当负载过大时并发出警报。操作安全方便，而且不影响连续供电。

发明内容

本发明提出了一种电缆负载测量装置及测量方法，致力于解决前述背景技术中的技术问题。

本发明解决其技术问题采用以下技术方案来实现：

一种电缆负载测量装置，包括温度探针一、温度探针二、温度探针三、控制器和报警器，电缆包括导体和包裹在导体外部的绝缘层，温度探针一、温度探针二、温度探针三和报警器分别与控制器电性连接，温度探针一固定在绝缘层表面，温度探针二贯穿绝缘层并与导体的表面接触，温度探针三暴露于空气中，控制器用于计算导体温度及负荷。

作为本发明的进一步的改进，温度探针一的探头通过导热硅胶黏附于电缆绝缘层外表面，或者使用扎带捆扎于电缆外表面。

作为本发明的进一步的改进，控制器包括存储单元及输入单元，存储单元内存储有空气对流散热系数、常规电缆的导体材料和绝缘层材料的尺寸参数、导体材料的电阻率、导体材料和绝缘层材料之间的接触热传导系数以及绝缘层材料的导热系数，输入单元用来选取存储单元中已经存储的电缆的导体材料和/或绝缘层材料，或者用于输入新的导体材料和/或绝缘层材料的相关参数。

一种电缆负载测量装置的测量方法，包括如下步骤

步骤一、从控制器的数据库中选择电缆的导体的材料参数以及尺寸参数和

绝缘层的材料参数以及尺寸参数；

步骤二、分别测量出环境温度、导体温度、绝缘层外表面温度，并将数值

传递给控制器；

步骤三、控制器根据环境温度、导体温度、绝缘层外表面温度、导体的材

料参数及尺寸参数和绝缘层的材料参数与尺寸参数，根据

计算出导体工作电流，

式中Δ_t＝T₂-T₁，

T₁-绝缘层外表面的温度，

T₂-导体温度，

I-导体工作电流，

R-单位长度导体的电阻，

R_t-导体材料与绝缘层材料的接触热传导系数，

r₁-绝缘层最大半径，

r₂-导体半径，

λ_t-绝缘层导热系数,

α-空气对流散热系数，

T_c-环境温度，

S-单位长度电缆表面积；

步骤四、将工作电流I与额定电流I₀比较，如果I＞I₀，则说明导流负载超出

允许值，蜂鸣器发出警报声，提示工作人员注意。

作为本发明的进一步的改进，当导体和/或绝缘层的材质的相关参数未存储在控制器内，则步骤一中还包括通过输入单元向控制器内输入导体和/或绝缘层的材质的相关参数的步骤。

作为本发明的进一步的改进，当导体为Cu，导体半径为2mm，绝缘层为PA66，绝缘层最大半径为3mm，I与绝缘层外表面的温度T1、导体温度T2及环境温度Tc的函数关系式为

作为本发明的进一步的改进，当导体为Al，导体半径为2mm，绝缘层为PA66，绝缘层最大半径为3mm，I与绝缘层外表面的温度T1、导体温度T2及环境温度Tc的函数关系式为

本发明的有益效果是：

本发明根据焦耳定律和热传导方程推导出电缆的导体的工作电流与导体温度、绝缘层外表面温度及环境温度的关系式，进而通过测量电缆的导体温度、绝缘层外表面温度以及环境温度，实现对电缆负载的在线实时监测，操作方便，非常的安全可靠，简单高效。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本具体实施方式的主视图；

图2为电缆模型示意图。

1-绝缘层，2-导体，3-温度探针一，4-温度探针二，5-温度探针三，6-控制器，7-警报器。

具体实施方式

下面通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图1所示，一种电缆负载测量装置及方法，包括温度探针一3、温度探针二2、温度探针三5、控制器6和报警器7，电缆包括导体2和包裹在导体2外部的绝缘层1。温度探针一3、温度探针二2、温度探针三5和报警器7分别与控制器6电性连接，温度探针一3固定在绝缘层1表面，用于测量绝缘层1表面的温度并将信号传递给控制器6，温度探针二2位于导体2表面，用于测量导体2温度并将信号传递给控制器6，温度探针三5暴露于空气中，用于测量环境温度并将信号传递给控制器6。控制器6用于计算导体2温度及负荷。如果导体2负荷大于额定工作载荷，控制器6启动报警器7，报警器7发出蜂鸣声。

具体的，控制器6包括存储单元及输入单元，存储单元内存储有空气对流散热系数、常规电缆的导体2材料和绝缘层1材料的尺寸参数、导体2材料的电阻率、导体2材料和绝缘层1材料之间的接触热传导系数以及绝缘层1材料的导热系数，输入单元可以用来选取存储单元中已经存储的电缆的导体2材料和/或绝缘层1材料，也可以用于输入新的导体2材料和/或绝缘层1材料的相关参数。

具体的，温度探针一3的探头通过导热硅胶黏附于电缆绝缘层1外表面，也可以采用扎带捆扎于电缆外表面，温度探针二2贯穿绝缘层1并与导体2的外表面接触。

单位长度导体2在单位时间内产生的热量为H_t，由焦耳定律得

H_t＝I²R (1)

其中，I-导体2工作电流，R-单位长度导体2的电阻。

导体2温度为T₂，绝缘层1外表面的温度为T₁，Δ_t＝T₂-T₁为导体2温度与绝缘层1表面温度差值，环境温度为T_c，由热传导方程可知导体2发热量

式中R_t-导体2材料与绝缘层1材料的接触热传导系数，r₁-绝缘层1最大半径，r₂-导体2半径，λ_t-绝缘层1导热系数,α-空气对流散热系数，T_c-环境温度，S-单位长度电缆表面积。

由公式(1)、(2)可得

由式(3)可知，在电缆导体2与绝缘层1的材料参数与尺寸参数均已知的情况下，根据温度探针一3测得绝缘层1外表面的温度值T₁，温度探针二2测得导体2温度值T₂，温度探针三5测得环境温度值T_c，即可计算出导体2工作电流I，然后将导体2的工作电流I与导体2的额定电流I₀比较，如果I＞I₀，则说明此时电缆处于超负荷运行状态，控制器6控制报警器7发出蜂鸣声，提醒工作人员注意。

实施例一：

电缆尺寸如图2所示，当导体2取Cu，绝缘层1取PA66时，空气对流散热系数α为25W/m²·K,R_t＝5500W/m·K，λ_t＝0.3W/m·K，r₁＝0.003m，r₂＝0.002m，单位长度Cu的电阻R＝0.00137Ω，α＝25W/m²·K，代入式(3)得

将温度探针一3T₁、温度探针二2T₂及温度探针三5分别测量出的导体2绝缘层1外表面温度、导体2温度及环境温度分别带入式(4)，即可计算出导体2工作电流I，然后将导体2工作电流I与导体2的额定电流I₀比较，如果I＞I₀，则说明此时电缆处于超负荷运行状态，控制器6控制报警器7发出蜂鸣声，提醒工作人员注意。

实施例二：

电缆尺寸如图2所示，当导体2取铝，绝缘层1取PA66时，空气对流散热系数α为25W/m²·K,R_t＝4500W/m·K，λ_t＝0.3W/m·K，r₁＝0.003m，r₂＝0.002m，单位长度铝的电阻R＝0.00222Ω，α＝25W/m²·K，代入式(3)得

将温度探针一3、温度探针二2及温度探针三5分别测量出的导体2绝缘层1外表面温度T₁、导体2温度T₂及环境温度T_c分别带入式(5)，即可计算出导体2工作电流I，然后将导体2工作电流I与导体2的额定电流I₀比较，如果I＞I₀，则说明此时电缆处于超负荷运行状态，控制器6控制报警器7发出蜂鸣声，提醒工作人员注意。

需要说明的是，此方法并不局限于Cu和PA66以及Al和PA66的计算，只要知道电缆的导体2及绝缘层1的材料相关参数及尺寸参数，在使用时在控制器6中选择导体2和绝缘层1尺寸参数，当导体2和/或绝缘层1的材质的相关参数未存储在控制器6内，则通过输入单元向控制器6内输入导体2和/或绝缘层1的材质的相关参数。再根据该电缆负载测量装置中温度探针一3、二及三分别测量得到绝缘层1外表面温度、导体2温度以及环境温度，即可根据式(3)计算出导体2的工作电流，将导体2工作电流与导体2额定电流做比较，即可实现对电缆负载的监测。

上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种电缆负载测量装置的测量方法，其特征在于：

所述电缆负载测量装置包括温度探针一、温度探针二、温度探针三、控制器和报警器，电缆包括导体和包裹在导体外部的绝缘层，温度探针一、温度探针二、温度探针三和报警器分别与控制器电性连接，温度探针一固定在绝缘层表面，温度探针二贯穿绝缘层并与导体的表面接触，温度探针三暴露于空气中，控制器用于计算导体温度及负荷；

所述测量方法包括如下步骤

步骤一、从控制器的数据库中选择电缆的导体的材料参数以及尺寸参数和绝缘层的材料参数以及尺寸参数；

步骤二、分别测量出环境温度、导体温度、绝缘层外表面温度，并将数值传递给控制器；

步骤三、控制器根据环境温度、导体温度、绝缘层外表面温度、导体的材料参数及尺寸参数和绝缘层的材料参数与尺寸参数，根据

计算出导体工作电流，

式中Δ_t＝T₂-T₁，

T₁-绝缘层外表面的温度，

T₂-导体温度，

I-导体工作电流，

R-单位长度导体的电阻，

R_t-导体材料与绝缘层材料的接触热传导系数，

r₁-绝缘层最大半径，

r₂-导体半径，

λ_t-绝缘层导热系数,

α-空气对流散热系数，

T_c-环境温度，

S-单位长度电缆表面积；

步骤四、将工作电流I与额定电流I₀比较，如果I＞I₀，则说明导流负载超出允许值，蜂鸣器发出警报声，提示工作人员注意。

2.根据权利要求1所述的电缆负载测量装置的测量方法，其特征在于：当导体和/或绝缘层的材质的相关参数未存储在控制器内，则步骤一中还包括通过输入单元向控制器内输入导体和/或绝缘层的材质的相关参数的步骤。

3.根据权利要求1所述的电缆负载测量装置的测量方法，其特征在于：当导体为Cu，导体半径为2mm，绝缘层为PA66，绝缘层最大半径为3mm，I与绝缘层外表面的温度T₁、导体温度T₂及环境温度T_c的函数关系式为

4.根据权利要求1所述的电缆负载测量装置的测量方法，其特征在于：当导体为Al，导体半径为2mm，绝缘层为PA66，绝缘层最大半径为3mm，I与绝缘层外表面的温度T₁、导体温度T₂及环境温度T_c的函数关系式为

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