CN1982859A - 电力电缆缆芯温度的在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电缆温度的监测系统，特别涉及一种利用实时监测电缆的负荷电流及电缆表面(或内部某层)温度，并且利用计算程序计算出电力电缆缆芯温度的在线监测系统。该系统包括电缆及设置在电缆表面的测温元件，还包括与电缆及测温元件分别相连接的电流记录仪和测温仪；该电流记录仪和测温仪将采集的电流和温度模拟量信号转变成数字信号传输到安装有计算程序的计算机。该系统解决了电力部门因供电压力大，而急需发掘和提高电缆的承载能力问题。该系统旨在找到电缆表面或内部各层温度与缆芯温度之间实时对应关系，通过实时监测电缆表面或内部任意层温度而准确掌握电缆缆芯温度，从而达到在线监测缆芯温度的目的，该系统监测计算结果准确，可广泛应用于城区供电系统。

Description

电力电缆缆芯温度的在线监测系统

技术领域

本发明涉及一种电缆温度的监测系统，特别涉及一种利用实时监测电缆的负荷电流及电缆表面(或内部某层)温度，并且利用计算程序计算出电力电缆缆芯温度的在线监测系统。

技术背景

目前城市市区内绝大部分采用电缆供电，由于用电水平快速增长，且负荷集中、峰谷差大，负荷高峰期电缆供电网承受着很大的供电压力，有的负荷集中区在用电高峰时段不得不采取限电措施。解决办法有两个：第一是更换大截面电缆、或是并联敷设新的电缆，这样需要很大的费用；另外如果按高峰期负荷设计电缆的负荷能力，势必提高投资、影响电网的效益。第二是发掘和提高电缆的实际承载能力，这样更经济、便捷。

电力部门是根据电缆的额定负荷能力调度电缆供电，电缆的额定负荷能力在理论上有着较大的余度；另外对于一条供电线路，由于电缆的敷设环境和方式存在很大差异，沿电缆的温升是不一样的，影响电缆负荷能力的正是电缆的温度瓶颈，找到并解决温度瓶颈可以大大提高电缆的负荷能力。从解决目前供电能力紧张的角度，从经济的角度都迫切需要采取措施以保证在不超过电缆允许运行温度的情况下，最大地发掘和提高电缆的传输能力。实现这一目标的根本就是实现电缆缆芯温度的在线监测。

发明内容

为解决上述电力部门因承受供电压力大，而急需发掘和提高电缆的承载能力的问题，本发明提供一种利用实时监测电缆的负荷电流及电缆表面(或内部某层)温度，并且利用计算程序计算出电力电缆缆芯温度的在线监测系统。该系统旨在找到电缆表面或内部各层温度与缆芯温度之间实时对应关系，通过实时监测电缆表面或内部任意层温度而准确掌握电缆缆芯温度，从而达到在线监测电缆缆芯温度的目的。该系统监测、计算结果快速准确，可广泛应用于城区供电系统。

本发明采取的技术方案是：一种电力电缆缆芯温度的在线监测系统，其特征在于，该系统包括电缆及设置在电缆表面的测温元件，还包括与电缆及测温元件分别相连接的电流记录仪和测温仪；该电流记录仪和测温仪将采集的电流和温度模拟量信号转变成数字信号传输到安装有计算程序的计算机，其计算程序包括如下操作：

a.录入电缆结构参数及在线监测系统参数；

b.根据电缆结构划分网络；

c.读入含有时间、电流及测温层温度数据；

d.根据数学公式递推计算；

e.分别以表格及图形方式输出结果；

f.做为历史数据保存；

g.如果终止监测，则计算程序结束；如果未终止监测，则返回。

电缆在运行中存在发热、吸热和散热三种物理现象。电缆的发热主要包括：电流流过导体的损耗发热、绝缘介质在电压作用下的损耗发热、电缆铠装层流过感应电流的损耗发热。电缆在运行中电压是基本恒定的，电流是实时变化的，因此电缆的发热量是电流与时间的函数。电缆的吸热体现在电缆内能的增加即温度的升高，因此吸热量是温升与时间的函数。电缆的散热表现为电缆中热流流动，即电缆中温差的存在，散热量是温差与时间的函数。将电缆看成有内热源的导热体，根据能量守恒原则，电缆的发热量、吸热量和散热量之间存在着平衡关系。由此可以推出电缆电流、温升以及内、外温差之间的关系。

由于电缆的电流、温升以及温差都是实时变化的，因此必须把电缆的温度计算问题看成是具有内热源的不稳定导热问题。用数值计算法处理不稳定导热问题需要同时对空间和时间使用有限差分的网络，计算的对象是各个时间间隔上的各空间节点的温度。必须对每一个相继的时间间隔求解对应的联立方程组。

根据电缆结构特点，电缆的轴向导热可以忽略，只考虑径向导热，建立不稳定温度场差分方程，对于单位时间通过单位壁厚的圆筒界面而传入的热量与内热源发热量之和等于该单元内能量随时间的变化率。即

$\mathrm{\ρ}\·c\·2\mathrm{\πr}\·\mathrm{\Δr}\frac{T_r^{(n+1)}-T_r^{\left(n\right)}}{\mathrm{\Δ\τ}}=\mathrm{\λ}(T_{r-\frac{\mathrm{\Δr}}{2}}+T_{r+\frac{\mathrm{\Δr}}{2}}-{2T}_r)+\mathrm{\θ}$

ρ表示计算单元内材料的密度；

c表示计算单元内材料的比热容；

λ表示计算单元内材料的导热系数；

(n+1)和(n)分别表示第(n+1)和(n)个计算瞬时；

Δτ表示单位时间；

Q表示单位圆筒内热源发热功率；

T_r、

、

分别表示半径为r的单位圆筒内及内外表面上的温度。

利用以上公式可以计算出(n+1)瞬时的节点温度T⁽ⁿ⁺¹⁾。

附图说明

图1是本发明中电缆缆芯温度的在线监测系统图并作为摘要附图。

图2是本发明中计算程序流程图。

具体实施方式

参照图1，温度与负荷电流的模拟量经过测温仪和电流记录仪实时转变为数字信号，作为原始数据输入计算机，经计算程序实时计算出电缆缆芯温度，并以最直观的方式显示出来。计算程序可以切换为不同的画面显示电缆沿线各点温度变化，也可以显示电缆某一点温度随时间的变化过程。电缆缆芯温度的在线监测系统中的测温元件可以采用光纤，也可以采用热电耦，即采用光纤或热电耦中任意一种作为测温元件。

参照图2，在计算程序流程中，首先录入电缆结构参数(如电缆的层数及每层的厚度、体积比热、热阻)及监测系统的参数(如光纤参数设置及测试范围、串口设置等)，然后根据电缆结构划分网络，读入含有时间、电流及测温层温度数据，再根据数学公式进行递推计算，然后分别以表格和图形方式输出计算结果，将计算结果做为历史数据保存，如果终止监测，则计算程序结束；如果未终止监测，则返回。

该程序利用NET平台开发，具备友好的用户界面且程序适用范围广，能够实现：

A、可以由电缆表面或任意层面开始计算缆芯温度；

B、适用于稳态和暂态情况下，缆芯温度实时计算；

C、适用于多芯电缆缆芯温度计算；

D、可以以图形方式实时反映电缆沿线各点缆芯温度；

E、直观反映电缆缆芯温度随时间变化历史记录；

F、不必考虑环境变化因素的影响等。

为验证上述方法测量及计算结果的准确性，本发明模拟了实际运行环境来验证。模拟试验系统包括：通过调压器、实验变压器、升流器组成的升流系统实现在低电压下输出0-1000A的实验电流；分别选取不同电压等级如(220kV，110kV)的单芯、三芯电缆作为试品；并在试品上安装了在线监测装置，实时监测电缆表面温度、缆芯温度和负荷电流。表面温度通过两种方法采集：一是通过一套分布型光纤温度监测系统测得沿电缆长度各点的表面温度；二是通过固定在电缆表面的热电耦测得。电缆缆芯实际温度通过插入电缆缆芯的热电耦测得。负荷电流通过CT从二次测得。在线监测装置通过通讯规约将测得的数据实时的传给计算程序，计算程序实时计算沿电缆长度方向各点缆芯温度。并用缆芯温度的计算结果与实际测量结果进行对比，以验证计算程序的准确性。

为验证计算方法与电缆敷设环境和环境参数无关，本发明分别模拟了三种环境：一是电缆暴露在空气中；二是电缆包裹在保温材料里；三是将电缆置于水槽内。为验证计算方法可以从电缆表面或内部任意层推算缆芯温度，本发明采用：普通电缆表面敷设光纤；电缆内部铠装层预敷光纤这两种方式。

试验证明，电缆缆芯的温度只与电缆表面(或内部任意层)的温度、通过电缆的负荷电流、电缆的构造有关系，与电缆的敷设环境无关。采用上述计算和监测系统，缆芯温度的计算结果与实际测量结果验证误差不大于3度。

Claims (2)

1.一种电力电缆缆芯温度的在线监测系统，其特征在于，该系统包括电缆及设置在电缆表面的测温元件，还包括与电缆及测温元件分别相连接的电流记录仪和测温仪；该电流记录仪和测温仪将采集的电流和温度模拟量信号转变成数字信号传输到安装有计算程序的计算机，其计算程序包括如下操作：

a.录入电缆结构参数及在线监测系统参数；

b.根据电缆结构划分网络；

c.读入含有时间、电流及测温层温度数据；

d.根据数学公式递推计算；

e.分别以表格及图形方式输出结果；

f.做为历史数据保存；

g.如果终止监测，则计算程序结束；如果未终止监测，则返回。

2.如权利要求1所述的电力电缆缆芯温度的在线监测系统，其特征在于：所述的测温元件可采用光纤或热电耦中任意一种。

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