CN201955411U - 基于分布式光纤测温方法的电缆载流量监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于分布式光纤测温方法的电缆载流量监测系统，它包括激光驱动装置，激光驱动装置与电缆中的感温装置相配合；感温装置与相应的光纤分路器相配合，各个光纤分路器的输出端与光缆一端连接，光缆另一端与配线箱连接，配线箱与解调装置相配合，解调装置输出端与电缆IEC计算服务器连接，电缆IEC计算服务器输出到客户终端。本实用新型结合分布式光纤测温技术，可以获得电缆运行的重要的参数，通过载流量的综合分析，大大提高模拟的准确度，可为保证城市电缆安全运营及合理配置输电能力提供决策依据。

Description

基于分布式光纤测温方法的电缆载流量监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于分布式光纤测温方法的电缆载流量监测系统。

背景技术

随着工业和电力系统的持续发展，电网中的高压电缆线路日益增多，电力传输的强度也一直在不断地增加，智能电网对输电系统提出了更高的要求，当电缆在额定负荷下运行时，线芯温度达到允许值。电缆一旦超过负荷，线芯温度将急剧上升，加速绝缘老化，甚至发生热击穿。所以，必须对电缆的运行温度进行控制，这就要求电力运行部门对电缆的实际负荷进行合理调度。如何在保证电缆长期安全可靠运行的基础上提高电缆系统的输电能力和输电效率越发成为电力部门关心的重点问题。

目前，电缆的载流量计算采用国际上公认的IEC标准，但此标准只可满足简单场景下的载流量计算并不适用于复杂场景，存在一定的局限性；另一方面，IEC标准所提供的算法适用于手工计算，这样的计算方式过于繁琐，到目前为止IEC的电算化尚未成熟，还处在逐步发展中。同时，当前IEC载流量计算的参数选取也受监测条件限制，通常采用经验值或估算值，造成载流量计算不准确；运行温度是电缆的一个重要参数，在电力电缆的选型和敷设阶段，由于不可能对实际运行环境进行全面的考虑，通常都是根据标准环境温度进行的，这样将导致电缆在环境温度高或散热条件不良时运行于过热状态，减少运行寿命。因此，如果能够根据实际运行状态和运行环境，实时地对电缆的负荷进行调度和调整，不仅能够保证电缆的运行安全，使其带负荷能力得到充分发挥，而且在有些情况下还可以解决电力调度中紧急状况下的电力供应问题。

实用新型内容

为弥补现有技术的不足，本实用新型提供一种基于分布式光纤测温方法的电缆载流量监测系统。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

基于分布式光纤测温方法的电缆载流量监测系统，它包括激光驱动装置，激光驱动装置与电缆中的感温装置相配合；感温装置与相应的光纤分路器相配合，各个光纤分路器的输出端与光缆一端连接，光缆另一端与配线箱连接，配线箱与解调装置相配合，解调装置输出端与电缆IEC计算服务器连接，电缆IEC计算服务器输出到客户终端。

所述激光驱动装置包括激光驱动器，激光驱动器的输出端与激光器的输入端连接。

所述感温装置为分布式测温光纤。

所述解调装置为光纤信号解调仪。

所述光缆为全介质自承式光缆。

所述的基于分布式光纤测温方法的电缆载流量监测方法，该监测方法包括如下步骤：

Step1：激光器发出脉冲光注入分布式测温光纤，测温光纤产生的后向散射光通过光纤分路器输入到光缆；

Step2：经光缆传输后最终将光信号输入到光纤信号解调仪，光纤信号解调仪将解调信号输入到电缆IEC计算服务器；

Step3：电缆IEC计算服务器根据输入的光信号解析出某段电缆的导体温度θc和电缆表面温度θa，按IEC 60287提供的计算100％负荷因数下的电缆载流量的计算公式计算电缆动态载流量I

$I=\sqrt{\frac{{\mathrm{\θ}}_c-{\mathrm{\θ}}_a-W_d[0.5T_1+n(T_2+T_3+T_4)]}{R{T}_1+\mathrm{nR}(1+{\mathrm{\λ}}_1)T_2+\mathrm{nR}(1+{\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\λ}}_2)(T_3+T_4)}}$

其中，导体温度θc取测温系统实时值，相应的导体交流电阻R取对应于θc时的值；θa为电缆表面温度，取测温系统实时值；Wd为绝缘介质损耗；λ1是金属护套损耗系数；λ2为铠装层的损耗系数；T1、T2、T3分别为绝缘、内垫衬层、外护层的热阻，T4为电缆和周围媒质的热阻，与电缆型号、施工方式有关；n为电缆回路数；I为当前工况下电缆载流量；

Step4：根据step3求得的每段电缆动态载流量得到该根电缆的动态载流量；

Step5：客户服务端根据电缆IEC计算服务器输出的所有电缆的动态载流量，实现各种日常运行工作。

所述step3中，某段电缆导体的交流电阻R＝R₀×[1+α₂₀(θ_C-20)]×(1+Y_s+Y_p)；其中，R0与α₂₀为定值，依据导体类型而不同，集肤效应因数Y_s、邻近效应因数Y_p参见IEC60287及JB/T 10181系列标准。

所述step3中，绝缘介质损耗Wd由IEC计算服务器数据库提供参数，根据某段电缆长度计算得出，单位长度电缆介质损耗可用下式进行计算：

W_d＝ωCU₀ ²tgδ×10^-6

式中，ω＝2πf，f为工频，50Hz；C为单位长度电缆电容，单位μF/cm；tgδ为绝缘材料介质损耗角正切；E0是对地电压，单位V。

所述step4中，某根电缆的动态载流量取该根电缆中各段电缆动态载流量的最小值。

有益效果：本实用新型可以实现精确的监测电缆运行温度，根据温度监测可以得到100％负荷因数载流量信息，与传统的估计电缆温度相比减少了电缆载流量的误差，通过载流量的综合分析，对电缆运行状况做出评估，进而为合理调整额定载流量提供科学依据，同时归纳出各种电缆故障发生的原因以及故障发生前出现的各种异常情况，从而为预报电缆故障提供理论和事实证据，大大提高模拟的准确度，为保证城市电缆安全运营及合理配置输电能力提供决策依据。

附图说明

图1为分布式光纤温度传感器系统框图；

图2为本实用新型的结构示意框图；

图3为电缆动态载流量监测流程图；

其中，1感温装置，2光纤分路器，3光缆，4配线箱，5光纤信号解调仪，6电缆IEC计算服务器，7客户服务端，8激光驱动器，9激光器，10双向耦合器，11波分复用器，12光电检测器APD，13放大器，14采集平均累加器，15微型计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

如图1所示，为分布式光纤温度传感器系统，主要有传感光纤、激光器9及激光驱动器8、双向耦合器10、波分复用器11、光电检测器APD 12、放大器13、采集平均累加器14和微型计算机15组成。激光器9发出的脉冲光作为泵浦光，经过耦合器注入传感光纤，脉冲光在传感光纤中向前传播的同时，产生向后传播的后向散射光。后向散射光通过光滤波滤出反斯托克斯光和瑞利光，斯托克斯散射和反斯托克斯散射统称为拉曼散射，再经过光电转换和放大电路，放大后的信号被高速数据采集卡采集，经过数据处理和定标，解调出温度。分布式光纤温度测温系统具有以下优点：

(1)光纤感知温度和位置信息，传感器无源，本质安全。传感器分辨率高，测温精确，响应时间短。

(2)可做成大容量，多点，分布式测温系统；一台解调仪可带几百个传感器；节省费用。

(3)由于全光信号传输，不受传感器距离限制，最大传感距离达10km，是超远程温度检测系统。

本系统结合分布式光纤测温技术进一步提高了系统的智能化。电缆运行状况、压接质量好坏，只能在运行中发现，运行时间越长越容易发生过热烧穿事故，由此可能造成巨大经济损失。分布式光纤测温技术针对电缆因绝缘老化或接触不良等故障的早期预测而设计的，能够把这些故障隐患消灭在萌芽中，在故障隐患出现前及时的做出预报，使维护人员能够实时的了解电缆的运行情况，对可能出现的故障提早进行及时的处理。

将分布式光纤温度传感器系统的测温原理利用到电缆载流量监测系统中，如图2所示为本实用新型的原理框图，它包括激光驱动装置，激光驱动装置与电缆中的感温装置1相配合；感温装置1与相应的光纤分路器2相配合，各个光纤分路器2的输出端与光缆3一端连接，光缆3另一端与配线箱4连接，配线箱4与解调装置相配合，解调装置输出端与电缆IEC计算服务器6连接，电缆IEC计算服务器6输出到客户终端7。

所述激光驱动装置包括激光驱动器8，激光驱动器8的输出端与激光器9的输入端连接。

所述感温装置1为分布式测温光纤。

所述解调装置为光纤信号解调仪5。

所述光缆为全介质自承式ADSS光缆(All-dielectric Self-supporting Optical Cable)。

分布式测温光纤是系统的感温装置1，直接安装在电缆内部，用来测量电缆每点的温度；能够对数千米范围内空间点的温度进行实时测量，不同温度反射不同光波长信号，借助拉曼散射技术来实现分布式测量。

光纤分路器2主要用一根光纤与多个传感器之间进行连接，实现分布式布设传感器；

光缆3是信号传输通道，可以内置电缆内部，使用电力用ADSS光缆，具有强的耐高压和抗挤压性能；

光纤信号解调仪5作用是对光信号进行滤波放大及解调，安装在监控室内；

电缆IEC计算服务器6采集光纤信号解调仪5传输的信息，根据采集到的信息对数据进行处理和定标，实时显示各个测温点的温度数据，同时电缆IEC计算服务器6根据测得的温度数据动态进行载流量计算和电缆运行分析。

客户服务端7根据电缆动态载流量计算模块提交的分析数据和结果实现各种日常运行工作。

电缆IEC计算服务器6进行动态载流量的计算过程，以一根电缆为例进行说明。如图3所示，将电缆分成k段，利用第i段分布式测温光纤信号测量第i段的电缆中导体和表层的温度，光信号通过光纤分路器输入到光缆，经光缆传输后输入到光纤信号解调仪，光纤信号解调仪将光信号解调并输入到电缆IEC计算服务器，电缆IEC计算服务器对温度信号进行解析，得出第i段电缆中导体的温度θc和电缆表层的温度θa。

另外，IEC计算服务器数据库中具有各种电缆参数，包括：电缆芯型、绝缘层、金属屏蔽层和铠装层、敷设方式等，对应不同材质或敷设方式具有不同损耗系数；结合第i段电缆中导体的温度θc，可利用公式R＝R₀×[1+α₂₀(θ_C-20)]×(1+Y_s+Y_p)计算出该段电缆导体的交流电阻R，其中，R0与α₂₀为定值，依据导体类型而不同，集肤效应因数Y_s、邻近效应因数Y_p计算公式参见IEC60287及JB/T 10181系列标准。

电缆第i段绝缘介质损耗Wd由IEC计算服务器数据库提供参数，根据第i段电缆长度计算得出，单位长度(cm)电缆介质损耗可用下式进行计算：

W_d＝ωCU₀ ²tgδ×10^-6                                (1)

式中，ω＝2πf，f为工频，50Hz；C为单位长度电缆电容，单位μF/cm；tgδ为绝缘材料介质损耗角正切；E0是对地电压，单位V。

电缆金属护套中损耗Ws与线芯中电流I′的平方成正比，因此它与线芯损耗Wc之比近似为常数，即：

Ws＝λ1·Wc                                (2)

式中，λ1为金属护套损耗系数，是金属护套电阻的函数，根据不同线型和敷设方式公式不同，护套电阻根据实时测量温度计算。Wc＝I′²R，为导体线芯损耗，I′是线芯中电流。

电缆铠装层损耗是铠装层截面积和金属电阻的函数，不同铠装材料和方式公式不同，一般由电缆铠装层损耗系数计算，以三芯圆导体钢丝铠装为例：

${\mathrm{\λ}}_2=1.23\frac{R_A}{R}{\left(\frac{2l}{d_A}\right)}^2\frac{1}{{\left(\frac{2.77R_A{10}^6}{\mathrm{\ω}}\right)}^2+1}---\left(3\right)$

式中，R_A是实测工作温度下铠装的交流电阻，单位OHM/m；d_A是铠装平均直径；l是导体轴心与电缆中心之间的距离，mm。

按照IEC 60287提供的计算100％负荷因数下的电缆载流量的基本算法计算电缆动态载流量，计算按公式(4)：

$I_i=\sqrt{\frac{{\mathrm{\θ}}_c-{\mathrm{\θ}}_a-W_d[0.5T_1+n(T_2+T_3+T_4)]}{R{T}_1+\mathrm{nR}(1+{\mathrm{\λ}}_1)T_2+\mathrm{nR}(1+{\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\λ}}_2)(T_3+T_4)}}---\left(4\right)$

计算时，公式中导体温度θc取测温系统实时测量值，相应的导体交流电阻R取对应于该温度时的值，θc若取导体温度以为XLPE(主绝缘)能耐受的最高工作温度90℃，相应的导体交流电阻对应于90℃时的值，可计算电缆持续允许载流量；θa为电缆表面温度，取测温系统实时测量值；Wd为绝缘介质损耗；λ1为金属护套损耗系数，利用公式(2)得到，λ2为铠装层的损耗系数；T1、T2、T3分别为绝缘、内垫衬层、外护层的热阻；T4为电缆和周围媒质的热阻，与电缆型号、施工方式有关；n为电缆回路数；I_i为当前工况下第i段的电缆载流量。

因为实际中不同位置电缆的导体和金属套温度往往不同，导致电阻率不同、损耗不同，反过来又造成电缆的导体和金属套温度的不同，所以不同位置的电缆的动态载流量也会不同，本算法根据每个测温点将电缆分成k段，每段电缆i根据其测温点实际测量温度计算按公式(4)逐一计算动态载流量I_i，故该根电缆整体动态载流量I为：

I＝min{I₁，I₂，...，I_i，I_k}                        (5)

Claims (5)

1.基于分布式光纤测温方法的电缆载流量监测系统，其特征是，它包括激光驱动装置，激光驱动装置与电缆中的感温装置相配合；感温装置与相应的光纤分路器相配合，各个光纤分路器的输出端与光缆一端连接，光缆另一端与配线箱连接，配线箱与解调装置相配合，解调装置输出端与电缆IEC计算服务器连接，电缆IEC计算服务器输出到客户终端。

2.如权利要求1所述的基于分布式光纤测温方法的电缆载流量监测系统，其特征是，所述激光驱动装置包括激光驱动器，激光驱动器的输出端与激光器的输入端连接。

3.如权利要求1所述的基于分布式光纤测温方法的电缆载流量监测系统，其特征是，所述感温装置为分布式测温光纤。

4.如权利要求1所述的基于分布式光纤测温方法的电缆载流量监测系统，其特征是，所述解调装置为光纤信号解调仪。

5.如权利要求1所述的基于分布式光纤测温方法的电缆载流量监测系统，其特征是，所述光缆为全介质自承式光缆。

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