CN207472302U - 高压直流电缆综合监测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种高压直流电缆综合监测系统，包括：服务器、第一光纤、第二光纤、BOTDR光纤传感终端、用于检测高压直流电缆加载直流电压的电压检测装置以及用于检测高压直流电缆电流的电流检测装置；第一光纤和第二光纤位于高压直流电缆内部的不同径向位置，且第一光纤和第二光纤均接入BOTDR光纤传感终端；BOTDR光纤传感终端、电压检测装置以及电流检测装置均与服务器通信连接。本实用新型可以同时实现电缆的电场、温度场和受力分布的监测，能对高压直流电缆运行环境和机械损伤进行预警，能在高压直流电缆出现问题时及时提醒运维人员，从而利于高压直流电缆的安全运行。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力技术领域，特别涉及一种高压直流电缆综合监测系统。
背景技术
高压直流电缆绝缘层内的电场和温度场是互相耦合的关系，二者共同影响绝缘材料的电导率，而绝缘层内空间电荷的积聚程度也与绝缘层温差有密切的关系。因此，高压直流电缆的电场和温度场需要同时进行监测。此外，复杂的敷设环境使得高压直流电缆尤其是海缆面临着众多潜在的机械损伤风险。但在传统技术中，针对于高压直流电缆，缺乏实现包括电场、温度场和受力在内的多物理场在线监测的系统，不利于高压直流电缆的安全运行。
实用新型内容
基于此，本实用新型提供一种高压直流电缆综合监测系统，能够在线监测高压直流电缆的电场、温度场和受力情况，有效保障高压直流电缆的安全运行。
为实现上述目的，本实用新型实施例采用以下技术方案：
一种高压直流电缆综合监测系统，包括：服务器、BOTDR光纤传感终端、BOTDR光纤传感终端、用于检测高压直流电缆加载直流电压的电压检测装置以及用于检测所述高压直流电缆电流的电流检测装置；
所述第一光纤和所述第二光纤位于所述高压直流电缆内部的不同径向位置，且所述第一光纤和第二光纤均接入所述BOTDR光纤传感终端；
所述BOTDR光纤传感终端、所述电压检测装置以及所述电流检测装置均与所述服务器通信连接。
本实用新型提供的高压直流电缆综合监测系统，基于布里渊散射效应的分布式光纤传感技术，结合BOTDR光纤传感终端和布设的光纤，可以准确地获取高压直流电缆内部电场、温度分布，其测温稳定性不易受敷设环境和电流大小的影响，并且利用BOTDR光纤传感终端的应变测量结果可反映高压直流电缆在各种环境下沿线受力情况，由此可见，本实用新型可以同时实现电缆的电场、温度场和受力分布的监测，实现对高压直流电缆运行环境和机械损伤的预警，能在高压直流电缆出现问题时及时提醒运维人员，从而利于高压直流电缆的安全运行。
可选的，所述第一光纤设置于所述高压直流电缆的绝缘层的外表面，能更准确地获得高压直流电缆内部的温度场分布，其测温稳定性不易受电缆的敷设环境和电流大小的影响。
可选的，所述第二光纤设置于所述高压直流电缆的铠装层内壁，可以获得更准确的受力分布，其测力稳定性不易受电缆的敷设环境的影响。
可选的，所述服务器包括第一服务器和第二服务器，所述第一服务器与所述BOTDR光纤传感终端通信连接，所述第二服务器分别与所述BOTDR光纤传感终端、所述电流检测装置、所述电压检测装置连接。基于这种连接方式，分别使用两个独立的服务器进行处理可以显著提高效率。
可选的，所述电压检测装置包括电压互感器。
可选的，所述电流检测装置包括电流互感器。
可选的，所述高压直流电缆为高压直流挤塑绝缘海底电缆。
可选的，本实用新型提供的高压直流电缆综合监测系统还包括告警装置，所述告警装置分别与所述第一服务器、所述第二服务器连接。通过告警装置可以分别依据第一服务器、第二服务器的处理结果发出相应的告警信息，以提醒相应的运维人员。
可选的，本实用新型提供的高压直流电缆综合监测系统还包括显示装置，所述显示装置分别与所述第一服务器、所述第二服务器连接。通过显示装置可以显示第一服务器和第二服务器输出的各项数据，方便运维人员核对。
附图说明
图1是本实用新型的高压直流电缆综合监测系统在一个实施例中的结构示意图；
图2为高压直流电缆的一种分层结构示意图；
图3是本实用新型的高压直流电缆综合监测系统在另一个实施例中的结构示意图；
图4是本实用新型的高压直流电缆综合监测系统在又一实施例中的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合较佳实施例及附图对本实用新型的内容作进一步详细描述。显然，下文所描述的实施例仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
应当理解的是，尽管在下文中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本实用新型范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。
另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部内容。
图1是本实用新型的高压直流电缆综合监测系统在一个实施例中的结构示意图。如图1所示，本实施例中的高压直流电缆综合监测系统，包括：服务器10、第一光纤20a、第二光纤20b、BOTDR光纤传感终端30、电压检测装置40以及电流检测装置50。其中，第一光纤20a和第二光纤20b位于高压直流电缆900内部的不同径向位置(即第一光纤20a和第二光线20b至高压直流电缆900轴心的距离不同)，例如，第一光纤20a设置于高压直流电缆900的绝缘层内，第二光纤20b设置于高压直流电缆900的外护套内。
第一光纤20a和第二光纤20b均接入BOTDR光纤传感终端30。电压检测装置40用于检测高压直流电缆900的加载直流电压，电流检测装置50用于检测高压直流电缆900的电流。电压检测装置40、电流检测装置50、BOTDR光纤传感终端30均与服务器10通信连接。BOTDR(Brillouin optical time domain reflectometry,布里渊光时域反射仪)光纤传感终端30是基于单一脉冲的布里渊散射获取外界环境因素信息的传感终端，具有对温度和应变均敏感的特点。
基于布里渊光时域反射技术，BOTDR光纤传感终端30可通过第一光纤20a测量高压直流电缆900的内部温度，并可通过第二光纤20b测量高压直流电缆900的内部应变力。
BOTDR光纤传感终端30可将测得的高压直流电缆900的内部温度和应变力传输至服务器100，同时，电压检测装置40、电流检测装置50分别将检测到的高压直流电缆900的加载直流电压、电流传输给服务器10。服务器10建立高压直流电缆900的有限元计算模型，依据高压直流电缆900的内部温度、加载直流电压以及电流进行电热耦合计算，获得高压直流电缆900内的电场E和温度场T分布，并根据BOTDR光纤传感终端30传输的应变力获得高压直流电缆900的受力分布F。
服务器10在计算出各项数据后，可以分别与对应的阈值进行对比，在高压直流电缆900的某项数据超过其对应的阈值后，则可以进行告警，及时通知运维人员。
图2示出了高压直流电缆900的一种分层结构。参照图2所示，高压直流电缆900从内至外可分为导体901、导体屏蔽层902、绝缘层903、绝缘屏蔽层904、阻水带905、填充条906、铠装层907及外护套908。
可选的，参照图2所示，第一光纤20a设置于高压直流电缆900的绝缘层903的外表面，能更准确地获得高压直流电缆900内部的温度场分布，其测温稳定性不易受电缆的敷设环境和电流大小的影响。
可选的，仍参照图2所示，第二光纤20b设置于高压直流电缆900的铠装层907内壁，可以获得更准确的受力分布，其测力稳定性不易受电缆的敷设环境的影响。
可选的，光纤传感终端30测量高压直流电缆900的绝缘层表面的第一光纤20a的温度Tf和铠装层第二光纤20b的应变力ε的分布，并分别将测量结果传输给服务器10。同时，电压检测装置40、电流检测装置50分别将检测到的高压直流电缆900的加载直流电压U、电流I传输给服务器10。服务器10根据温度测量结果Tf，利用有限元法在加载直流电压U和电流I下进行电热耦合计算，获得高压直流电缆900内的电场E和温度场T分布，同时，服务器10根据应变力测量结果ε，计算高压直流电缆900各种环境下沿线的受力分布F。此外，服务器10还可以进一步分别判断高压直流电缆900沿线电场强度E、导体温度Tc、绝缘层温差ΔTi、应变力ε是否超过相应的阈值Emax、Tmax、ΔTmax和εmax，如某一项超过对应阈值，则给出相应的告警信息。
可选的，参照图3所示，服务器10包括第一服务器10a和第二服务器10b，第一服务器10a与BOTDR光纤传感终端30通信连接，第二服务器10b分别与BOTDR光纤传感终端30、电流检测装置50、电压检测装置40连接。第一服务器10a可以获得BOTDR光纤传感终端30输出的应变力，然后据此获得高压直流电缆900的受力分布F。第二服务器10b可以获得BOTDR光纤传感终端30输出内部温度、电压检测装置40输出的加载直流电压以及电流检测装置50输出的电流，然后计算出高压直流电缆900内的电场E和温度场T分布。基于这种连接方式，分别使用两个独立的服务器进行处理可以提高效率。
可选的，电压检测装置40为电压互感器。
可选的，电流检测装置50为电流互感器。
可选的，本实用新型中的高压直流电缆可以是高压直流挤塑绝缘海底电缆。
下面以±500kV高压直流挤塑绝缘海底电缆为例，对本实用新型中的高压直流电缆综合监测系统的工作原理进行说明。
具体的，第一光纤20a设置于±500kV高压直流挤塑绝缘海底电缆的绝缘层的外表面，第二光纤20b设置于±500kV高压直流挤塑绝缘海底电缆的铠装层内壁。服务器10可建立±500kV高压直流挤塑绝缘电缆的有限元计算模型，其导体截面积为3000平方毫米，绝缘层厚为30毫米，导体屏蔽层和绝缘屏蔽层厚度分别为2毫米和1.5毫米。
假设电缆电流I为2850.4A，此时BOTDR光纤传感终端30通过第一光纤20a测得温度Tf为50℃，并将测量结果发送给服务器10。然后服务器10在加载直流电压U＝500kV和电流I＝2850.4A下进行电热耦合计算，获得±500kV高压直流挤塑绝缘电缆内的电场E和温度场T分布。其中绝缘层电导率公式如下：
σ(E,T)＝σ0exp(αT+βE)
其中，σ0为外界温度为0℃及电场强度为0kV/mm条件下的电导率，其值为0.91×10-17S/m；α为温度关联常数和电场关联常数，其值为0.11/℃；β为电场关联常数，其值为0.24mm/kV。计算得到绝缘层最大电场强度Emax＝21.07kV/mm，该最大值位于绝缘层外表面处；导体温度Tc＝90℃、绝缘层温差ΔTi＝40℃。
假设运行中的±500kV高压直流挤塑绝缘海底电缆的绝缘层允许最大温差为30℃，则上述计算结果已超出阈值，则服务器10可给出告警信息，提醒运维人员需要降低电缆负荷。当±500kV高压直流挤塑绝缘海底电缆的电流降为2507.5A时，假定通过绝缘层表面的第一光纤20a测量的温度Tf仍为50℃，则导体温度Tc＝80℃、绝缘层温差ΔTi＝30℃；绝缘层最大电场强度Emax＝19.17kV/mm，该电场强度最大值仍位于绝缘层外表面处，较绝缘层温差ΔTi＝40℃时有所降低。
综合以上内容可知，本实用新型提供的高压直流电缆综合监测系统可以准确地获取高压直流电缆内部电场、温度分布，其测温稳定性不易受敷设环境和电流大小的影响，并且利用BOTDR的应变测量结果可反映高压直流电缆在各种环境下沿线受力情况，由此可见，本实用新型可以同时实现电缆的电场、温度场和受力分布的监测，实现对高压直流电缆运行环境和机械损伤的安全预警，能在高压直流电缆出现问题时及时提醒运维人员，从而利于高压直流电缆的安全运行。
此外，参照图4所示，本实用新型中的高压直流电缆综合监测系统，还可进一步包括告警装置60，告警装置60分别与第一服务器10a、第二服务器10b连接。当第一服务器10a判定高压直流电缆900的受力大于相应的阈值时，则告警装置60发出第一告警信息；当第二服务器10b判定高压直流电缆900内的电场大于相应的阈值时，则告警装置60发出第二告警信息；当第二服务器10b判定高压直流电缆900内的温度大于相应的阈值时，则告警装置60发出第三告警信息。
可选的，参照图4所示，本实用新型中的高压直流电缆综合监测系统还包括显示装置70，显示装置70分别与第一服务器10a、第二服务器10b连接。通过显示装置70可以显示第一服务器10a和第二服务器10b输出的各项数据，方便运维人员核对。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种高压直流电缆综合监测系统，其特征在于，包括：服务器、第一光纤、第二光纤、BOTDR光纤传感终端、用于检测高压直流电缆加载直流电压的电压检测装置以及用于检测所述高压直流电缆电流的电流检测装置；
所述第一光纤和所述第二光纤位于所述高压直流电缆内部的不同径向位置，且所述第一光纤和第二光纤均接入所述BOTDR光纤传感终端；
所述BOTDR光纤传感终端、所述电压检测装置以及所述电流检测装置均与所述服务器通信连接。
2.根据权利要求1所述的高压直流电缆综合监测系统，其特征在于，所述第一光纤设置于所述高压直流电缆的绝缘层的外表面。
3.根据权利要求1或2所述的高压直流电缆综合监测系统，其特征在于，所述第二光纤设置于所述高压直流电缆的铠装层内壁。
4.根据权利要求1所述的高压直流电缆综合监测系统，其特征在于，所述服务器包括第一服务器和第二服务器，所述第一服务器与所述BOTDR光纤传感终端通信连接，所述第二服务器分别与所述BOTDR光纤传感终端、所述电流检测装置、所述电压检测装置连接。
5.根据权利要求1或4所述的高压直流电缆综合监测系统，其特征在于，所述电压检测装置包括电压互感器。
6.根据权利要求1或4所述的高压直流电缆综合监测系统，其特征在于，所述电流检测装置包括电流互感器。
7.根据权利要求1所述的高压直流电缆综合监测系统，其特征在于，所述高压直流电缆为高压直流挤塑绝缘海底电缆。
8.根据权利要求4所述的高压直流电缆综合监测系统，其特征在于，还包括告警装置，所述告警装置分别与所述第一服务器、所述第二服务器连接。
9.根据权利要求4所述的高压直流电缆综合监测系统，其特征在于，还包括显示装置，所述显示装置分别与所述第一服务器、所述第二服务器连接。
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| CN111830328B (zh) * | 2020-08-04 | 2022-04-01 | 清华四川能源互联网研究院 | 参数确定方法、参数确定装置及直流并联电缆 |
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