基于分布式光纖測溫方法的電纜載流量監(jiān)測方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于分布式光纖測溫方法的電纜載流量監(jiān)測方法及系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)包括激光驅(qū)動裝置、分布式測溫光纖、光纖分路器、光纖信號解調(diào)儀、電纜IEC計算服務(wù)器和客戶端；分布式測溫光纖并入待測電纜；分布式測溫光纖分別與激光驅(qū)動裝置和光纖分路器連接；光纖分路器通過光纜接入光纖信號解調(diào)儀，光纖信號解調(diào)儀的輸出端與電纜IEC計算服務(wù)器連接；電纜IEC計算服務(wù)器將數(shù)據(jù)輸出到客戶端。該監(jiān)測方法是利用分布式光纖測溫的原理，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)光纖分路器、光纖信號解調(diào)儀傳遞到電纜IEC計算服務(wù)器，經(jīng)計算得到電纜整體動態(tài)載流量，供客戶端使用。實現(xiàn)實時監(jiān)測，預報故障隱患，減少實際損失。
【專利說明】
基于分布式光纖測溫方法的電纜載流量監(jiān)測方法及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電力系統(tǒng)電纜流量監(jiān)測方法領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種基于分布式光纖測 溫方法的電纜載流量監(jiān)測方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著工業(yè)和電力系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展，電網(wǎng)中的高壓電纜線路日益增多，電力傳輸?shù)?強度也一直在不斷地增加，智能電網(wǎng)對輸電系統(tǒng)提出了更高的要求，當電纜在額定負荷下 運行時，線忍溫度達到允許值。電纜一旦超過負荷，線忍溫度將急劇上升，加速絕緣老化，甚 至發(fā)生熱擊穿。所W，必須對電纜的運行溫度進行控制，運就要求電力運行部口對電纜的實 際負荷進行合理調(diào)度。如何在保證電纜長期安全可靠運行的基礎(chǔ)上提高電纜系統(tǒng)的輸電能 力和輸電效率越發(fā)成為電力部口關(guān)屯、的重點問題。
[0003] 目前，電纜的載流量計算采用國際上公認的IEC標準，但此標準只可滿足簡單場景 下的載流量計算并不適用于復雜場景，存在一定的局限性;另一方面，IEC標準所提供的算 法適用于手工計算，運樣的計算方式過于繁瑣，到目前為止IEC的電算化尚未成熟，還處在 逐步發(fā)展中。同時，當前IEC載流量計算的參數(shù)選取也受監(jiān)測條件限制，通常采用經(jīng)驗值或 估算值，造成載流量計算不準確;運行溫度是電纜的一個重要參數(shù)，在電力電纜的選型和敷 設(shè)階段，由于不可能對實際運行環(huán)境進行全面的考慮，通常都是根據(jù)標準環(huán)境溫度進行的， 運樣將導致電纜在環(huán)境溫度高或散熱條件不良時運行于過熱狀態(tài)，減少運行壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于分布式光纖測溫方法的電纜載流量 監(jiān)測方法及系統(tǒng)，能根據(jù)實際運行狀態(tài)和運行環(huán)境，實時對電纜的負荷進行調(diào)度和調(diào)整，不 僅保證電纜的運行安全，使其帶負荷能力得到充分發(fā)揮，而且在有些情況下還可解決電力 調(diào)度中緊急狀況下的電力供應問題。
[0005] 為此，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -種基于分布式光纖測溫方法的電纜載流量監(jiān)測系統(tǒng)，包括激光驅(qū)動裝置、分布 式測溫光纖、光纖分路器、光纖信號解調(diào)儀、電纜IEC計算服務(wù)器和客戶端;所述分布式測溫 光纖并入待測電纜;所述分布式測溫光纖分別與激光驅(qū)動裝置和光纖分路器連接;所述光 纖分路器通過光纜接入配線箱，配線箱與光纖信號解調(diào)儀相配合，光纖信號解調(diào)儀的輸出 端與電纜IEC計算服務(wù)器連接;電纜IEC計算服務(wù)器將數(shù)據(jù)輸出到客戶端。
[0007] 優(yōu)選，所述激光驅(qū)動裝置包括連接在一起的激光驅(qū)動器和激光器。
[000引所述光纜為全介質(zhì)自承式ADSS光纜(All-dielectric Self-suppo;rting Optical &ble)。
[0009] 優(yōu)選，所述光纖分路器同時與多條待測光纖內(nèi)的分布式測溫光纖相連接。
[0010] 分布式測溫光纖直接安裝在電纜內(nèi)部，用來測量電纜每點的溫度;能夠?qū)?shù)千米 范圍內(nèi)空間點的溫度進行實時測量，不同溫度反射不同光波長信號，借助拉曼散射技術(shù)來 實現(xiàn)分布式測量。
[0011] 利用上述電纜載流量監(jiān)測系統(tǒng)進行電纜載流量監(jiān)測的方法，包括如下步驟：
[0012] 1)激光驅(qū)動裝置發(fā)出脈沖光注入分布式測溫光纖，測溫光纖產(chǎn)生的后向散射光通 過光纖分路器將光信號輸入到光纜；
[0013] 2)經(jīng)光纜傳輸后，將光信號輸入到光纖信號解調(diào)儀，光纖信號解調(diào)儀將解調(diào)信號 輸入到電纜IEC計算服務(wù)器；
[0014] 3)所述電纜IEC計算服務(wù)器根據(jù)輸入的光信號解析出某段電纜的導體溫度0。和電 纜表面溫度03,按IEC 60287提供的計算1%負荷因數(shù)下的電纜載流量的計算公式，即公式 (1)，計算電纜動態(tài)載流量I:
[0015] (1)
[0016] 其中，導體溫度0C取測溫系統(tǒng)實時值，相應的導體交流電阻R取對應于0C時的值;0a 為電纜表面溫度，取測溫系統(tǒng)實時值;Wd為絕緣介質(zhì)損耗;Al是金屬護套損耗系數(shù);為銷裝 層的損耗系數(shù);Ti、T2、T3分別為絕緣、內(nèi)墊襯層、外護層的熱阻，T4為電纜和周圍媒質(zhì)的熱 阻，與電纜型號、施工方式有關(guān);n為電纜回路數(shù);I為當前工況下電纜載流量；
[0017] 4)依據(jù)每個測溫點將電纜分成k段，每段電纜i根據(jù)其測溫點實際測量溫度，按照 步驟3)計算動態(tài)載流量Ii,同時依據(jù)公式(2)得到該根電纜整體動態(tài)載流量I:
[001 引 I=min{Ii，l2，...，Ii，Ik} (2)
[0019] 5)所述電纜IEC計算服務(wù)器將計算得到的數(shù)據(jù)傳輸給客戶端，供客戶端調(diào)用。
[0020] 進一步:步驟3)中某段電纜導體的交流電阻為
[0021] R = R〇*[l+a20(目 c-20)]*(l 巧 s+Yp);
[0022] 其中，Ro與020為定值，依據(jù)導體類型而不同，集膚效應因數(shù)Ys、鄰近效應因數(shù)Yp參見 IEC60287及JB/T 101 81 系列標準。
[0023] 進一步，步驟3)中絕緣介質(zhì)損耗Wd由IEC計算服務(wù)器數(shù)據(jù)庫提供參數(shù)，根據(jù)某i段 電纜長度計算得出，單位長度電纜介質(zhì)損耗可用下式進行計算：
[0024]
[0025] 式中，O =化f，f為工頻，50監(jiān);C為單位長度電纜電容，單位iiF/cm;tgS為絕緣材料 介質(zhì)損耗角正切;Uo是對地電壓，單位V。
[0026] 步驟4)中某根電纜的動態(tài)載流量取該根電纜中各段電纜動態(tài)載流量的最小值。
[0027] 該電纜載流量監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合分布式光纖測溫技術(shù)進一步提高了系統(tǒng)的智能化。電 纜運行狀況、壓接質(zhì)量好壞，只能在運行中發(fā)現(xiàn)，運行時間越長越容易發(fā)生過熱燒穿事故， 由此可能造成巨大經(jīng)濟損失。分布式光纖測溫技術(shù)針對電纜因絕緣老化或接觸不良等故障 的早期預測而設(shè)計，能夠把運些故障隱患消滅在萌芽中，在故障隱患出現(xiàn)前及時的做出預 報，使維護人員能夠?qū)崟r的了解電纜的運行情況，對可能出現(xiàn)的故障提早進行及時的處理。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明基于分布式光纖測溫方法的電纜載流量監(jiān)測系統(tǒng)的框架圖；
[0029] 圖2為【具體實施方式】中利用電纜載流量監(jiān)測系統(tǒng)進行電纜載流量監(jiān)測的方法。
【具體實施方式】
[0030] W下結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案進行描述。
[0031] 如圖1所示，一種基于分布式光纖測溫方法的電纜載流量監(jiān)測系統(tǒng)，包括激光驅(qū)動 裝置、分布式測溫光纖1、光纖分路器2、光纖信號解調(diào)儀5、電纜IEC計算服務(wù)器6和客戶端7; 所述分布式測溫光纖1并入待測電纜;所述分布式測溫光纖1分別與激光驅(qū)動裝置和光纖分 路器2連接;所述光纖分路器2通過光纜3接入配線箱4，配線箱4與光纖信號解調(diào)儀5相配合， 光纖信號解調(diào)儀5的輸出端與電纜IEC計算服務(wù)器6連接；電纜IEC計算服務(wù)器則尋數(shù)據(jù)輸出 到客戶端7。
[0032] 優(yōu)選，所述激光驅(qū)動裝置包括連接在一起的激光驅(qū)動器和激光器。
[0033] 所述光纜3為全介質(zhì)自承式ADSS光纜（All-dielectric Self-S叩po;rting Optical C曰ble)〇
[0034] 優(yōu)選，所述光纖分路器2同時與多條待測光纖內(nèi)的分布式測溫光纖I相連接。
[0035] 分布式測溫光纖1直接安裝在電纜內(nèi)部，用來測量電纜每點的溫度;能夠?qū)?shù)千米 范圍內(nèi)空間點的溫度進行實時測量，不同溫度反射不同光波長信號，借助拉曼散射技術(shù)來 實現(xiàn)分布式測量。
[0036] 利用上述電纜載流量監(jiān)測系統(tǒng)進行電纜載流量監(jiān)測的方法，包括如下步驟：
[0037] 1)激光驅(qū)動裝置發(fā)出脈沖光注入分布式測溫光纖1，測溫光纖產(chǎn)生的后向散射光 通過光纖分路器2將光信號輸入到光纜3;
[0038] 2)經(jīng)光纜3傳輸后，將光信號輸入到光纖信號解調(diào)儀5,光纖信號解調(diào)儀5將解調(diào)信 號輸入到電纜IEC計算服務(wù)器6;
[0039] 3)電纜IEC計算服務(wù)器6進行動態(tài)載流量的計算過程，W-根電纜為例進行說明。 如圖2所示，將電纜分成k段，利用第i段分布式測溫光纖1信號測量第i段的電纜中導體和表 層的溫度，光信號通過光纖分路器2輸入到光纜3,經(jīng)光纜3傳輸后輸入到光纖信號解調(diào)儀5， 光纖信號解調(diào)儀引尋光信號解調(diào)并輸入到電纜IEC計算服務(wù)器6,電纜IEC計算服務(wù)器6對溫 度信號進行解析，得出第i段電纜中導體的溫度0C和電纜表層的溫度03。
[0040] 另外，IEC計算服務(wù)器6數(shù)據(jù)庫中具有各種電纜參數(shù)，包括:電纜忍型、絕緣層、金屬 屏蔽層和銷裝層、敷設(shè)方式等，對應不同材質(zhì)或敷設(shè)方式具有不同損耗系數(shù);結(jié)合第i段電 纜中導體的溫度0C，可利用公式
[0041] R = R〇*[l+a20(目 c-20)]*(l+Ys 巧 P)
[0042] 計算出該段電纜導體的交流電阻R，其中，Ro與020為定值，依據(jù)導體類型而不同，集 膚效應因數(shù)Ys、鄰近效應因數(shù)Yp計算公式參見IEC60287及JB/T 101 81系列標準。
[0043] 電纜第i段絕緣介質(zhì)損耗Wd由IEC計算服務(wù)器6數(shù)據(jù)庫提供參數(shù)，根據(jù)第i段電纜長 度計算得出，單位長度(cm)電纜介質(zhì)損耗可用下式進行計算：
[0044]
[0045] 式中，CO =化f，f為工頻，50監(jiān);C為單位長度電纜電容，單位iiF/cm;tgS為絕緣材料 介質(zhì)損耗角正切;Uo是對地電壓，單位V。
[0046] 電纜金屬護套中損耗Ws與線忍中電流I'的平方成正比，因此它與線忍損耗Wc之比 近似為常數(shù)，即：
[0047] Ws = Ai ? Wc
[004引式中，Al為金屬護套損耗系數(shù)，是金屬護套電阻的函數(shù)，根據(jù)不同線型和敷設(shè)方式 公式不同，護套電阻根據(jù)實時測量溫度計算。Wc=T2R,為導體線忍損耗，I'是線忍中電流。 [0049]電纜銷裝層損耗是銷裝層截面積和金屬電阻的函數(shù)，不同銷裝材料和方式公式不 同，一般由電纜銷裝層損耗系數(shù)計算，W=忍圓導體鋼絲銷裝為例：
[(K)加]
[0051] 式中，Ra實測工作溫度下銷裝的交流電阻，單位0HM/m;dA是銷裝平均直徑;1是導體 軸屯、與電纜中屯、之間的距離，mm。
[0052] 按照IEC 60287提供的計算1%負荷因數(shù)下的電纜載流量的基本算法計算電纜動 態(tài)載流量，計算按公式：
[0化3] (I)
[0054] 計算時，公式中導體溫度0。取測溫系統(tǒng)實時測量值，相應的導體交流電阻R取對應 于該溫度時的值，目。若取導體溫度W為化PE(主絕緣)能耐受的最高工作溫度90°C，相應的 導體交流電阻對應于90°C時的值，可計算電纜持續(xù)允許載流量;03為電纜表面溫度，取測溫 系統(tǒng)實時測量值;機為絕緣介質(zhì)損耗;M為金屬護套損耗系數(shù)，利用公式Ws = Ai . W。得到，入2 為銷裝層的損耗系數(shù);Ti、T2、T3分別為絕緣、內(nèi)墊襯層、外護層的熱阻;T4為電纜和周圍媒質(zhì) 的熱阻，與電纜型號、施工方式有關(guān);n為電纜回路數(shù);Ii為當前工況下第i段的電纜載流量。
[0055] 因為實際中不同位置電纜的導體和金屬套溫度往往不同，導致電阻率不同、損耗 不同，反過來又造成電纜的導體和金屬套溫度的不同，所W不同位置的電纜的動態(tài)載流量 也會不同，本算法根據(jù)每個測溫點將電纜分成k段，每段電纜i根據(jù)其測溫點實際測量溫度 計算按公式(4)逐一計算動態(tài)載流量Ii,故該根電纜整體動態(tài)載流量I為：
[0056] I=min{Ii，l2，...，Ii，Ik}
[0057] 該電纜載流量監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合分布式光纖測溫技術(shù)進一步提高了系統(tǒng)的智能化。電 纜運行狀況、壓接質(zhì)量好壞，只能在運行中發(fā)現(xiàn)，運行時間越長越容易發(fā)生過熱燒穿事故， 由此可能造成巨大經(jīng)濟損失。分布式光纖測溫技術(shù)針對電纜因絕緣老化或接觸不良等故障 的早期預測而設(shè)計，能夠把運些故障隱患消滅在萌芽中，在故障隱患出現(xiàn)前及時的做出預 報，使維護人員能夠?qū)崟r的了解電纜的運行情況，對可能出現(xiàn)的故障提早進行及時的處理。
【主權(quán)項】
1. 一種基于分布式光纖測溫方法的電纜載流量監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:包括激光驅(qū)動 裝置、分布式測溫光纖（1)、光纖分路器(2)、光纖信號解調(diào)儀(5)、電纜IEC計算服務(wù)器(6)和 客戶端(7);所述分布式測溫光纖（1)并入待測電纜;所述分布式測溫光纖(1)分別與激光驅(qū) 動裝置和光纖分路器(2)連接;所述光纖分路器(2)通過光纜(3)接入配線箱(4)，配線箱(4) 與光纖信號解調(diào)儀(5)相配合，光纖信號解調(diào)儀(5)的輸出端與電纜IEC計算服務(wù)器(6)連 接;電纜IEC計算服務(wù)器(6)將數(shù)據(jù)輸出到客戶端(7)。2. 如權(quán)利要求1所述基于分布式光纖測溫方法的電纜載流量監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所 述激光驅(qū)動裝置包括連接在一起的激光驅(qū)動器和激光器。3. 如權(quán)利要求1所述基于分布式光纖測溫方法的電纜載流量監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所 述光纖分路器(2)同時與多條待測光纖內(nèi)的分布式測溫光纖(1)相連接。4. 利用如權(quán)利要求1~3中任意一項所述電纜載流量監(jiān)測系統(tǒng)進行電纜載流量監(jiān)測的 方法，其特征在于包括如下步驟： 1) 激光驅(qū)動裝置發(fā)出脈沖光注入分布式測溫光纖（1)，測溫光纖產(chǎn)生的后向散射光通 過光纖分路器(2)將光信號輸入到光纜(3); 2) 經(jīng)光纜(3)傳輸后，將光信號輸入到光纖信號解調(diào)儀(5)，光纖信號解調(diào)儀(5)將解調(diào) 信號輸入到電纜IEC計算服務(wù)器(6); 3) 所述電纜IEC計算服務(wù)器(6)根據(jù)輸入的光信號解析出某段電纜的導體溫度Θ。和電纜 表面溫度93，按IEC 60287提供的計算1 %負荷因數(shù)下的電纜載流量的計算公式，即公式 (1)，計算電纜動態(tài)載流量I: ? 1 -1" "' 1 乂(1) 其中，導體溫度Θ。取測溫系統(tǒng)實時值，相應的導體交流電阻R取對應于Θ。時的值;0a為電 纜表面溫度，取測溫系統(tǒng)實時值;Wd為絕緣介質(zhì)損耗;A1是金屬護套損耗系數(shù);λ2為銷裝層的 損耗系數(shù);ThI^T 3分別為絕緣、內(nèi)墊襯層、外護層的熱阻，T4為電纜和周圍媒質(zhì)的熱阻，與 電纜型號、施工方式有關(guān);η為電纜回路數(shù);I為當前工況下電纜載流量； 4) 依據(jù)每個測溫點將電纜分成k段，每段電纜i根據(jù)其測溫點實際測量溫度，按照步驟 3)計算動態(tài)載流量Ii，同時依據(jù)公式(2)得到該根電纜整體動態(tài)載流量I: I=min{Ii，l2,…，Ii，Ik} (2) 5) 所述電纜IEC計算服務(wù)器(6)將計算得到的數(shù)據(jù)傳輸給客戶端（7)，供客戶端（7)調(diào) 用。5. 如權(quán)利要求4所述方法，其特征在于:步驟3)中某段電纜導體的交流電阻為 R=Ro*[l+a2〇(0c-2O)]*(l+Ys+YP)； 其中，Ro與a2Q為定值，依據(jù)導體類型而不同，集膚效應因數(shù)Ys、鄰近效應因數(shù)Yp參見 IEC60287及 JB/T 101 81 系列標準。6. 如權(quán)利要求4所述方法，其特征在于:步驟3)中絕緣介質(zhì)損耗Wd由IEC計算服務(wù)器(6) 數(shù)據(jù)庫提供參數(shù)，根據(jù)某i段電纜長度計算得出，單位長度電纜介質(zhì)損耗可用下式進行計 算：式中，ω = 2Jif，f為工頻，50HZ;C為單位長度電纜電容，單位yF/cm; tgS為絕緣材料介質(zhì) 損耗角正切;Uo是對地電壓，單位V。7. 如權(quán)利要求4所述方法，其特征在于:步驟3)中金屬護套損耗系數(shù)1:與金屬護套損耗 Ws、線芯損耗W。成關(guān)系如下：式中，Wc = T2R,為導體線芯損耗，Γ是線芯中電流。8. 如權(quán)利要求4所述方法，其特征在于:步驟3)中電纜銷裝層損耗系數(shù)用下式子計算：式中，Ra實測工作溫度下銷裝的交流電阻，單位OHM/m;dA是銷裝平均直徑；1是導體軸心 與電纜中心之間的距離，mm。
【文檔編號】G01K11/32GK106019009SQ201610340284
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】孫寶平, 侯宏生, 董學坤, 楊福君, 杜彬, 田小禾, 李雙寶
【申請人】國網(wǎng)天津市電力公司, 國家電網(wǎng)公司