基於分布式光纖測溫方法的電纜載流量監測系統的製作方法
2023-09-17 14:10:20
專利名稱：基於分布式光纖測溫方法的電纜載流量監測系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基於分布式光纖測溫方法的電纜載流量監測系統。
背景技術：
隨著工業和電力系統的持續發展，電網中的高壓電纜線路日益增多，電力傳輸的強度也一直在不斷地增加，智能電網對輸電系統提出了更高的要求，當電纜在額定負荷下運行時，線芯溫度達到允許值。電纜一旦超過負荷，線芯溫度將急劇上升，加速絕緣老化，甚至發生熱擊穿。所以，必須對電纜的運行溫度進行控制，這就要求電力運行部門對電纜的實際負荷進行合理調度。如何在保證電纜長期安全可靠運行的基礎上提高電纜系統的輸電能力和輸電效率越發成為電力部門關心的重點問題。目前，電纜的載流量計算採用國際上公認的IEC標準，但此標準只可滿足簡單場景下的載流量計算並不適用於複雜場景，存在一定的局限性；另一方面，IEC標準所提供的算法適用於手工計算，這樣的計算方式過於繁瑣，到目前為止IEC的電算化尚未成熟，還處在逐步發展中。同時，當前IEC載流量計算的參數選取也受監測條件限制，通常採用經驗值或估算值，造成載流量計算不準確；運行溫度是電纜的一個重要參數，在電力電纜的選型和敷設階段，由於不可能對實際運行環境進行全面的考慮，通常都是根據標準環境溫度進行的，這樣將導致電纜在環境溫度高或散熱條件不良時運行於過熱狀態，減少運行壽命。因此，如果能夠根據實際運行狀態和運行環境，實時地對電纜的負荷進行調度和調整，不僅能夠保證電纜的運行安全，使其帶負荷能力得到充分發揮，而且在有些情況下還可以解決電力調度中緊急狀況下的電力供應問題。
實用新型內容為彌補現有技術的不足，本實用新型提供一種基於分布式光纖測溫方法的電纜載流量監測系統。為實現上述目的，本實用新型採用如下技術方案基於分布式光纖測溫方法的電纜載流量監測系統，它包括雷射驅動裝置，雷射驅動裝置與電纜中的感溫裝置相配合；感溫裝置與相應的光纖分路器相配合，各個光纖分路器的輸出端與光纜一端連接，光纜另一端與配線箱連接，配線箱與解調裝置相配合，解調裝置輸出端與電纜IEC計算伺服器連接，電纜IEC計算伺服器輸出到客戶終端。所述雷射驅動裝置包括雷射驅動器，雷射驅動器的輸出端與雷射器的輸入端連接。所述感溫裝置為分布式測溫光纖。所述解調裝置為光纖信號解調儀。所述光纜為全介質自承式光纜。所述的基於分布式光纖測溫方法的電纜載流量監測方法，該監測方法包括如下步驟[0012]Stepl 雷射器發出脈衝光注入分布式測溫光纖，測溫光纖產生的後向散射光通過光纖分路器輸入到光纜；經光纜傳輸後最終將光信號輸入到光纖信號解調儀，光纖信號解調儀將解調信號輸入到電纜IEC計算伺服器；乂印3 電纜IEC計算伺服器根據輸入的光信號解析出某段電纜的導體溫度θ c和電纜表面溫度ea，按IEC 60287提供的計算100%負荷因數下的電纜載流量的計算公式計算電纜動態載流量I
「。。151 /= I θε-θα-W^O.ST, +n(T2+T3 +T4)]~~ RT1 + nR(\ + \)T2+nR(\ + \+1,)(^+ΤΛ)其中，導體溫度θ c取測溫系統實時值，相應的導體交流電阻R取對應於0C時的值；θ a為電纜表面溫度，取測溫系統實時值；W為絕緣介質損耗；λ 1是金屬護套損耗係數；λ 2為鎧裝層的損耗係數；Tl、Τ2、Τ3分別為絕緣、內墊襯層、外護層的熱阻，Τ4為電纜和周圍媒質的熱阻，與電纜型號、施工方式有關；η為電纜迴路數；I為當前工況下電纜載流量；St印4 根據st印3求得的每段電纜動態載流量得到該根電纜的動態載流量；St印5 客戶服務端根據電纜IEC計算伺服器輸出的所有電纜的動態載流量，實現各種日常運行工作。所述st印3中，某段電纜導體的交流電阻R = R0X [1+α 20( θ「20) ] X (1+Ys+Yp)； 其中，RO與Ci2tl為定值，依據導體類型而不同，集膚效應因數Ys、鄰近效應因數Yp參見 IEC60287 及 JB/T 10181 系列標準。所述step3中，絕緣介質損耗W由IEC計算伺服器資料庫提供參數，根據某段電纜長度計算得出，單位長度電纜介質損耗可用下式進行計算Wd = oCU02tg5 XlO-6式中，ω = 2 Jif，f為工頻，50Hz ;C為單位長度電纜電容，單位μ F/cm ;tg δ為絕緣材料介質損耗角正切；EO是對地電壓，單位V。所述step4中，某根電纜的動態載流量取該根電纜中各段電纜動態載流量的最小值。有益效果本實用新型可以實現精確的監測電纜運行溫度，根據溫度監測可以得到100%負荷因數載流量信息，與傳統的估計電纜溫度相比減少了電纜載流量的誤差，通過載流量的綜合分析，對電纜運行狀況做出評估，進而為合理調整額定載流量提供科學依據， 同時歸納出各種電纜故障發生的原因以及故障發生前出現的各種異常情況，從而為預報電纜故障提供理論和事實證據，大大提高模擬的準確度，為保證城市電纜安全運營及合理配置輸電能力提供決策依據。
圖1為分布式光纖溫度傳感器系統框圖；圖2為本實用新型的結構示意框圖；圖3為電纜動態載流量監測流程圖；其中，1感溫裝置，2光纖分路器，3光纜，4配線箱，5光纖信號解調儀，6電纜IEC計算伺服器，7客戶服務端，8雷射驅動器，9雷射器，10雙向耦合器，11波分復用器，12光電檢測器APD，13放大器，14採集平均累加器，15微型計算機。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明如圖1所示，為分布式光纖溫度傳感器系統，主要有傳感光纖、雷射器9及雷射驅動器8、雙向耦合器10、波分復用器11、光電檢測器APD 12、放大器13、採集平均累加器14 和微型計算機15組成。雷射器9發出的脈衝光作為泵浦光，經過耦合器注入傳感光纖，脈衝光在傳感光纖中向前傳播的同時，產生向後傳播的後向散射光。後向散射光通過光濾波濾出反斯託克斯光和瑞利光，斯託克斯散射和反斯託克斯散射統稱為拉曼散射，再經過光電轉換和放大電路，放大後的信號被高速數據採集卡採集，經過數據處理和定標，解調出溫度。分布式光纖溫度測溫系統具有以下優點(1)光纖感知溫度和位置信息，傳感器無源，本質安全。傳感器解析度高，測溫精確，響應時間短。(2)可做成大容量，多點，分布式測溫系統；一臺解調儀可帶幾百個傳感器；節省費用。(3)由於全光信號傳輸，不受傳感器距離限制，最大傳感距離達10km，是超遠程溫度檢測系統。本系統結合分布式光纖測溫技術進一步提高了系統的智能化。電纜運行狀況、壓接質量好壞，只能在運行中發現，運行時間越長越容易發生過熱燒穿事故，由此可能造成巨大經濟損失。分布式光纖測溫技術針對電纜因絕緣老化或接觸不良等故障的早期預測而設計的，能夠把這些故障隱患消滅在萌芽中，在故障隱患出現前及時的做出預報，使維護人員能夠實時的了解電纜的運行情況，對可能出現的故障提早進行及時的處理。將分布式光纖溫度傳感器系統的測溫原理利用到電纜載流量監測系統中，如圖2 所示為本實用新型的原理框圖，它包括雷射驅動裝置，雷射驅動裝置與電纜中的感溫裝置1 相配合；感溫裝置1與相應的光纖分路器2相配合，各個光纖分路器2的輸出端與光纜3 — 端連接，光纜3另一端與配線箱4連接，配線箱4與解調裝置相配合，解調裝置輸出端與電纜IEC計算伺服器6連接，電纜IEC計算伺服器6輸出到客戶終端7。所述雷射驅動裝置包括雷射驅動器8，雷射驅動器8的輸出端與雷射器9的輸入端連接。所述感溫裝置1為分布式測溫光纖。所述解調裝置為光纖信號解調儀5。所述光纜為全介質自承式ADSS光纜(All-dielectricSelf-supporting Optical Cable)。分布式測溫光纖是系統的感溫裝置1，直接安裝在電纜內部，用來測量電纜每點的溫度；能夠對數千米範圍內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，藉助拉曼散射技術來實現分布式測量。光纖分路器2主要用一根光纖與多個傳感器之間進行連接，實現分布式布設傳感器；[0042]光纜3是信號傳輸通道，可以內置電纜內部，使用電力用ADSS光纜，具有強的耐高壓和抗擠壓性能；光纖信號解調儀5作用是對光信號進行濾波放大及解調，安裝在監控室內；電纜IEC計算伺服器6採集光纖信號解調儀5傳輸的信息，根據採集到的信息對數據進行處理和定標，實時顯示各個測溫點的溫度數據，同時電纜IEC計算伺服器6根據測得的溫度數據動態進行載流量計算和電纜運行分析。客戶服務端7根據電纜動態載流量計算模塊提交的分析數據和結果實現各種日常運行工作。電纜IEC計算伺服器6進行動態載流量的計算過程，以一根電纜為例進行說明。如圖3所示，將電纜分成k段，利用第i段分布式測溫光纖信號測量第i段的電纜中導體和表層的溫度，光信號通過光纖分路器輸入到光纜，經光纜傳輸後輸入到光纖信號解調儀，光纖信號解調儀將光信號解調並輸入到電纜IEC計算伺服器，電纜IEC計算伺服器對溫度信號進行解析，得出第i段電纜中導體的溫度θ c和電纜表層的溫度θ a。另外，IEC計算伺服器資料庫中具有各種電纜參數，包括電纜芯型、絕緣層、金屬屏蔽層和鎧裝層、敷設方式等，對應不同材質或敷設方式具有不同損耗係數；結合第i段電纜中導體的溫度θ c，可利用公式R = R0X [1+α20( θ「20)] X (1+Ys+Yp)計算出該段電纜導體的交流電阻R，其中，RO與α 2Q為定值，依據導體類型而不同，集膚效應因數Ys、鄰近效應因數Yp計算公式參見IEC60287及JB/T 10181系列標準。電纜第i段絕緣介質損耗W由IEC計算伺服器資料庫提供參數，根據第i段電纜長度計算得出，單位長度(cm)電纜介質損耗可用下式進行計算Wd = oCU02tg5 XlO-6(1)式中，ω = 2 Jif，f為工頻，50Hz ;C為單位長度電纜電容，單位μ F/cm ;tg δ為絕緣材料介質損耗角正切；EO是對地電壓，單位V。電纜金屬護套中損耗Ws與線芯中電流I'的平方成正比，因此它與線芯損耗Wc之比近似為常數，即Ws = λ 1 . Wc(2)式中，λ 1為金屬護套損耗係數，是金屬護套電阻的函數，根據不同線型和敷設方式公式不同，護套電阻根據實時測量溫度計算。Wc = I' 2R,為導體線芯損耗，Γ是線芯中電流。電纜鎧裝層損耗是鎧裝層截面積和金屬電阻的函數，不同鎧裝材料和方式公式不同，一般由電纜鎧裝層損耗係數計算，以三芯圓導體鋼絲鎧裝為例
λ 123^(-)2-3———(3)^R ydA (2.774106 )2 | 1
ω式中，&是實測工作溫度下鎧裝的交流電阻，單位OHM/m ;dA是鎧裝平均直徑；1是導體軸心與電纜中心之間的距離，mm。按照IEC 60287提供的計算100%負荷因數下的電纜載流量的基本算法計算電纜動態載流量，計算按公式[0058]
權利要求1.基於分布式光纖測溫方法的電纜載流量監測系統，其特徵是，它包括雷射驅動裝置， 雷射驅動裝置與電纜中的感溫裝置相配合；感溫裝置與相應的光纖分路器相配合，各個光纖分路器的輸出端與光纜一端連接，光纜另一端與配線箱連接，配線箱與解調裝置相配合， 解調裝置輸出端與電纜IEC計算伺服器連接，電纜IEC計算伺服器輸出到客戶終端。
2.如權利要求1所述的基於分布式光纖測溫方法的電纜載流量監測系統，其特徵是， 所述雷射驅動裝置包括雷射驅動器，雷射驅動器的輸出端與雷射器的輸入端連接。
3.如權利要求1所述的基於分布式光纖測溫方法的電纜載流量監測系統，其特徵是， 所述感溫裝置為分布式測溫光纖。
4.如權利要求1所述的基於分布式光纖測溫方法的電纜載流量監測系統，其特徵是， 所述解調裝置為光纖信號解調儀。
5.如權利要求1所述的基於分布式光纖測溫方法的電纜載流量監測系統，其特徵是， 所述光纜為全介質自承式光纜。
專利摘要本實用新型涉及一種基於分布式光纖測溫方法的電纜載流量監測系統，它包括雷射驅動裝置，雷射驅動裝置與電纜中的感溫裝置相配合；感溫裝置與相應的光纖分路器相配合，各個光纖分路器的輸出端與光纜一端連接，光纜另一端與配線箱連接，配線箱與解調裝置相配合，解調裝置輸出端與電纜IEC計算伺服器連接，電纜IEC計算伺服器輸出到客戶終端。本實用新型結合分布式光纖測溫技術，可以獲得電纜運行的重要的參數，通過載流量的綜合分析，大大提高模擬的準確度，可為保證城市電纜安全運營及合理配置輸電能力提供決策依據。
文檔編號G01K11/32GK201955411SQ20112001004
公開日2011年8月31日 申請日期2011年1月13日 優先權日2011年1月13日
發明者宋來森, 張順生, 彭紅霞, 王玉國, 白萬建, 陳靜 申請人:山東電力集團公司菏澤供電公司