電纜線芯溫度的監測方法和系統與流程

2024-01-21 04:28:15

本發明涉及電力技術領域，特別是涉及一種電纜線芯溫度的監測方法和系統。

背景技術：

電力電纜是電力傳輸的重要載體和保證電網運行的關鍵設備，在我國的使用範圍越來越廣泛。線芯溫度是決定電纜使用壽命的重要參數，當電纜線芯的運行溫度超過某一特定值時，將導致電纜老化加速，嚴重時可能導致電纜熱擊穿，從而引發觸電、火災等事故，這個特定值稱為電纜絕緣材料的長期允許最高工作溫度。但如果為了降低電纜線芯的運行溫度，採取使電纜始終處於低負荷運行的策略，則電纜的工作性能無法得到充分利用。因此，對電纜線芯溫度進行準確檢測以使線芯溫度不超過長期允許最高工作溫度，不僅能確保電纜安全、穩定地運行，而且能提高電纜的容量利用率。

由於線芯溫度難以直接測量，傳統技術主要採用基於暫態熱路模型的算法根據環境溫度反演計算線芯溫度，基於暫態熱路模型的算法需要考慮電纜各層材料的熱容，而熱容的初始溫度往往設定為環境溫度，對於正在運行中的電纜而言，這一設定易造成初始溫度的誤差，從而將對線芯的溫度反演產生直接影響，使得線芯溫度監測誤差較大。

技術實現要素：

基於此，本發明實施例提供一種電纜線芯溫度的監測方法，以降低監測誤差。

為實現上述目的，本發明實施例採用如下方案：

一種電纜線芯溫度的監測方法，包括如下步驟：

根據電纜在上一時刻所處環境的環境溫度、所述電纜的電流以及電纜溫度信息，對所述電纜在當前時刻的溫度信息進行反演計算，獲得所述電纜在當前時刻的電纜溫度信息；所述電纜溫度信息包括所述電纜各層的溫度值；

根據所述電纜在當前時刻的電纜溫度信息與在上一時刻的電纜溫度信息進行比較，判斷當前時刻的線芯溫度值與上一時刻的線芯溫度值之差的絕對值是否小於設定值；

若是，則以當前時刻的電纜溫度信息為電纜溫度初始信息，確定所述電纜在當前時刻之後的線芯溫度。

一種電纜線芯溫度的監測系統，包括：

反演計算模塊，用於根據電纜在上一時刻所處環境的環境溫度、所述電纜的電流以及電纜溫度信息，對所述電纜在當前時刻的溫度信息進行反演計算，獲得所述電纜在當前時刻的電纜溫度信息；所述電纜溫度信息包括所述電纜各層的溫度值；

判斷模塊，用於根據所述電纜在當前時刻的電纜溫度信息與在上一時刻的電纜溫度信息進行比較，判斷當前時刻的線芯溫度值與上一時刻的線芯溫度值之差的絕對值是否小於設定值；

確定模塊，用於在當前時刻的線芯溫度值與上一時刻的線芯溫度值之差的絕對值小於設定值時，以當前時刻的電纜溫度信息為電纜溫度初始信息，確定所述電纜在當前時刻之後的線芯溫度。

本發明利用電纜的實時監測數據作為計算條件，通過計算前後線芯溫度值之差進行不斷修正，能夠準確地獲得電纜各層的初始溫度，並以電纜各層初始溫度作為初始條件，可以精確反演計算電纜線芯溫度，從而實現電纜線芯溫度狀態的實時監測，為電纜絕緣狀態評估提供參考依據。

附圖說明

圖1是本發明的電纜線芯溫度的監測方法在一個實施例中的流程示意圖；

圖2為本發明實施例中時間軸的示意圖；

圖3為本發明實施例中對電纜在監測初始時刻的溫度信息進行反演計算的流程示意圖；

圖4為本發明實施例中電纜各層和土壤各層的結構參數、材料參數的示意圖；

圖5為本發明實施例中電纜各層和土壤各層的集總參數示意圖；

圖6為本發明實施例中電纜的暫態熱路模型；

圖7為本發明實施例中多階躍負荷電流函數的示意圖；

圖8為各種電纜線芯溫度監測方法的監測結果對比圖；

圖9是本發明的電纜線芯溫度的監測系統在一個實施例中的結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合較佳實施例及附圖對本發明的內容作進一步詳細描述。顯然，下文所描述的實施例僅用於解釋本發明，而非對本發明的限定。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。應當理解的是，儘管在下文中採用術語「第一」、「第二」等來描述各種信息，但這些信息不應限於這些術語，這些術語僅用來將同一類型的信息彼此區分開。例如，在不脫離本發明範圍的情況下，「第一」信息也可以被稱為「第二」信息，類似的，「第二」信息也可以被稱為「第一」信息。另外還需要說明的是，為了便於描述，附圖中僅示出了與本發明相關的部分而非全部內容。

圖1是本發明的電纜線芯溫度的監測方法在一個實施例中的流程示意圖，如圖1所示，本實施例中的電纜線芯溫度的監測方法包括以下步驟：

步驟S110，根據電纜在上一時刻所處環境的環境溫度、所述電纜的電流以及電纜溫度信息，對所述電纜在當前時刻的溫度信息進行反演計算，獲得所述電纜在當前時刻的電纜溫度信息；所述電纜溫度信息包括所述電纜各層的溫度值；

電纜由內至外分為多層，依次是線芯、絕緣層、半導電阻水帶、內護套以及外護套。參照圖2所示的時間軸，假設監測初始時刻為t0，對電纜的線芯溫度進行監測時，傳統技術是將監測初始時刻t0時電纜各層的溫度值視為環境溫度，這樣在對線芯溫度進行反演計算時誤差較大，而在本實施例中，採用電纜的實時監測數據來修正電纜各層的溫度值，以減小監測誤差。其中，電纜的實時監測數據包括電纜電流I(t)以及電纜所處環境的環境溫度Th(t)。本實施例中，當前時刻為tn，上一時刻為tn-1，上一時刻tn-1與當前時刻tn相差一個時間單位值，且該時間單位值為10分鐘，即上一時刻與當前時刻的時間差值為10分鐘。

在本實施例中，針對於上一時刻tn-1，獲取其所對應的環境溫度Th(tn-1)和電流I(tn-1)，然後利用上一時刻tn-1所對應的環境溫度Th(tn-1)和電流I(tn-1)，以及上一時刻tn-1所對應的電纜溫度信息Ti(tn-1)，對電纜在當前時刻tn的溫度信息進行反演計算，獲得當前時刻tn對應的電纜溫度信息Ti(tn)。其中，電纜溫度信息包括電纜各層的溫度值，例如，tn時刻的電纜溫度信息Ti(tn)包括線芯溫度值T1(tn)、絕緣層溫度值T2(tn)、半導電阻水層溫度值T3(tn)、內護套溫度值T4(tn)以及外護套溫度值T5(tn)。

在一種可選的實施方式中，參照圖3所示，步驟S110包括以下步驟S201至步驟S202：

步驟S201，獲取所述電纜的暫態熱路模型；

步驟S202，根據所述暫態熱路模型、所述電纜在上一時刻所處環境的環境溫度、所述電纜的電流以及電纜溫度信息進行反演計算，獲得所述電纜在當前時刻的電纜溫度信息。

暫態熱路模型是採用電路形式來表示電纜各層和土壤各層的溫度及熱流情況，電纜各層及土壤各層的熱阻分別用一個與結構參數和材料參數有關的集總熱阻表示。具體的，基於電纜的暫態熱路模型，視上一時刻tn-1至當前時刻tn這一時間段內的環境溫度和電流不變，均為上一時刻tn-1所對應的環境溫度Th(tn-1)和電流I(tn-1)。然後根據tn-1時刻所對應的環境溫度Th(tn-1)、電流I(tn-1)以及電纜溫度信息Ti(tn-1)，通過復頻域變換和節點電壓方程進行反演計算，獲得電纜在當前時刻tn的溫度信息，即獲得電纜溫度信息Ti(tn)。

其中，電纜的暫態熱路模型可以通過以下方式獲得：

根據電纜及土壤的結構參數和材料參數，獲得電纜各層和土壤各層的熱阻和熱容，其中，材料參數包括熱導率、密度和比熱容。然後根據熱阻和熱容計算出電纜各層和土壤各層的集總熱阻和集總熱容，基於集總熱阻和集總熱容構建電纜的暫態熱路模型。

步驟S120，根據所述電纜在當前時刻的電纜溫度信息與在上一時刻的電纜溫度信息進行比較，判斷當前時刻的線芯溫度值與上一時刻的線芯溫度值之差的絕對值是否小於設定值；若是，則進入步驟S130；

具體的，本實施例中上一時刻為tn-1。tn-1時刻的電纜溫度信息也可以通過步驟S110進行計算，參照圖1、圖2所示，根據tn-1時刻的上一時刻tn-2對應的環境溫度Th(tn-2)、電流I(tn-2)以及電纜溫度信息Ti(tn-2)，對電纜在tn-1時刻的溫度信息進行反演計算，從而獲得tn-1時刻的電纜溫度信息Ti(tn-1)。。在本發明電纜線芯溫度的監測方法的另一個實施例中，若上一時刻tn-1為監測初始時刻t0，則上一時刻的電纜溫度信息Ti(tn-1)中電纜各層的溫度值均為t0時電纜所處環境的環境溫度。

在計算出當前時刻tn的電纜溫度信息Ti(tn)後，將電纜溫度信息Ti(tn)與已計算出的上一時刻tn-1對應的電纜溫度信息Ti(tn-1)進行比較，判斷電纜溫度信息Ti(tn)中的線芯溫度值T1(tn)與電纜溫度信息Ti(tn-1)中的線芯溫度值T1(tn-1)之差的絕對值是否小於設定值，即判斷下式是否滿足：

|T1(tn)-T1(tn-1)|＜TD (1)

式(1)中，TD為設定值，可選的，本實施例中TD取值為0.01℃。若式(1)滿足，則認為滿足收斂條件。

步驟S130，以當前時刻的電纜溫度信息為電纜溫度初始信息，確定所述電纜在當前時刻之後的線芯溫度。

當式(1)滿足時，以當前時刻的電纜溫度信息Ti(tn)作為電纜溫度初始信息，以後依據電纜溫度信息Ti(tn)進行反演計算，即可確定電纜在當前時刻tn之後各個時刻的線芯溫度。

如果式(1)不滿足，則針對於下一時刻tn+1(即在時間軸上當前時刻tn相差一個時間單位值Δt，且在當前時刻之後)，重複步驟S110至步驟S130，即利用tn時刻所對應的環境溫度Th(tn)和電流I(tn)，對電纜在tn+1時刻的溫度信息進行反演計算，獲得電纜溫度信息Ti(tn+1)，並判斷Ti(tn+1)中的線芯溫度值T1(tn+1)與T1(tn)之差的絕對值是否小於設定值。通過這種循環比較方式，尋找到滿足收斂條件的電纜溫度信息，並以此電纜溫度信息作為電纜溫度初始信息，通過反演計算後即可確定電纜的線芯溫度。

本發明實施例利用電纜的實時監測數據作為計算條件，通過計算前後線芯溫度值之差進行不斷修正，能夠準確地獲得電纜各層的初始溫度，並以電纜各層初始溫度作為初始條件，可以精確反演電纜線芯溫度，從而實現電纜線芯溫度狀態的實時監測，為電纜絕緣狀態評估提供參考依據。

需要說明的是，對於前述的各方法實施例，為了簡便描述，將其都表述為一系列的動作組合，但是本領域技術人員應該知悉，本發明並不受所描述的動作順序的限制，因為依據本發明，某些步驟可以採用其它順序或者同時進行。

下面以110kV單芯直埋式電纜為例來對本發明的電纜線芯溫度的監測方法作進一步說明。

對於110kV單芯直埋式電纜，為獲得其暫態熱路模型，首先計算電纜各層及土壤各層的集總熱路參數，包括集總熱阻和集總熱容。在本實例中，從電纜的線芯到土壤層共7層，電纜從內到外分別是線芯、絕緣層(本實例中為交聯聚乙烯層)、半導電阻水帶、內護套(本實施例中為鋁護套層)以及外護套，土壤包括砂石層和土壤層。電纜各層和土壤各層的結構參數(厚度)和材料參數(熱導率、密度以及比熱容)見圖4。根據圖4中的結構參數和材料參數，採用集總熱路參數計算公式獲得各層的集總熱阻和集總熱容，計算結果如圖5所示。然後根據圖5中電纜各層和土壤各層的集總熱路參數構建電纜的暫態熱路模型。參照圖6所示的電纜暫態熱路模型中，其中Wc為線芯熱流源，C1為絕緣層熱容，C2為半導電阻水帶熱容，C3為鋁護套熱容，C4為外護套熱容，C5為砂石層熱容，C6為土壤層熱容；R1為絕緣層熱阻，R2為半導電阻水帶熱阻，R3為鋁護套熱阻，R4為外護套熱阻，R5為砂石層熱阻，R6為土壤層熱阻；T1為線芯溫度，T2為絕緣層溫度，T3為半導電阻水帶溫度，T4為鋁護套溫度，T5為外護套溫度，T6為砂石層溫度，T7為環境溫度。其中，由於線芯的材料為銅，而銅的導熱係數很大，熱阻非常小，因此在電纜的暫態熱路模型中線芯的熱阻可以忽略。

在本實例中，環境溫度維持在30℃，電纜電流值為1000A，在進行監測前，電流穩定在700A，並設監測初始時刻t0＝0h(h表示小時)，此後電流分別以100A為間隔從800A到1000A取值，其中，800A和900A均維持8h，1000A維持24小時，該多階躍負荷電流函數如圖7所示。經多次實驗，設定值TD較佳取0.01℃。

根據本發明實施例所提供的電纜線芯溫度的監測方法，假設時間單位值Δt取10min(min表示分鐘)，針對於與t0相差一個Δt的時刻t1，即t1＝10min，利用t0時刻對應的環境溫度和電流，基於電纜的暫態熱路模型，通過復頻域變換和節點電壓方程對t1時刻的溫度信息進行反演計算，獲得t1時刻的電纜溫度信息Ti(t1)，並確定其中的線芯溫度值T1(t1)為32.5453℃，經比較：

|T1(t1)-T1(t0)|＝2.5153>0.01

其中T1(t0)表示t0時電纜的線芯溫度值，該值取環境溫度30℃。通過上式判定收斂條件不滿足，故進行第二次計算，選取下一時刻t2，t2在時間軸上與t1相差一個時間單位值Δt，且在t1時刻之後，即t2＝20min，確定t1時刻對應的環境溫度和電流，並依據t1時刻對應的環境溫度、電流以及電纜溫度信息計算t2時刻的電纜溫度信息，然後不斷重複上述計算步驟，在進行第104次計算時，t104＝17h20min，依據t103時刻對應的環境溫度、電流以及電纜溫度信息，計算出t104時刻的電纜溫度信息Ti(t104)，將其與t103時刻的電纜溫度信息Ti(t103)進行比較，判定電纜溫度信息Ti(t104)中的線芯溫度值T1(t104)與電纜溫度信息Ti(t103)中的線芯溫度值T1(t103)之差的絕對值小於設定值TD，即：

|T1(t104)-T1(t103)|＝0.009＜0.01

故收斂條件滿足，可將Ti(t104)作為電纜溫度初始信息，此後以該電纜溫度初始信息對t104之後的電纜線芯溫度進行監測，可以得到更準確的監測結果。以Ti(t104)作為電纜溫度初始信息計算線芯溫度的結果如圖8中曲線2所示。在圖8中，曲線3為以環境溫度作為電纜各層初始溫度的線芯溫度監測結果，曲線1為線芯溫度實際值。從圖8中可以看出，以環境溫度作為各層初始溫度的線芯溫度計算結果與實際值相差較大，且誤差主要集中在計算的起始階段，而基於本實施例中的方法，對電纜各層初始溫度進行修正後監測精度大大提高，相對誤差在5％以內，由此可見本發明所提供的電纜線芯溫度檢測方法的準確性，可以滿足工程需要。

根據上述本發明的電纜線芯溫度的監測方法，本發明還提供一種電纜線芯溫度的監測系統，下面結合附圖及較佳實施例對本發明的電纜線芯溫度的監測系統進行說明。

圖9為本發明的電纜線芯溫度的監測系統在一個實施例中的結構示意圖。如圖9所示，該實施例中的電纜線芯溫度的監測系統包括：

反演計算模塊10，用於根據電纜在上一時刻所處環境的環境溫度所述電纜的電流以及電纜溫度信息，對所述電纜在當前時刻的溫度信息進行反演計算，獲得所述電纜在當前時刻的電纜溫度信息；所述電纜溫度信息包括所述電纜各層的溫度值；

判斷模塊20，用於根據所述電纜在當前時刻的電纜溫度信息與在上一時刻的電纜溫度信息進行比較，判斷當前時刻的線芯溫度值與上一時刻的線芯溫度值之差的絕對值是否小於設定值；

確定模塊30，用於在當前時刻的線芯溫度值與上一時刻的線芯溫度值之差的絕對值小於設定值時，以當前時刻的電纜溫度信息為電纜溫度初始信息，確定所述電纜在當前時刻之後的線芯溫度。

在一種可選的實施方式中，若上一時刻為監測初始時刻，則上一時刻的電纜溫度信息中電纜各層的溫度值，均為電纜在監測初始時刻所處環境的環境溫度。

在一種可選的實施方式中，所述上一時刻與當前時刻的時間差值為10分鐘。

可選的，所述設定值為0.01℃。

在一種可選的實施方式中，仍參照圖9所示，反演計算模塊20包括：

模型獲取模塊201，用於獲取所述電纜的暫態熱路模型；

計算模塊202，用於根據所述暫態熱路模型、所述電纜在上一時刻所處環境的環境溫度、所述電纜的電流以及電纜溫度信息進行反演計算，獲得所述電纜在當前時刻的電纜溫度信息。。

上述電纜線芯溫度的監測系統可執行本發明實施例所提供的電纜線芯溫度的監測方法，具備執行方法相應的功能模塊和有益效果。

以上所述實施例的各技術特徵可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特徵所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特徵的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的範圍。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。