基于分布式光纖測溫方法的電纜載流量監測方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種基于分布式光纖測溫方法的電纜載流量監測方法及系統，該檢測系統包括激光驅動裝置、分布式測溫光纖、光纖分路器、光纖信號解調儀、電纜IEC計算服務器和客戶端；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儀，光纖信號解調儀的輸出端與電纜IEC計算服務器連接；電纜IEC計算服務器將數據輸出到客戶端。該監測方法是利用分布式光纖測溫的原理，將采集到的數據經光纖分路器、光纖信號解調儀傳遞到電纜IEC計算服務器，經計算得到電纜整體動態載流量，供客戶端使用。實現實時監測，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測方法及系統
技術領域
[0001] 本發明設及電力系統電纜流量監測方法領域，特別是設及一種基于分布式光纖測 溫方法的電纜載流量監測方法及系統。
【背景技術】
[0002] 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口關屯、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，通常采用經驗值或 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，由于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， 運樣將導致電纜在環境溫度高或散熱條件不良時運行于過熱狀態，減少運行壽命。
【發明內容】
[0004] 為了解決上述技術問題，本發明提供一種基于分布式光纖測溫方法的電纜載流量 監測方法及系統，能根據實際運行狀態和運行環境，實時對電纜的負荷進行調度和調整，不 僅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解決電力 調度中緊急狀況下的電力供應問題。
[0005] 為此，本發明的技術方案如下：
[0006] -種基于分布式光纖測溫方法的電纜載流量監測系統，包括激光驅動裝置、分布 式測溫光纖、光纖分路器、光纖信號解調儀、電纜IEC計算服務器和客戶端;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儀相配合，光纖信號解調儀的輸出 端與電纜IEC計算服務器連接;電纜IEC計算服務器將數據輸出到客戶端。
[0007] 優選，所述激光驅動裝置包括連接在一起的激光驅動器和激光器。
[000引所述光纜為全介質自承式ADSS光纜(All-dielectric Self-suppo;rting Optical &ble)。
[0009] 優選，所述光纖分路器同時與多條待測光纖內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部，用來測量電纜每點的溫度;能夠對數千米 范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，借助拉曼散射技術來 實現分布式測量。
[0011] 利用上述電纜載流量監測系統進行電纜載流量監測的方法，包括如下步驟：
[0012] 1)激光驅動裝置發出脈沖光注入分布式測溫光纖，測溫光纖產生的后向散射光通 過光纖分路器將光信號輸入到光纜；
[0013] 2)經光纜傳輸后，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計算服務器；
[0014] 3)所述電纜IEC計算服務器根據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%負荷因數下的電纜載流量的計算公式，即公式 (1)，計算電纜動態載流量I:
[0015] (1)
[0016] 其中，導體溫度0C取測溫系統實時值，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，取測溫系統實時值;Wd為絕緣介質損耗;Al是金屬護套損耗系數;為銷裝 層的損耗系數;Ti、T2、T3分別為絕緣、內墊襯層、外護層的熱阻，T4為電纜和周圍媒質的熱 阻，與電纜型號、施工方式有關;n為電纜回路數;I為當前工況下電纜載流量；
[0017] 4)依據每個測溫點將電纜分成k段，每段電纜i根據其測溫點實際測量溫度，按照 步驟3)計算動態載流量Ii,同時依據公式(2)得到該根電纜整體動態載流量I:
[001 引 I=min{Ii，l2，...，Ii，Ik} (2)
[0019] 5)所述電纜IEC計算服務器將計算得到的數據傳輸給客戶端，供客戶端調用。
[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 101 81 系列標準。
[0023] 進一步，步驟3)中絕緣介質損耗Wd由IEC計算服務器數據庫提供參數，根據某i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：
[0024]
[0025] 式中，O =化f，f為工頻，50監;C為單位長度電纜電容，單位iiF/cm;tgS為絕緣材料 介質損耗角正切;Uo是對地電壓，單位V。
[0026] 步驟4)中某根電纜的動態載流量取該根電纜中各段電纜動態載流量的最小值。
[0027] 該電纜載流量監測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，能夠把運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。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發明基于分布式光纖測溫方法的電纜載流量監測系統的框架圖；
[0029] 圖2為【具體實施方式】中利用電纜載流量監測系統進行電纜載流量監測的方法。
【具體實施方式】
[0030] W下結合附圖和【具體實施方式】對本發明的技術方案進行描述。
[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測系統，包括激光驅動 裝置、分布式測溫光纖1、光纖分路器2、光纖信號解調儀5、電纜IEC計算服務器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與光纖信號解調儀5相配合， 光纖信號解調儀5的輸出端與電纜IEC計算服務器6連接；電纜IEC計算服務器則尋數據輸出 到客戶端7。
[0032] 優選，所述激光驅動裝置包括連接在一起的激光驅動器和激光器。
[0033] 所述光纜3為全介質自承式ADSS光纜（All-dielectric Self-S叩po;rting Optical C曰ble)〇
[0034] 優選，所述光纖分路器2同時與多條待測光纖內的分布式測溫光纖I相連接。
[0035] 分布式測溫光纖1直接安裝在電纜內部，用來測量電纜每點的溫度;能夠對數千米 范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，借助拉曼散射技術來 實現分布式測量。
[0036] 利用上述電纜載流量監測系統進行電纜載流量監測的方法，包括如下步驟：
[0037] 1)激光驅動裝置發出脈沖光注入分布式測溫光纖1，測溫光纖產生的后向散射光 通過光纖分路器2將光信號輸入到光纜3;
[0038] 2)經光纜3傳輸后，將光信號輸入到光纖信號解調儀5,光纖信號解調儀5將解調信 號輸入到電纜IEC計算服務器6;
[0039] 3)電纜IEC計算服務器6進行動態載流量的計算過程，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,經光纜3傳輸后輸入到光纖信號解調儀5， 光纖信號解調儀引尋光信號解調并輸入到電纜IEC計算服務器6,電纜IEC計算服務器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計算服務器6數據庫中具有各種電纜參數，包括:電纜忍型、絕緣層、金屬 屏蔽層和銷裝層、敷設方式等，對應不同材質或敷設方式具有不同損耗系數;結合第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 101 81系列標準。
[0043] 電纜第i段絕緣介質損耗Wd由IEC計算服務器6數據庫提供參數，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：
[0044]
[0045] 式中，CO =化f，f為工頻，50監;C為單位長度電纜電容，單位iiF/cm;tgS為絕緣材料 介質損耗角正切;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，即：
[0047] Ws = Ai ? Wc
[004引式中，Al為金屬護套損耗系數，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=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，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：
[0化3] (I)
[0054] 計算時，公式中導體溫度0。取測溫系統實時測量值，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，可計算電纜持續允許載流量;03為電纜表面溫度，取測溫 系統實時測量值;機為絕緣介質損耗;M為金屬護套損耗系數，利用公式Ws = Ai . W。得到，入2 為銷裝層的損耗系數;Ti、T2、T3分別為絕緣、內墊襯層、外護層的熱阻;T4為電纜和周圍媒質 的熱阻，與電纜型號、施工方式有關;n為電纜回路數;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載流量 也會不同，本算法根據每個測溫點將電纜分成k段，每段電纜i根據其測溫點實際測量溫度 計算按公式(4)逐一計算動態載流量Ii,故該根電纜整體動態載流量I為：
[0056] I=min{Ii，l2，...，Ii，Ik}
[0057] 該電纜載流量監測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，能夠把運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。
【主權項】
1. 一種基于分布式光纖測溫方法的電纜載流量監測系統，其特征在于:包括激光驅動 裝置、分布式測溫光纖（1)、光纖分路器(2)、光纖信號解調儀(5)、電纜IEC計算服務器(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 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) 與光纖信號解調儀(5)相配合，光纖信號解調儀(5)的輸出端與電纜IEC計算服務器(6)連 接;電纜IEC計算服務器(6)將數據輸出到客戶端(7)。2. 如權利要求1所述基于分布式光纖測溫方法的電纜載流量監測系統，其特征在于:所 述激光驅動裝置包括連接在一起的激光驅動器和激光器。3. 如權利要求1所述基于分布式光纖測溫方法的電纜載流量監測系統，其特征在于:所 述光纖分路器(2)同時與多條待測光纖內的分布式測溫光纖(1)相連接。4. 利用如權利要求1~3中任意一項所述電纜載流量監測系統進行電纜載流量監測的 方法，其特征在于包括如下步驟： 1) 激光驅動裝置發出脈沖光注入分布式測溫光纖（1)，測溫光纖產生的后向散射光通 過光纖分路器(2)將光信號輸入到光纜(3); 2) 經光纜(3)傳輸后，將光信號輸入到光纖信號解調儀(5)，光纖信號解調儀(5)將解調 信號輸入到電纜IEC計算服務器(6); 3) 所述電纜IEC計算服務器(6)根據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 %負荷因數下的電纜載流量的計算公式，即公式 (1)，計算電纜動態載流量I: ? 1 -1" "' 1 乂(1) 其中，導體溫度Θ。取測溫系統實時值，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，取測溫系統實時值;Wd為絕緣介質損耗;A1是金屬護套損耗系數;λ2為銷裝層的 損耗系數;ThI^T 3分別為絕緣、內墊襯層、外護層的熱阻，T4為電纜和周圍媒質的熱阻，與 電纜型號、施工方式有關;η為電纜回路數;I為當前工況下電纜載流量； 4) 依據每個測溫點將電纜分成k段，每段電纜i根據其測溫點實際測量溫度，按照步驟 3)計算動態載流量Ii，同時依據公式(2)得到該根電纜整體動態載流量I: I=min{Ii，l2,…，Ii，Ik} (2) 5) 所述電纜IEC計算服務器(6)將計算得到的數據傳輸給客戶端（7)，供客戶端（7)調 用。5. 如權利要求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 101 81 系列標準。6. 如權利要求4所述方法，其特征在于:步驟3)中絕緣介質損耗Wd由IEC計算服務器(6) 數據庫提供參數，根據某i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：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 損耗角正切;Uo是對地電壓，單位V。7. 如權利要求4所述方法，其特征在于:步驟3)中金屬護套損耗系數1:與金屬護套損耗 Ws、線芯損耗W。成關系如下：式中，Wc = T2R,為導體線芯損耗，Γ是線芯中電流。8. 如權利要求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】國網天津市電力公司, 國家電網公司