基于分布式光纤测温方法的电缆载流量监测方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种基于分布式光纤测温方法的电缆载流量监测方法及系统，该检测系统包括激光驱动装置、分布式测温光纤、光纤分路器、光纤信号解调仪、电缆IEC计算服务器和客户端；分布式测温光纤并入待测电缆；分布式测温光纤分别与激光驱动装置和光纤分路器连接；光纤分路器通过光缆接入光纤信号解调仪，光纤信号解调仪的输出端与电缆IEC计算服务器连接；电缆IEC计算服务器将数据输出到客户端。该监测方法是利用分布式光纤测温的原理，将采集到的数据经光纤分路器、光纤信号解调仪传递到电缆IEC计算服务器，经计算得到电缆整体动态载流量，供客户端使用。实现实时监测，预报故障隐患，减少实际损失。
【专利说明】
基于分布式光纤测溫方法的电缆载流量监测方法及系统
技术领域
[0001] 本发明设及电力系统电缆流量监测方法领域，特别是设及一种基于分布式光纤测 溫方法的电缆载流量监测方法及系统。
【背景技术】
[0002] 随着工业和电力系统的持续发展，电网中的高压电缆线路日益增多，电力传输的 强度也一直在不断地增加，智能电网对输电系统提出了更高的要求，当电缆在额定负荷下 运行时，线忍溫度达到允许值。电缆一旦超过负荷，线忍溫度将急剧上升，加速绝缘老化，甚 至发生热击穿。所W，必须对电缆的运行溫度进行控制，运就要求电力运行部口对电缆的实 际负荷进行合理调度。如何在保证电缆长期安全可靠运行的基础上提高电缆系统的输电能 力和输电效率越发成为电力部口关屯、的重点问题。
[0003] 目前，电缆的载流量计算采用国际上公认的IEC标准，但此标准只可满足简单场景 下的载流量计算并不适用于复杂场景，存在一定的局限性;另一方面，IEC标准所提供的算 法适用于手工计算，运样的计算方式过于繁琐，到目前为止IEC的电算化尚未成熟，还处在 逐步发展中。同时，当前IEC载流量计算的参数选取也受监测条件限制，通常采用经验值或 估算值，造成载流量计算不准确;运行溫度是电缆的一个重要参数，在电力电缆的选型和敷 设阶段，由于不可能对实际运行环境进行全面的考虑，通常都是根据标准环境溫度进行的， 运样将导致电缆在环境溫度高或散热条件不良时运行于过热状态，减少运行寿命。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于分布式光纤测溫方法的电缆载流量 监测方法及系统，能根据实际运行状态和运行环境，实时对电缆的负荷进行调度和调整，不 仅保证电缆的运行安全，使其带负荷能力得到充分发挥，而且在有些情况下还可解决电力 调度中紧急状况下的电力供应问题。
[0005] 为此，本发明的技术方案如下：
[0006] -种基于分布式光纤测溫方法的电缆载流量监测系统，包括激光驱动装置、分布 式测溫光纤、光纤分路器、光纤信号解调仪、电缆IEC计算服务器和客户端;所述分布式测溫 光纤并入待测电缆;所述分布式测溫光纤分别与激光驱动装置和光纤分路器连接;所述光 纤分路器通过光缆接入配线箱，配线箱与光纤信号解调仪相配合，光纤信号解调仪的输出 端与电缆IEC计算服务器连接;电缆IEC计算服务器将数据输出到客户端。
[0007] 优选，所述激光驱动装置包括连接在一起的激光驱动器和激光器。
[000引所述光缆为全介质自承式ADSS光缆(All-dielectric Self-suppo;rting Optical &ble)。
[0009] 优选，所述光纤分路器同时与多条待测光纤内的分布式测溫光纤相连接。
[0010] 分布式测溫光纤直接安装在电缆内部，用来测量电缆每点的溫度;能够对数千米 范围内空间点的溫度进行实时测量，不同溫度反射不同光波长信号，借助拉曼散射技术来 实现分布式测量。
[0011] 利用上述电缆载流量监测系统进行电缆载流量监测的方法，包括如下步骤：
[0012] 1)激光驱动装置发出脉冲光注入分布式测溫光纤，测溫光纤产生的后向散射光通 过光纤分路器将光信号输入到光缆；
[0013] 2)经光缆传输后，将光信号输入到光纤信号解调仪，光纤信号解调仪将解调信号 输入到电缆IEC计算服务器；
[0014] 3)所述电缆IEC计算服务器根据输入的光信号解析出某段电缆的导体溫度0。和电 缆表面溫度03,按IEC 60287提供的计算1%负荷因数下的电缆载流量的计算公式，即公式 (1)，计算电缆动态载流量I:
[0015] (1)
[0016] 其中，导体溫度0C取测溫系统实时值，相应的导体交流电阻R取对应于0C时的值;0a 为电缆表面溫度，取测溫系统实时值;Wd为绝缘介质损耗;Al是金属护套损耗系数;为销装 层的损耗系数;Ti、T2、T3分别为绝缘、内垫衬层、外护层的热阻，T4为电缆和周围媒质的热 阻，与电缆型号、施工方式有关;n为电缆回路数;I为当前工况下电缆载流量；
[0017] 4)依据每个测溫点将电缆分成k段，每段电缆i根据其测溫点实际测量溫度，按照 步骤3)计算动态载流量Ii,同时依据公式(2)得到该根电缆整体动态载流量I:
[001 引 I=min{Ii，l2，...，Ii，Ik} (2)
[0019] 5)所述电缆IEC计算服务器将计算得到的数据传输给客户端，供客户端调用。
[0020] 进一步:步骤3)中某段电缆导体的交流电阻为
[0021] R = R〇*[l+a20(目 c-20)]*(l 巧 s+Yp);
[0022] 其中，Ro与020为定值，依据导体类型而不同，集肤效应因数Ys、邻近效应因数Yp参见 IEC60287及JB/T 101 81 系列标准。
[0023] 进一步，步骤3)中绝缘介质损耗Wd由IEC计算服务器数据库提供参数，根据某i段 电缆长度计算得出，单位长度电缆介质损耗可用下式进行计算：
[0024]
[0025] 式中，O =化f，f为工频，50监;C为单位长度电缆电容，单位iiF/cm;tgS为绝缘材料 介质损耗角正切;Uo是对地电压，单位V。
[0026] 步骤4)中某根电缆的动态载流量取该根电缆中各段电缆动态载流量的最小值。
[0027] 该电缆载流量监测系统结合分布式光纤测溫技术进一步提高了系统的智能化。电 缆运行状况、压接质量好坏，只能在运行中发现，运行时间越长越容易发生过热烧穿事故， 由此可能造成巨大经济损失。分布式光纤测溫技术针对电缆因绝缘老化或接触不良等故障 的早期预测而设计，能够把运些故障隐患消灭在萌芽中，在故障隐患出现前及时的做出预 报，使维护人员能够实时的了解电缆的运行情况，对可能出现的故障提早进行及时的处理。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明基于分布式光纤测溫方法的电缆载流量监测系统的框架图；
[0029] 图2为【具体实施方式】中利用电缆载流量监测系统进行电缆载流量监测的方法。
【具体实施方式】
[0030] W下结合附图和【具体实施方式】对本发明的技术方案进行描述。
[0031] 如图1所示，一种基于分布式光纤测溫方法的电缆载流量监测系统，包括激光驱动 装置、分布式测溫光纤1、光纤分路器2、光纤信号解调仪5、电缆IEC计算服务器6和客户端7; 所述分布式测溫光纤1并入待测电缆;所述分布式测溫光纤1分别与激光驱动装置和光纤分 路器2连接;所述光纤分路器2通过光缆3接入配线箱4，配线箱4与光纤信号解调仪5相配合， 光纤信号解调仪5的输出端与电缆IEC计算服务器6连接；电缆IEC计算服务器則尋数据输出 到客户端7。
[0032] 优选，所述激光驱动装置包括连接在一起的激光驱动器和激光器。
[0033] 所述光缆3为全介质自承式ADSS光缆（All-dielectric Self-S叩po;rting Optical C曰ble)〇
[0034] 优选，所述光纤分路器2同时与多条待测光纤内的分布式测溫光纤I相连接。
[0035] 分布式测溫光纤1直接安装在电缆内部，用来测量电缆每点的溫度;能够对数千米 范围内空间点的溫度进行实时测量，不同溫度反射不同光波长信号，借助拉曼散射技术来 实现分布式测量。
[0036] 利用上述电缆载流量监测系统进行电缆载流量监测的方法，包括如下步骤：
[0037] 1)激光驱动装置发出脉冲光注入分布式测溫光纤1，测溫光纤产生的后向散射光 通过光纤分路器2将光信号输入到光缆3;
[0038] 2)经光缆3传输后，将光信号输入到光纤信号解调仪5,光纤信号解调仪5将解调信 号输入到电缆IEC计算服务器6;
[0039] 3)电缆IEC计算服务器6进行动态载流量的计算过程，W-根电缆为例进行说明。 如图2所示，将电缆分成k段，利用第i段分布式测溫光纤1信号测量第i段的电缆中导体和表 层的溫度，光信号通过光纤分路器2输入到光缆3,经光缆3传输后输入到光纤信号解调仪5， 光纤信号解调仪引尋光信号解调并输入到电缆IEC计算服务器6,电缆IEC计算服务器6对溫 度信号进行解析，得出第i段电缆中导体的溫度0C和电缆表层的溫度03。
[0040] 另外，IEC计算服务器6数据库中具有各种电缆参数，包括:电缆忍型、绝缘层、金属 屏蔽层和销装层、敷设方式等，对应不同材质或敷设方式具有不同损耗系数;结合第i段电 缆中导体的溫度0C，可利用公式
[0041] R = R〇*[l+a20(目 c-20)]*(l+Ys 巧 P)
[0042] 计算出该段电缆导体的交流电阻R，其中，Ro与020为定值，依据导体类型而不同，集 肤效应因数Ys、邻近效应因数Yp计算公式参见IEC60287及JB/T 101 81系列标准。
[0043] 电缆第i段绝缘介质损耗Wd由IEC计算服务器6数据库提供参数，根据第i段电缆长 度计算得出，单位长度(cm)电缆介质损耗可用下式进行计算：
[0044]
[0045] 式中，CO =化f，f为工频，50监;C为单位长度电缆电容，单位iiF/cm;tgS为绝缘材料 介质损耗角正切;Uo是对地电压，单位V。
[0046] 电缆金属护套中损耗Ws与线忍中电流I'的平方成正比，因此它与线忍损耗Wc之比 近似为常数，即：
[0047] Ws = Ai ? Wc
[004引式中，Al为金属护套损耗系数，是金属护套电阻的函数，根据不同线型和敷设方式 公式不同，护套电阻根据实时测量溫度计算。Wc=T2R,为导体线忍损耗，I'是线忍中电流。 [0049]电缆销装层损耗是销装层截面积和金属电阻的函数，不同销装材料和方式公式不 同，一般由电缆销装层损耗系数计算，W=忍圆导体钢丝销装为例：
[(K)加]
[0051] 式中，Ra实测工作溫度下销装的交流电阻，单位0HM/m;dA是销装平均直径;1是导体 轴屯、与电缆中屯、之间的距离，mm。
[0052] 按照IEC 60287提供的计算1%负荷因数下的电缆载流量的基本算法计算电缆动 态载流量，计算按公式：
[0化3] (I)
[0054] 计算时，公式中导体溫度0。取测溫系统实时测量值，相应的导体交流电阻R取对应 于该溫度时的值，目。若取导体溫度W为化PE(主绝缘)能耐受的最高工作溫度90°C，相应的 导体交流电阻对应于90°C时的值，可计算电缆持续允许载流量;03为电缆表面溫度，取测溫 系统实时测量值;机为绝缘介质损耗;M为金属护套损耗系数，利用公式Ws = Ai . W。得到，入2 为销装层的损耗系数;Ti、T2、T3分别为绝缘、内垫衬层、外护层的热阻;T4为电缆和周围媒质 的热阻，与电缆型号、施工方式有关;n为电缆回路数;Ii为当前工况下第i段的电缆载流量。
[0055] 因为实际中不同位置电缆的导体和金属套溫度往往不同，导致电阻率不同、损耗 不同，反过来又造成电缆的导体和金属套溫度的不同，所W不同位置的电缆的动态载流量 也会不同，本算法根据每个测溫点将电缆分成k段，每段电缆i根据其测溫点实际测量溫度 计算按公式(4)逐一计算动态载流量Ii,故该根电缆整体动态载流量I为：
[0056] I=min{Ii，l2，...，Ii，Ik}
[0057] 该电缆载流量监测系统结合分布式光纤测溫技术进一步提高了系统的智能化。电 缆运行状况、压接质量好坏，只能在运行中发现，运行时间越长越容易发生过热烧穿事故， 由此可能造成巨大经济损失。分布式光纤测溫技术针对电缆因绝缘老化或接触不良等故障 的早期预测而设计，能够把运些故障隐患消灭在萌芽中，在故障隐患出现前及时的做出预 报，使维护人员能够实时的了解电缆的运行情况，对可能出现的故障提早进行及时的处理。
【主权项】
1. 一种基于分布式光纤测温方法的电缆载流量监测系统，其特征在于:包括激光驱动 装置、分布式测温光纤（1)、光纤分路器(2)、光纤信号解调仪(5)、电缆IEC计算服务器(6)和 客户端(7);所述分布式测温光纤（1)并入待测电缆;所述分布式测温光纤(1)分别与激光驱 动装置和光纤分路器(2)连接;所述光纤分路器(2)通过光缆(3)接入配线箱(4)，配线箱(4) 与光纤信号解调仪(5)相配合，光纤信号解调仪(5)的输出端与电缆IEC计算服务器(6)连 接;电缆IEC计算服务器(6)将数据输出到客户端(7)。2. 如权利要求1所述基于分布式光纤测温方法的电缆载流量监测系统，其特征在于:所 述激光驱动装置包括连接在一起的激光驱动器和激光器。3. 如权利要求1所述基于分布式光纤测温方法的电缆载流量监测系统，其特征在于:所 述光纤分路器(2)同时与多条待测光纤内的分布式测温光纤(1)相连接。4. 利用如权利要求1~3中任意一项所述电缆载流量监测系统进行电缆载流量监测的 方法，其特征在于包括如下步骤： 1) 激光驱动装置发出脉冲光注入分布式测温光纤（1)，测温光纤产生的后向散射光通 过光纤分路器(2)将光信号输入到光缆(3); 2) 经光缆(3)传输后，将光信号输入到光纤信号解调仪(5)，光纤信号解调仪(5)将解调 信号输入到电缆IEC计算服务器(6); 3) 所述电缆IEC计算服务器(6)根据输入的光信号解析出某段电缆的导体温度Θ。和电缆 表面温度93，按IEC 60287提供的计算1 %负荷因数下的电缆载流量的计算公式，即公式 (1)，计算电缆动态载流量I: ? 1 -1" "' 1 乂(1) 其中，导体温度Θ。取测温系统实时值，相应的导体交流电阻R取对应于Θ。时的值;0a为电 缆表面温度，取测温系统实时值;Wd为绝缘介质损耗;A1是金属护套损耗系数;λ2为销装层的 损耗系数;ThI^T 3分别为绝缘、内垫衬层、外护层的热阻，T4为电缆和周围媒质的热阻，与 电缆型号、施工方式有关;η为电缆回路数;I为当前工况下电缆载流量； 4) 依据每个测温点将电缆分成k段，每段电缆i根据其测温点实际测量温度，按照步骤 3)计算动态载流量Ii，同时依据公式(2)得到该根电缆整体动态载流量I: I=min{Ii，l2,…，Ii，Ik} (2) 5) 所述电缆IEC计算服务器(6)将计算得到的数据传输给客户端（7)，供客户端（7)调 用。5. 如权利要求4所述方法，其特征在于:步骤3)中某段电缆导体的交流电阻为 R=Ro*[l+a2〇(0c-2O)]*(l+Ys+YP)； 其中，Ro与a2Q为定值，依据导体类型而不同，集肤效应因数Ys、邻近效应因数Yp参见 IEC60287及 JB/T 101 81 系列标准。6. 如权利要求4所述方法，其特征在于:步骤3)中绝缘介质损耗Wd由IEC计算服务器(6) 数据库提供参数，根据某i段电缆长度计算得出，单位长度电缆介质损耗可用下式进行计 算：式中，ω = 2Jif，f为工频，50HZ;C为单位长度电缆电容，单位yF/cm; tgS为绝缘材料介质 损耗角正切;Uo是对地电压，单位V。7. 如权利要求4所述方法，其特征在于:步骤3)中金属护套损耗系数1:与金属护套损耗 Ws、线芯损耗W。成关系如下：式中，Wc = T2R,为导体线芯损耗，Γ是线芯中电流。8. 如权利要求4所述方法，其特征在于:步骤3)中电缆销装层损耗系数用下式子计算：式中，Ra实测工作温度下销装的交流电阻，单位OHM/m;dA是销装平均直径；1是导体轴心 与电缆中心之间的距离，mm。
【文档编号】G01K11/32GK106019009SQ201610340284
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】孙宝平, 侯宏生, 董学坤, 杨福君, 杜彬, 田小禾, 李双宝
【申请人】国网天津市电力公司, 国家电网公司