热龄跟踪系统和方法

热龄跟踪系统和方法
【专利摘要】本发明的实施例提供跟踪自我调节加热电缆的热龄的系统和方法。在一段时间内，收集电缆信号的电流和电压数据，从中提取频谱信息。所述频谱信息具有频率分量和振幅分量。处理电缆信号，以提取包括电气系统的线路电流频率和其至少一些谐波的线路频率特征。计算线路电流频率的至少两个奇次谐波的振幅之比。比较所述比率与指示作为奇次谐波比率的函数的电缆的热龄的老化曲线。通过表征使用时间为0的电缆，可在实验室环境中或者在现场获得所述曲线。所述表征可包括使电缆老化，以确定所述曲线。
【专利说明】热龄跟踪系统和方法
【背景技术】
[0001] 归因于作为暴露在环境溫度下的结果，其材料的逐渐变化，自我调节加热电缆具 有固有的可用寿命。随着时间的过去，加热电缆的功率输出减小，直到加热电缆不再如预期 地高效加热其周围环境且必须被更换为止。加热电缆的功率输出相对于初始功率输出的减 小被称为老化，是工业中的一个主要关注事项。所有的使用期暴露(不管是由加热器本身在 内部产生的，还是通过部署点处的环境条件从外部接收的)都对加热器有累积老化效应。运 些环境条件包括(但不限于）由在环境溫度下的正常工作引起的线忍聚合物材料的热氧化、 电触点的退化、机械损伤或者超过额定规范的会导致聚合物材料的局部烙化的过度加热。
[0002] 最重要的老化机理是线忍聚合物材料的热氧化，运是在任何条件下工作的自我调 节加热器的固有性质。运里，把运种热氧化机理描述成"热老化"。可利用加热器的剩余功率 输出相对于初始功率输出的百分比，表示热老化。归因于运种机理的功率输出与时间和暴 露溫度的关系用阿伦尼乌斯(Arrhenius)定律方程式描述：
[0003] Power = Power〇*exp{(A-B*time*exp(-C/Temperature))},
[0004] 其中A、B和C是某种加热电缆特有的材料常数，"Temperature"指的是加热电缆的 开氏溫度，"time"是在该溫度下的暴露时间，Power和化wer日分别指的是加热器在所述暴露 时间之后和初始安装时的功率输出（单位:瓦）。然而，在许多真实应用中，加热器并不始终 暴露在恒定溫度下。相反，溫度会波动，从而包括时间有限的极高溫度，尤其是在工业应用 中。由于随着时间变化的曝露溫度可能未知，通常不能准确地预测在某种应用中的加热器 的热老化。于是，重要的是在安装时，追踪加热电缆的热龄。热龄不得与加热器的实际使用 年限或安装年限相混，而是包含随着时间的过去，它所暴露于的累积溫度历史。功率输出减 小的原因在于由热老化引起的电缆的电阻率的增大。从而原则上，电阻率或功率的测量结 果可W充当热老化的指标。然而，如果样本被切割、拼接、受损或者W其它方式被改变，那么 测量结果失去其作为所述指标的价值，因为所述测量结果W进行的初始基准测量为基准。 更重要的是，为了能够利用在部署条件下进行的简单功率或电阻率测量来确定加热电缆的 热龄，必须知道沿着电缆安装路线的完整溫度分布，运会违背安装按照溫度分布，自我调节 其功率输出的自我调节加热电缆的初衷。此外，电阻率测量只有当加热器功率输出达到热 平衡时才有意义;浪涌效应会使在使加热器通电之后立即测量的电阻率混乱。
[0005] 为了使部署现场处的用户得W更好地规划其更换加热电缆的时间表，需要一种改 进的基于材料特性的热龄指标，所述指标不需要特定的已部署加热电缆的历史的具体知 识。所述指标应成本低，并且是非侵入式的。特别地，利用出于其它目的，已利用控制器监测 的加热电缆特性(比如电压和电流)的现场测量结果应是有益的。

【发明内容】

[0006] 本发明的一些实施例提供一种跟踪加热电缆的热龄的方法。所述方法可包括收集 通过使线路电流流过加热电缆而产生的电缆信号，然后从电缆信号中提取频谱信息。频谱 信息可包括线路频率、所述线路频率的一个或多个谐波频率及线路频率和谐波频率中的每 一个的振幅分量。所述方法还可包括计算一对或多对谐波频率振幅之间的一个或多个测定 的函数相关性，并比较一个或多个测定的函数相关性与和热老化曲线关联的一个或多个保 存的谐波函数相关性，W确定加热电缆在热老化曲线上的当前位置。
[0007] 本发明的一些实施例提供一种跟踪具有电缆类型的加热电缆的热龄的方法。所述 方法可包括收集通过使线路电流流过加热电缆而产生的电缆信号，然后从电缆信号中提取 频谱信息。频谱信息可包括线路频率、所述线路频率的一个或多个谐波频率及线路频率和 谐波频率中的每一个的振幅分量。所述方法还可包括计算一对或多对谐波频率振幅的一个 或多个测定的函数相关性，和通过比较一个或多个测定的函数相关性与所述电缆类型的表 征数据，确定加热电缆的热龄。
[0008] 本发明的一些实施例提供另一种跟踪具有电缆类型的加热电缆的热龄的方法。所 述方法可包括表征所述电缆类型，W获得热老化曲线，W及和所述热老化曲线上的位置相 互关联的谐波频率振幅的保存的函数相关性的子集。所述方法还可包括收集通过使线路电 流流过加热电缆而产生的电缆信号，然后从电缆信号中提取频谱信息。频谱信息可包括线 路频率、所述线路频率的一个或多个谐波频率及线路频率和谐波频率中的每一个的振幅分 量。所述方法还可包括计算一对或多对谐波频率振幅的一个或多个测定的函数相关性，和 比较一个或多个测定的函数相关性与一个或多个保存的函数相关性，W确定加热电缆在热 老化曲线上的当前位置。
[0009] 本发明的一些实施例提供一种跟踪部署的具有电缆类型的加热电缆的热龄的系 统。所述系统可包括与加热电缆电通信的检测电路。所述检测电路可被配置成收集加热电 缆的电缆信号，所述电缆信号是通过使线路电流流过加热电缆产生的。所述系统还可包括 与检测电路电通信的控制单元。所述控制单元可从检测电路接收所述电缆信号，并且可被 配置成从电缆信号提取频谱信息。频谱信息可包括线路频率、所述线路频率的一个或多个 谐波频率及线路频率和谐波频率中的每一个的振幅分量。控制单元还可被配置成计算一对 或多对谐波频率振幅的一个或多个测定的函数相关性，并比较一个或多个测定的函数相关 性与和热老化曲线关联的一个或多个保存的函数相关性，W确定加热电缆在热老化曲线上 的当前位置。
【附图说明】
[0010] 图1是按照本发明的一个实施例的跟踪加热电缆的热龄的系统的示意图。
[0011] 图2是关于未老化样本电缆对老化样本电缆的自我调节加热器的例证电阻率-电 压曲线图。
[001^ 图視加热电缆的例证电流频谱图。
[0013 ]图4是表示确定随自我调节加热电缆的热龄而变化的谐波特征（S i gna tur e)或指 标的方法的流程图。
[0014] 图5是附接到主电源的自我调节加热电缆的电缆信号的10个谐波分量的振幅的条 形图。
[0015] 图6是相对于电缆的峰值功率输出的百分比绘制的与环境溫度弱相关的谐波比之 值的单一校准曲线的图。
[0016] 图7A是相对于电缆的峰值功率输出的百分比绘制的例证电缆类型中的单个谐波 比之值的3条溫度相关校准曲线的图。
[0017] 图7B是在不同的环境溫度下的谐波比值的图。
[0018] 图8A是例证电缆中的第一谐波比的校准曲线的图，每条校准曲线表示在某个环境 溫度下的第一谐波比值。
[0019]图8B是在图8A的曲线图的环境溫度下，图8A的例证电缆中的第二谐波比的校准曲 线的图。
[0020] 图9是带有预测分量的热老化曲线的线图。
[0021] 图10是从电缆的电测量结果和输入信号提取部署的电缆的热龄的例证方法的流 程图。
【具体实施方式】
[0022] 在详细说明本发明的任何实施例之前，应明白本发明就其应用来说，并不限于记 载在W下说明中，或者在附图中例示的各个组件的构成和布置细节。本发明可W有其它实 施例，可按照各种方式实践或实现本发明。另外，应明白运里使用的措词和术语只是用于说 明，不应被视为对本发明的限制。运里使用的"包巧V'包含"或"具有"及其各种变体意味包 含之后列举的项目和其等同物，W及另外的项目。除非另有规定或限制，否则用语"安装"、 "连接"、"支承"和"禪接"及其各种变体是广义地使用的，包含直接和间接安装、连接、支承 和禪接。此外，"连接"和"禪接"不限于物理或机械连接或禪接。
[0023] 为了使本领域的技术人员能够产生和使用本发明的实施例，给出了 W下讨论。对 本领域的技术人员来说，例示的实施例的各种变化将是显而易见的，运里的一般原理可适 用于其它实施例和应用，而不脱离本发明的实施例。从而，本发明的实施例不限于所示的实 施例，而是可被赋予与运里公开的原理和特征相符的最宽广范围。下面的详细说明应参考 附图阅读，附图中，不同的附图中的相同元件具有相同的附图标记。不一定按比例绘制的附 图描述精选的实施例，并不限制本发明的实施例的范围。有经验的技术人员会认识到运里 提供的例子具有许多有益的备选方案，并且在本发明的实施例的范围内。
[0024] 图1图解说明按照本发明的一个实施例的自我调节加热电缆热龄跟踪系统10。系 统10可包括一个或多个电路的监测和报告装置，每个电路包括加热电缆12。适当的加热电 缆12包括(但不限于)具有用于传导电流的并行总线线路14、16的区域电缆(zone cable)、 自我调节电缆或其它电缆。在一种实现中，加热电缆12是具有半导电聚合物加热元件18的 实屯、自我调节加热电缆，加热元件18实质上包裹总线线路14、16。总线线路14、16可被附接 到交流电源20的对置端子。电源20为所有电路提供电流(运里称为线路电流）。可按任何适 当的交流频率(运里称为线路频率)产生线路电流。一般，线路频率为主电源提供的50化或 60Hz，不过归因于电气系统中的组件的特性，线路频率可能显著偏离其预期频率。参照附 图，运里把线路频率描述为60化，不过显然描述的系统和方法可W和任意线路频率或偏离 的线路频率一起使用。
[0025] 可在电路中的适当位置处，比如在第二总线线路16和电源20之间，布置电路监测 器24, W便如下所述监测电缆信号。电路监测器可包含电流探测器，比如分流电阻器、霍尔 效应探测器、感应线圈或变压器，W及随后的调节电子器件。可与电源20电通信地布置输入 电压监测器26。电压监测器可由感测电阻器或任何其它的电压计和随后的调节电子器件构 成。控制单元28可被配置成接收来自一个或多个的电路监测器24和输入电压监测器26的输 入。控制单元28可W是微控制器、数字信号处理器、或者具有适合于期望的系统10实现的能 力的另一个控制设备或控制设备的阵列。控制单元28可被配置成提取存在于线路电流中的 基频的谐波频率f :f = n*f0(当f0 = 60化时，f = 120化，180化，240化，...）。运些谐波成分 An,或者不同的谐波成分之间的比率Anl/An2,或者包括两个或更多谐波的任何其它函数相关 性被监测、记录、传送给分析单元，或者通过用户界面示出。在本发明的一个实施例中，比较 谐波成分或者不同谐波成分之间的比率与保存在控制单元28中的事先测量的对应曲线或 查找表，据此计算和指示当前热龄或剩余寿命。在本发明的另一个实施例中，在现场服务调 用之后或者在从控制单元到中央位置的谐波成分或不同谐波成分之间的比率的定期传输 之后，非现场地进行所述分析。
[0026] 系统10可被配置成按至少Ik化的采集速度，收集时域中的电流和电压测量结果。 系统10可从收集的数据中，提取关于供给加热电缆12的线路电流的频率和振幅的频谱信 息。输入电压监测器26通过在电源20两端连接到电路，可收集线路电流数据。运里，该数据 流被称为加热电缆12的"输入信号"，可包含其间收集所述数据流的不连续时间段的一个或 多个电压测量结果，W及包含频率和振幅分量的频谱信息。输入电压监测器26可把输入信 号传送给控制单元28, W便处理。输入信号可提供要用于从电缆信号中提取谐波分量的线 路频率和其整数次谐波（integer harmoniCS) W及它们的振幅的独立测量。当线路电流受 加热电缆12影响时，电路监测器24可收集线路电流的数据流。运里，该数据流被称为"电缆 信号"，可包含其间收集所述数据流的不连续时间段的一个或多个电流测量结果W及包含 频率和振幅分量的频谱信息。电路监测器24可把电缆信号传送给控制单元28, W便处理。
[0027] 尽管上述电路和下述方法是关于自我调节加热电缆说明的，不过，对于包含其导 电性源于碳黑、碳纳米管或其它导电材料的添加的聚合物基半导电组件的任何自我调节电 气系统，都可实现所述电路和方法。运样的自我调节电气系统是按照关于加热电缆12说明 的原理实现的，从而可受益于所述的热龄跟踪方法。
[0028] 加热电缆12是一种归因于有意地把一些线路电流变换成热能而导致电损耗的固 有噪声环境。另外，加热电缆12具有非线性的电阻率-电压关系，相对于电阻负载，所述关系 产生线路频率的强谐波分量。图2图解说明未老化的自我调节加热器的典型电阻率-电压曲 线42与相同类型的自我调节加热器的老化样本的电阻率-电压曲线44(虚线）。当电缆12老 化时，如果线路频率的谐波分量的演变遵循与线路频率本身不同的热龄相关性，那么谐波 对电缆信号的相对贡献将变化，从而产生比电阻率或功率输出的测量结果可能更通用（即， 不太依赖于特定的产品样本）的热龄测量标准。特别地，如按照下面说明的算法所证明的， 随着电缆12的热龄增大，线路频率的不同奇次谐波W不同的速率退化，并且退化的速率可 W与电缆12的热龄关联。
[0029] 图3图解说明当在工作电压条件下，使电缆通电时，在沿着非线性R(V)曲线的某个 点处的电缆信号的频谱信息的例子。较平的基线噪声电平被振幅峰打断，除了占优势的线 路电流频率之外，振幅峰还包括与在标准负载中相比，强得多的奇次谐波分量。作为示例， 在图3中，线路频率约为60Hz，奇次谐波，180化和300Hz(及420化等等，W线路频率的2倍为 增量)的振幅占优势。偶次谐波的增强也是存在的，虽然规模小得多，并且并不总是在噪声 电平之上可见。上限频率至少为线路频率的几倍，取决于下面说明的频率提取方法的采样 速率和积分窗口。奇次谐波的相对振幅使奇次谐波频率的提取和分析更容易。利用和用于 奇次谐波的算法相同的算法，可W提取偶次谐波(尽管在电流频谱中较不可见）。
[0030] 可直接从加热电缆12获得电缆信号，比如通过在现场在从几秒到几分钟的基准时 间尺度内如运里所述地收集数据流并从数据流获得频谱信息。将基准电缆信号及用于热龄 跟踪的所有后续测量结果与在现场把运里的跟踪方法应用于加热电缆12之前，通过加热电 缆12的典型样本的实验室测试而获得的一组老化曲线、查找表或者插值函数或例程相比 较。
[0031] 在本发明的一些实施例中，考虑到比关注的最高频率大1个数量级的采样频率可 改善采样的质量，可在线路电流通过加热电缆12之前和之后，用至少为待分析的最大频率 的2倍的采样频率监测线路电流。10曲Z的采样速率是适当的保守值，不过合理的范围为4- lOOkHz。其间分析收集的频谱信息并提取谐波或者不同谐波之间的比率的时间段可W足够 大，从而在统计上是合适的，但是小于加热电缆发生变化的典型时间尺度。例如，取决于应 用，时间段可W为几秒到几小时。
[0032] 运里说明的热龄跟踪方法可由控制单元进行，或者由任何适当的计算单元或一组 计算单元进行。在一些实施例中，检测方法中的一些步骤可在现场进行，而其它步骤可在实 验室，或者远离加热电缆12的位置的其它数据分析位置进行。例如，频谱信息可W用被布置 成与加热电缆12通信的数据记录器收集，数据记录器可通过有线或无线连接，把收集的数 据传送给中央处理位置。为了易于说明，运里把所述方法描述成由控制单元进行，不过应明 白可W使用其它适当的数据收集和处理体系结构。电缆12的热老化曲线取决于电缆12的组 成；于是，在表征电缆 12(例如，Pentair Thermal Management的RAYC皿Μ HWAT-R，T2Red, QTV和LC2加热电缆)时，不必获得相同电缆类型的已部署电缆12的样本W利用本方法来确 定其年龄。通过表征获得的曲线提供用于确定已部署电缆12的热龄的参照，如下所述。
[0033] 图4图解说明表征电缆12的例证方法。在新的（即，W前未用过）的一段电缆12上， 开始人工老化处理。电缆的长度可W是适合于测试的任意长度，因为电缆12的热龄特性并 不取决于其长度。在该测试过程中，溫度必须被明确限定，并且在老化样本的整个长度内保 持恒定。人工使电缆12老化包括把电缆12加热到预定的压力（stressing)溫度，并持续期望 的老化时间，把电缆12保持在该溫度±0.5°C。加热可在工业烘炉或其它适当的加热设备中 进行。选择压力溫度，W按照适当的测试持续时间，加速电缆12的热退化。和电缆12长度一 样，压力溫度的值不影响表示电缆12实际热龄的频谱信息的精确性，只要老化仍然利用上 面的阿伦尼乌斯定律方程式来描述即可。即，电缆12按作为电缆12的功率输出的函数的曲 线老化，电缆12的功率输出取决于构成电缆12的聚合物和其它材料。然而，过于接近聚合物 烙化溫度的压力溫度不再产生谐波和热龄之间的可重复并且明确的关系，从而应被避免。 可在对于相当快的老化足够高的，但是远低于聚合物的烙化溫度的任何溫度下，获得曲线 数据，可如下所述在任意溫度下从曲线提取热龄。按照阿伦尼乌斯定律，通过溫度-暴露时 间相空间中的任意数目的轨迹，可获得相同的热龄，给定的热龄可对应于较低溫度下的较 长暴露，或者较高溫度下的较短暴露：B*t ime 1 *exp (-C/T1) = B*t ime2*exp (-C/T2)。
[0034] 与限制压力溫度远低于电缆12聚合物的烙点相对照，如果安装在现场的电缆遭受 运样的高溫，那么本系统倾向于把关联信号判读成表示非同寻常地高度老化的电缆12。运 样的高溫会超出推荐的安全工作规范，从而高度老化的判读是理想的结果，因为它可用于 提供不安全工作条件的报警。特别地，本系统可把计算的热龄与电缆12的实际部署持续时 间、与同时期安装的类似热电缆的热龄或者与电缆12的相对可接受的热老化的另一个指标 比较。如果电缆12热龄在某个阔值之上，那么系统可提供报警，或者采取另外的预防性或保 护性措施。
[0035] 老化持续时间可W是预定的特征溫度下的预定天数，或者可W是一直持续到电缆 12的被测功率输出减小到"无思'阔值输出化该"无用'阔值输出下，如果电缆12被部署，那 么电缆12需要被更换)为止的可变持续时间。
[0036] 在步骤32,在电缆12老化的时候，通过电测量电缆信号，并从中提取谐波频率分 量，定期获得电缆信号的线路频率的谐波的振幅。定期收集的各个点构成热老化曲线上的 数据点。在一些实施例中，可在电缆12在加热设备中老化的时候，收集电缆信号。在其它实 施例中，从加热设备中取出电缆12,并转移到另一个溫度调节设备，比如循环器或者热浴， W致可在几个溫度下收集电缆信号。电缆12可被附接到电缆信号监测电路，比如上面参考 图1说明的电缆信号监测电路，通过电缆12的线路电流可被采样，从而获得电缆信号。从电 缆信号中，可W提取存在于电缆信号的频谱信息中的线路频率特征。线路频率特征包括基 本线路频率(一般50或60化），及其一直到一般在0.5和Ik化之间的关注的最高频率的谐波 频率。随后从线路频率特征中，获得期望的谐波的振幅。
[0037] 线路频率特征的一个或多个谐波分量可取决于线路电流被采样时的电缆12的环 境溫度。可在电缆12的环境溫度被保持在一个或多个离散溫度的时候，对线路电流采样。离 散溫度可包括一般低于压力溫度的一系列溫度，所述一系列溫度可(但并非必须)包括隔开 公共间隔的多个溫度。在不同溫度下获得谐波老化曲线可用于通过获得具有不同的环境溫 度相关性的多个独立的谐波测量结果，从数据的判读中消除环境溫度影响。电缆信号数据 可被保存，W便之后进行线路频率和谐波特征提取，或者可W提取并保存线路频率特征和/ 或谐波分量，电缆信号中的不需要的频谱信息被丢弃。
[0038] 可能需要通过利用不同谐波系数的不同环境溫度相关性，消除环境溫度的影响， 并且同时提取热龄，尽管环境溫度起不太重要的作用，或者在其它情况下，环境溫度能够被 相对容易地确定。图6、7A-B和8A-B图解说明环境溫度和热龄的同时提取，然而实际的方法 会是更复杂的算法，包括(但不限于)查找表或外推函数相关性。参见下面的关于环境溫度 和热龄两者的提取的细节。
[0039] 可作为剩下的残存加热器功率输出，作为在功率输出降到某个阔值W前的基于预 期的标准部署溫度的残存寿命，或者作为更高级判读的用户界面信号（比如在一定时限内 替换安装的加热电缆的建议)向用户报告热龄。
[0040] 图5对于利用208V线路电源完全加电的例证电缆12,按对数mA刻度表示线路频率 和前9种谐波模式(例如，条1为60化，条2为120Hz，条3为180Hz，等等)的提取的谐波振幅。正 如预期的那样，奇次谐波(f=(2N+l)fo，N = 0，l，…）占优势，并且至少一直到第9个或第ll 个谐波都表现一致并且可精确测量的信号。图5中，2个第一主要谐波的振幅为基波的2- 4%，在不同类型的自我调节加热器中可能更大或更小，不过总是可用标准控制器中的电流 感测探测器测量。从而，奇次谐波将是待测量和分析的主要信号。
[0041] 偶次谐波小得多，于是对噪声线路电源敏感得多。然而，正如奇次谐波或者不同的 奇次谐波之间的比率一样，偶次谐波、奇次和偶次谐波之间的比率W及不同的偶次谐波之 间的比率可w是热龄的指标。偶次谐波是在和奇次谐波相同的信号处理和分析阶段内提取 的，关于热老化曲线的任何分析将遵循相同或相似的算法。
[0042] 在步骤34,对于获得谐波振幅的每个数据点，计算并记录一个或多个谐波指标。谐 波指标是从可用于确定电缆12的热龄的线路信号的谐波频率分量中的信息获得的测量结 果。谐波指标可W是一个或多个谐波的振幅，W及多个谐波的计算的函数，比如两个谐波分 量振幅峰的比率，或者不止两个谐波分量振幅峰的函数。任意两个谐波可W是每个计算的 比率的分量。在一些实施例中，相邻的奇次谐波（即，第一(线路频率)和第Ξ谐波，第Ξ和第 五，第五和第屯，等等)构成每个比率。可根据与任何适当的数据汇编相应的保存振幅数据， 计算每对谐波分量的一个或多个比率。在运种数据汇编的一个非限制性例子中，在多个时 间样本下，对于每个离散的环境溫度，测量每个期望的谐波的振幅峰，可W跨时间样本地求 每个比率的振幅峰的平均值。
[0043] 图6、7A-B和8A-B图解说明在特定的论证情况下，不同谐波之间的比率与热龄的典 型曲线。在图6中，环境溫度对应用的影响可W忽略。在图7A-B中，利用取决于环境溫度但是 与热龄无关的谐波指标，可W容易地确定环境溫度。图8A-B图解说明具有与环境溫度的不 同相关性的两个独立的谐波比率的最一般情况。下面的说明对于除所示的谐波比率之外的 任何其它谐波比率是相似的，如果代替谐波比率，使用谐波本身或者两个或更多谐波之间 的任何其它函数相关性，那么下面的说明也是相似的，只要两个或更多的不同谐波索引为 分析作出贡献即可。
[0044] 如图6中所示，第一校准曲线60代表第一谐波（即，线路频率)与第Ξ谐波的比率。 对于例示的电缆12,第一/第Ξ比率随着电缆12的功率输出减小（即，随着电缆12老化)而减 小，指示第一谐波振幅比第Ξ谐波的振幅更快地降低。不同种类的加热器电缆中的各个比 率的校准曲线的斜率、趋势和其它分量可不同。当部署时的环境溫度类似于在实验室中获 得谐波老化曲线的环境溫度时，或者如果环境溫度对校准曲线的影响可W忽略，那么该比 率可W直接与电缆12的热龄相互关联。于是，重新参见图4,在步骤38,可W产生适当的老化 比率的子集，所述子集可包括在各个数据点处的第一/第Ξ谐波比率。根据该子集，在步骤 40,可W计算电缆12的热老化曲线，从而特定的第一 /第Ξ谐波比率与电缆12的热龄相互关 联。
[0045] 在多数电缆12中，尤其是在范围更大地变化的部署溫度下，一对谐波的比率或者 另一个单独的谐波指标可能不足W完全表征电缆12,因为谐波中的一个或多个谐波可能对 环境溫度敏感。例如，如图7A中所示，例证电缆12的第一谐波和/或第Ξ谐波在不同的环境 溫度下，达到不同的振幅，W致第一/第Ξ谐波比率取决于环境溫度。最后得到的关于该比 率的溫度敏感校准曲线62、64、66表明它独自不能跟踪部署的例证电缆12的热龄，因为收集 部署的电缆12的电缆信号之时的环境溫度未知。为了说明溫度敏感性，可通过沿着加热器 分布的一个或多个独立传感器，测量环境溫度。然而，运需要系统内的额外传感器。本系统 可改为使用谐波比较方法，其中需要至少另外一对谐波分量的比率(或者另一个其它的谐 波指标），W便确定测量时的环境溫度，或者通过比率的关联比较，消除由溫度波动引起的 不确定性。从而，再次参见图4,在步骤36,在步骤38产生指标的子集之前，可W确定环境溫 度对于多个谐波指标(例如，比率)的影响。
[0046] 在其中第一比率对老化和溫度都敏感的一些实施例中，第二比率可W是与老化无 关，或者只与老化弱相关，但是与溫度强相关的比率。在一些类型的电缆中，例如，随着电缆 12的老化，第五谐波和第屯谐波之间在振幅方面的相对差值保持大体恒定，从而例证电缆 12中的第五/第屯谐波比率在热老化曲线中几乎不显示变化（即，随着峰值功率输出的百分 率的减小，As/A7的值保持大体恒定）。然而，如图7B中的溫度曲线68所示，第五/第屯谐波比 率可具有取决于环境溫度的显著不同的值。由于电缆12的年龄对该比率的影响微不足道， 因此该比率可用于确定测量时的环境溫度。即，在图7B的图上，该比率的值(例如，如用例证 的粗黑线指示的0.57)与特定的环境溫度(例如，Amb.T2)相互关联。该环境溫度随后可作为 从图7A的图判读第一/第Ξ谐波比率时的变量被除去，而不单独感测该溫度，W致可根据该 比率，确定热龄。从而，在运些实施例中，在步骤36创建的适当比率的子集可包括在每个数 据点处在多个离散溫度下的第一 /第Ξ谐波比率，和在至少一个数据点处在多个离散溫度 下的第五/第屯谐波比率。如果在包含第二个比率之后，不确定性继续存在，那么可W计算 另外的比率(例如，第屯/第九或第九/第十一谐波比率），并包含在所述子集中。在步骤40创 建的关联热老化曲线从而会包括作为把第一个比率的值链接到曲线上的点的参照的额外 比率。
[0047]在其它实施例中，不同的谐波比率随着热龄和环境溫度两者增大或减小，W致为 了找出最佳地解释所有观察到的谐波比率的热龄和环境溫度，需要一种或多种通用优化算 法(例如，作为非限制性例子，环境溫度和部署时间的二维参数空间中的线性插值或Ξ次样 条拟合）。如下参考图8A和8B，概述例证的算法序列，图8A和8B分别表示对于相同的3个环境 溫度T1、T2、T3，相同电缆12的Ai/A3 (第一谐波和第Ξ谐波之间的比率)及A3/A5 (第Ξ谐波和 第五谐波之间的比率)与热龄的校准曲线82、84、86及相关的校准曲线92、94、96:
[004引-通过获得给定时间点处的测量结果，例如，hlA3 = 12 (图8A中的水平实线)和h3/ h5 = 3.6(图8B中的水平实线），完全确定环境溫度和热龄。
[0049] -根据保存的谐波比率与热龄和环境溫度的校准曲线，可利用所述测量结果提取 容许的热龄与环境溫度的函数关系，比如函数相关性。分别从图8A和图8B，确定一种运样的 关系热龄(环境溫度）。对于该提取，可W使用诸如Ξ次样条插值的线性插值之类的插值方 案。
[0050] -根据从图8A和图8B提取的热龄(环境溫度）的两个关系，通过最速下降迭代优化 算法，可确定热龄和溫度的唯一值，所述最速下降迭代优化算法使两条曲线8A和8B的热龄 的差异降至最小，并确定使它们降到最小的环境溫度，所述环境溫度进而给出热龄。
[0051] 参见图9,热老化曲线70从而使比率的相关子集与电缆12的热龄相互关联。Y轴是 作为初始额定输出的百分率的电缆12的功率输出。X轴是用暴露在标称溫度下的小时数测 量的热龄，其中在高于或低于标称溫度的溫度下度过的小时按比例地计入总小时数中，从 而增大或减小热老化的速率。曲线70和最小功率输出72(-般约为初始额定输出的75%)相 交。交点74于是表示"无用"电缆12。每个选择的比率与离散的热龄相互关联，从而与曲线70 上的点相互关联。
[0052] 一旦电缆12已被表征，包括热老化曲线70和保存的比率计算结果的表征数据就可 被提供给监测部署的电缆12的控制单元。特别地，控制单元可保存或访问热老化曲线70,可 进一步保存或访问描述包含在步骤38创建的子集中的比率的列表或其它记录。控制单元可 被配置成收集电缆信号，比如在监测电路中，并进行谐波分量振幅提取和比率计算。控制单 元可W只计算相关比率，如果它知道哪些比率被用于创建热老化曲线70的话。或者，控制单 元可W计算一直到适当的谐波级次的一些或所有谐波比率。根据测量和计算的比率及热老 化曲线70,通过比较测量的比率和保存的比率，控制单元确定电缆12的当前热龄。控制单元 可不断地，按预定的时间间隔，或者应人类或计算机控制器的请求，进行运些数据收集、提 取、计算和比较步骤。
[0053] 控制单元可进一步向用户提供预测数据。预测数据可包括W测得的比率和电缆12 在曲线70上的当前位置80为基础的电缆12的剩余可用寿命的估计。控制单元可实现一种或 多种方法来估计电缆12的剩余寿命。在一个实施例中，控制单元可从电缆12的最大额定寿 命中，减去由电缆12的当前位置80表示的小时数，从而产生估计的剩余小时数。然而，运种 方法未考虑到例如归因于不同的环境溫度，电缆12历史上比典型速率更快或更慢地老化。 在另一个实施例中，控制单元可访问电缆12的实际使用年限。实际使用年限是电缆12已被 部署的小时数。控制单元可取回所述实际小时数，或者可取回电缆12的安装日期，并根据所 述日期，计算实际使用年限。根据实际使用年限，控制单元可判定电缆12是否比正常情况更 快或更慢地老化，W及按什么比例速率老化。根据所述比例速率和电缆12的额定寿命，控制 单元可估计剩余可用寿命曲线，及其与最小功率输出72的交点。另外，根据该数据，控制单 元可确定在其使用期限内电缆12工作的平均溫度，并可把该信息提供给用户。控制单元可 进一步提供备选的可用寿命情形，比如估计更长寿命的省电曲线76,如果电缆12的平均溫 度能够被降低的话，和估计更短寿命的极端使用曲线78,如果电缆12的平均溫度增大的话。 在另一个实施例中，控制单元可根据用户输入，估计剩余的可用寿命。例如，用户可通过接 口，访问控制单元，并提供电缆12的剩余寿命内的一个或多个预测的平均工作溫度。根据计 算的当前位置80和输入的溫度，控制单元可向用户提供一个或更多情形曲线76、78。在其它 实施例中，从W上数据获得的更高级的指示信号或报警可建议在一定的时限内替换或检修 电缆。
[0054] 图10图解说明定期提取部署的电缆12的热龄、剩余功率输出和预期寿命的例证方 法。在步骤50,可从电源20或者从加热电缆12获得输入信号，可从加热电缆12获得电缆信 号。输入信号包括线路电流的频率和振幅分量。线路频率为50化或60化，取决于管辖区域， 不过电流的波动会不断使线路频率偏离理论频率高达5Hz或者更大，尤其是如果电力供应 来自诸如发电机之类的本地电源的话。为了精确地识别和提取谐波分量，在步骤52,控制单 元可确定实际的实时线路频率。随后在步骤54,控制单元可提取实际的线路频率及其谐波。 控制单元可利用任何适当的频谱分析和频率提取方法，包括(但不限于）：通过迭代优化步 骤，提取线路电压的主频率和加热器电流的谐波分量的自适应跟踪算法;提取峰值基频和 谐波系数的频域方法，比如离散傅里叶变换(DFT);或者从数据流中提取各个频率分量的 Goertzel变换，如果只需要提取少许谐波频率，那么Goertzel变换比DFT更高效。可W提取 奇次谐波频率(f = (2化1) f 0，N=0，1，…）和偶次谐波频率(f = 2Nf 0，N=0，1，…）。
[0055] 可为运种应用设计特殊的自适应跟踪器，所述自适应跟踪器有利地满足W下4个 标准:作为具有少量系数(n?10)的无限脉冲响应(IIR)滤波器的表现;在少许线路循环N· (1/60HZ)内的线路波动的情况下的反应时间，它等同于lOkHz的采样频率下的<1000个样 本；同时跟踪所有谐波分量的能力；和"过拟合"（即利用自适应拟合把噪声拟合到谐波项） 的避免。
[0056] 如果存在较少的谐波频率，那么自适应跟踪算法往往更快地收敛。在一个实施例 中实现的自适应跟踪滤波器因此可W使用混合方法:首先对具有弱的较高谐波分量的输入 信号应用稳定的快速收敛滤波器，W确定线路频率，随后把运样获得的线路频率应用于电 缆信号，W提取基波振幅和谐波振幅。
[0057] 在一个实施例中实现的确定基频的跟踪滤波器应用通过使输入信号函数V(t)和 谐波函数y(t)之间的差分e(t)降至最小：
[005引 e(t) = I V(t)-y(t) I
[0化9]使输入电压信号函数Wt)与谐波函数y(t)、q>(t)匹配的滤波算法：
[0060] φ(?)=ω(?)?+δ(?)
[0061 ] y(t)=A(t)sin((p(t))
[0062] 控制单元可不断地或者每隔一定时间，重新计算e(t)并使e(t)最小化，W便跟踪 线路频率ω、振幅A和相位帮。残差e(t)的最小化可W利用梯度下降，或者为本领域的技术 人员所知的任何其它优化方法进行。
[0063] 作为基频的确定的结果，通过对于各个谐波项η使残差en(t)最小化，也从信号中 提取后续的各个谐波。
[0064] 在电缆信号中，欧姆(基波）电流将遵循和线路电压相同的频率行为，然而不强制 或假定相同的相位。电流在不同谐波上的分布事先未知，需要被确定。借助来自输入信号的 已知基频，通过把该问题用公式表示成另一个优化问题，可W同时确定更高次的谐波(f = Nfo,N〉l)，差别在于此时各个频率是事先已知的。
[0065] 在各个测量时间点t处，进行W下迭代序列，然而需要作出关于在不同频率处的谐 波贡献In的任意开始假设。从第一个谐波开始，并遍历所有的高次谐波，直到关屯、的最大迭 代次数(一般10-20)为止，通过计算总的测量电流Imeas(t)和一直到当前迭代m的所有谐波 贡献之和之间的偏差ei(t)，得到每种谐波电流模式的振幅贡献In:
[0066]
[0067] 根据运些计算的残差，按照使残差em(t)降至最小的方式，在每个时间步骤之后， 更新对于电缆电流的谐波贡献。和自我调节加热电缆的物理学一致，不同的谐波被假定彼 此同相，W致电流(振幅)贡献是唯一的未知数。
[0068] 在本发明的一个实施例中，通过求二阶微分方程式的积分，更新谐波电流贡 献，所述二阶微分方程式)^,|；/；^把正弦或余弦函数的函数形式用于各个谐波贡献。运在数值 上等同于具有两个递归IIR系数的滤波器。利用后者，滤波器的计算效率要求被很好地满 足。即使在最坏的情形下，即使对于提取的大量谐波，优化已在不到几个电源线周期内达到 稳态，指示优化问题的解决。
[0069] 对自适应滤波器进行密集的测试。0.2化或更大的基频的突然变化在5个基波周期 内被匹配(对于常规电网运行，线路频率的变化速率一般远远小于o.omz/周期）。正如预期 的那样，和突然出现的另外的谐波分量一样，振幅的突然变化被更快地匹配。
[0070] 在一个实施例中，控制单元使关于所部署类型的电缆的与热龄和环境溫度相关的 一组谐波曲线被保存，并在消除环境溫度的影响的同时，利用适当的数据分析技术提取热 龄。在另一个实施例中，控制单元把数据传送给附近或远处的外部位置，在所述位置，数据 被分析。在另一个实施例中，利用数据记录器或其它测量设备，在现场检修干预期间收集数 据，并在远程位置分析所述数据。在任何实施例中，方法可包括在步骤56,计算将用于产生 谐波曲线的指标。选择的待计算的指标可W已在校准期间被确定，于是可W是特定于加热 电缆12类型的。在步骤58,按照上述实施例之一，处理计算的指标(例如，控制单元可原地确 定热龄，或者可把计算的指标传送给远程处理器）。在步骤59,可向用户报告热龄。运种报告 可包括电缆12将达到或者已达到其预期可用寿命的极限的报警。
[0071] 如运里所述，不同谐波之间（比如偶次谐波与奇次谐波)或者不同的奇次谐波之间 的关系是加热电缆12的热老化的测量标准，可用于帮助系统所有者或工程师规划加热电缆 的更换时间表。与仅仅进行电阻率测量相比，谐波特征的W下性质等等使谐波监测成为较 好的热龄指标。
[0072] -它提供加热器的热龄或剩余功率输出的最真实的现场测量结果，因为由于输出 取决于不能精确已知的沿着加热器的溫度分布，因此仅仅测量加热器的功率消耗不能提供 足够的信息。
[0073] -奇次电流谐波的相对权重就加电/浪涌对功率平衡来说是稳定的，即，存在很大 程度上与加热电缆的工作状态无关的热老化的测量标准；
[0074] -在相同产品类型的电缆12内，加热器电流中的谐波含量可W是一致的，使热龄测 量变得与特定电缆12的任何基准测量无关；
[0075] -加热器电流中的不同谐波的分布与其总电阻率无关，于是与长度无关，从而对部 署的电缆12的更改，比如切割或拼接不会歪曲热龄测量结果；
[0076] -与电阻率情况下的单个测量相对，归因于大量的可用谐波，存在可进行的多个派 生测量;和
[0077] -描述的跟踪方法足够鲁棒和计算上成本低，可W作为附加物部署到现有控制器 上，或者可W部署在低成本的额外电路中。
[0078] 本领域的技术人员会意识到，尽管上面结合特定实施例和例子，说明了本发明，不 过本发明不一定局限于此，所附的权利要求包含实施例、例子和使用的众多其它实施例、例 子、使用、变形和更改。通过引用并入运里列举的各个专利和出版物，仿佛每个所述专利或 出版物是通过引用单独地并入本文一样。在W下的权利要求中记载了本发明的各个特征和 优点。
【主权项】
1. 一种跟踪加热电缆的热龄的方法，所述方法包括： 收集通过使线路电流流过加热电缆而产生的电缆信号； 从电缆信号中提取频谱信息，所述频谱信息包含线路频率、所述线路频率的一个或多 个谐波频率及线路频率和谐波频率中的每一个的振幅分量； 计算一对或多对谐波频率振幅之间的一个或多个测量的函数相关性；以及 比较一个或多个测量的函数相关性与和热老化曲线关联的一个或多个保存的谐波函 数相关性，以确定加热电缆在热老化曲线上的当前位置。2. 按照权利要求1所述的方法，其中从电缆信号中提取频谱信息包括： 在线路电流流过加热电缆之前，根据线路电流确定线路频率;和 把自适应跟踪滤波器应用于电缆信号，所述自适应跟踪滤波器被配置成利用线路频率 来获得谐波频率。3. 按照权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个谐波频率对应于线路频率的奇次 谐波。4. 按照权利要求3所述的方法，其中每对谐波频率振幅对应于相邻的奇次谐波。5. 按照权利要求1所述的方法，其中所收集的测量的函数相关性包含多个测量的比率， 并且所保存的谐波函数相关性包含多个保存的比率，并且其中比较测量的比率和保存的比 率包括： 比较测量的比率中的第一比率与一个或多个保存的比率，以确定在收集电缆信号时加 热电缆的温度； 选择测量的比率中的与所确定的温度对应的第二比率；以及 比较测量的第二比率与一个或多个保存的比率，以确定加热电缆在热老化曲线上的当 前位置。6. 按照权利要求5所述的方法，其中比较测量的比率和保存的比率还包括:选择测量的 一个或多个第三比率，并比较测量的一个或多个第三比率与一个或多个保存的比率。7. 按照权利要求1所述的方法，还包括:从温度传感器获得收集电缆信号时加热电缆的 温度，其中比较一个或多个测量的函数相关性与一个或多个保存的谐波函数相关性包含： 选择测量的函数相关性中的与获得的温度对应的第一函数相关性，并比较测量的第一函数 相关性与一个或多个保存的谐波函数相关性，以确定加热电缆在热老化曲线上的当前位 置。8. 按照权利要求1所述的方法，其中保存的函数相关性和热老化曲线是通过表征加热 电缆而获得的。9. 按照权利要求8所述的方法，其中加热电缆具有类型，并且表征加热电缆包括表征所 述类型。10. 按照权利要求9所述的方法，其中表征加热电缆的类型包括： 对于加热电缆的所述类型的例证电缆，开始热老化处理； 在热老化处理期间的时间上离散的数据点处，收集通过使线路电流流过加热电缆而产 生的电缆信号； 从在各个数据点处收集的电缆信号中提取频谱信息，所述频谱信息包含线路频率、所 述线路频率的一个或多个谐波频率及线路频率和谐波频率中的每一个的振幅分量； 对于每个数据点，计算一对或多对谐波频率振幅的一个或多个比率； 把每个数据点的至少一个比率保存为包含所保存的函数谐波相关性的子集；以及 使所述子集中的各个比率与热老化曲线上的位置相互关联。11. 按照权利要求1所述的方法，还包括利用热老化曲线和加热电缆在热老化曲线上的 当前位置来预测加热电缆的剩余可用寿命。12. 按照权利要求11所述的方法，还包括利用来自用户的输入预测剩余可用寿命。13. 按照权利要求1所述的方法，还包括利用热老化曲线和加热电缆在热老化曲线上的 当前位置来检测对于加热电缆的损伤。14. 一种跟踪具有电缆类型的加热电缆的热龄的方法，所述方法包括： 收集通过使线路电流流过加热电缆而产生的电缆信号； 从电缆信号中提取频谱信息，所述频谱信息包含线路频率、所述线路频率的一个或多 个谐波频率及线路频率和谐波频率中的每一个的振幅分量； 计算一对或多对谐波频率振幅的一个或多个测量的函数相关性；以及 通过比较一个或多个测量的函数相关性与所述电缆类型的表征数据，确定加热电缆的 热龄。15. 按照权利要求14所述的方法，其中所述表征数据包含谐波频率振幅的一个或多个 保存的函数相关性，和具有保存的函数相关性与之关联的位置的热老化曲线。16. 按照权利要求15所述的方法，其中一个或多个测量的函数相关性是与温度有关的 函数相关性，并且其中确定加热电缆的热龄包括： 确定在收集电缆信号时加热电缆的环境温度;和 比较与温度有关的函数相关性与它的和所确定的环境温度关联的保存的关联比率。17. 按照权利要求14所述的方法，其中在环境温度下收集电缆信号，所述方法还包括根 据多个测量的函数相关性确定环境温度。18. -种跟踪具有电缆类型的加热电缆的热龄的方法，所述方法包括： 表征所述电缆类型，以获得热老化曲线以及与所述热老化曲线上的位置关联的谐波频 率振幅的保存的函数相关性的子集； 收集通过使线路电流流过加热电缆而产生的电缆信号； 从电缆信号中提取频谱信息，所述频谱信息包含线路频率、所述线路频率的一个或多 个谐波频率及线路频率和谐波频率中的每一个的振幅分量； 计算一对或多对谐波频率振幅的一个或多个测量的函数相关性；以及 比较一个或多个测量的函数相关性与一个或多个保存的函数相关性，以确定加热电缆 在热老化曲线上的当前位置。19. 按照权利要求18所述的方法，其中表征电缆类型包括： 人为地使所述电缆类型的样本电缆热老化； 在使样本电缆热老化时，按离散的时间间隔： 收集通过使线路电流流过样本电缆而产生的测试电缆信号； 从测试电缆信号中提取频谱信息，所述频谱信息包含线路频率、所述线路频率的一个 或多个谐波频率及线路频率和谐波频率中的每一个的振幅分量;以及 根据测试电缆信号计算谐波频率振幅的一个或多个保存的函数相关性，比如比率；以 及 绘制一个或多个保存的函数相关性对收集测试电缆信号时样本电缆的热龄的关系曲 线，从而获得热老化曲线。20. 按照权利要求19所述的方法，其中在一个或多个已知的环境温度下收集测试电缆 信号。21. -种跟踪部署的具有电缆类型的加热电缆的热龄的系统，所述系统包括： 与加热电缆电通信的检测电路，所述检测电路被配置成收集加热电缆的电缆信号，所 述电缆信号是通过使线路电流流过加热电缆而产生的； 与检测电路电通信的控制单元，所述控制单元从检测电路接收所述电缆信号，并被配 置成： 从所述电缆信号提取频谱信息，所述频谱信息包含线路频率、所述线路频率的一个或 多个谐波频率及线路频率和谐波频率中的每一个的振幅分量； 计算一对或多对谐波频率振幅的一个或多个测量的函数相关性；以及 比较一个或多个测量的函数相关性与和热老化曲线关联的一个或多个保存的函数相 关性，以确定加热电缆在热老化曲线上的当前位置。22. 按照权利要求21所述的系统，其中控制单元物理上位于加热电缆附近。23. 按照权利要求21所述的系统，其中控制单元位于远离加热电缆之处。24. 按照权利要求21所述的系统，其中控制单元还被配置成:如果所确定的加热电缆在 热老化曲线上的位置在阈值位置之外，那么产生报警。
【文档编号】H02H3/00GK105874670SQ201480071743
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2014年11月12日
【发明人】J·J·扎克, J·F·贝雷斯, E·奥尔森
【申请人】滨特尔热能管理有限责任公司