专利名称：用于测评地下电力电缆的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测评包括在电力传输设备中的地下电力电缆的装置，尤其涉及一种用于实时测评地下电力电缆的导体温度和允许电流(allowable current)以有效地计算电力电缆的传输容量的装置和方法。
背景技术：
通常，电力电缆的传输容量是基于环绕电力电缆的绝缘体的绝缘性能被保持的温度范围来确定的。
在某些电力电缆特别是交联聚乙烯(XLPE)电缆的情形，其电缆的导体温度被限制为90℃。在充油(OF)电缆的情形，其导体温度被限制为85℃。特别是，因为电力电缆处于施加有高电压的状态，所以很难测量电力电缆的导体温度。
在确定电力电缆的导体温度时，重要的是确定热源。对此种确定需要考虑到的是由流过电缆导体的电流导致的焦耳损耗，由施加至电缆导体的高电压导致的绝缘损耗，由在电缆的外皮(sheath)产生的涡旋(Eddy)电流和外皮环流导致的焦耳损耗，电缆周围的温度条件，等等。
对此，通过测评地下电力电缆的导体温度和允许电流，来计算地下电力电缆的传输容量。使用由国际标准例如IEC 287或JCS 168推荐的方法，来实现对导体温度和允许电流的测评。
IEC 287是由国际电工委员会(IEC)建立的一个国际标准。此IEC标准包括对于船舶、电子装置、电力电缆、高频电缆、绕组等的标准。另一方面，JCS 168是由JCS建立的标准，用于电线产品的标准化。
然而，根据此类国际标准的传统方法没有考虑到实际情况中电缆导体的温度变化和电缆内部温度的变化。也就是说，这些方法采用了仅考虑到电缆芯部材料的导热率的静态热传导系统。在这些传统方法中，基于当流过电缆的传输电流变化时、电缆的内部温度无任何时间差地立刻变化的假设，将电缆的热传导系统建模为静态系统，以计算电缆的传输容量。
然而，在实际情况中，由于电缆芯部材料的比热，电缆需要相当长的时间以改变温度。为此，在某一短时间周期(例如，上限至约100小时)，能够通过电力电缆传输比计算所得的电力电缆的传输容量更大量的电力。
此外，因为传统的传输容量确定方法致力于确保增加的稳定性，它们通过设定最坏的温度条件来计算电缆的传输容量，而不考虑由于电缆周围的环境条件变化而出现在电缆处的实际温度变化。为此，基于受限的静态传输容量和受限的紧急工作条件来计算电缆的传输容量，从而计算出的传输容量提供不必要的高安全性。换句话说，传统方法建议比实际允许的传输容量低得多的传输容量。大多数的国家骨干(key)地下电力传输网络例如在韩国是建立在电力电缆隧道中的。在此情形，各电力电缆隧道的温度被简单地规定为40℃。然而，即使在呈现出最高温度的夏季中，各电力电缆隧道的温度也一般地保持在30至35℃的温度。虽然通过直接测量电缆的温度条件能够获得电缆的传输容量的增加，但没有此种直接测量所适用的传统方法。
同时，当发生事故时，一般地进行紧急电力传输。对于此种紧急电力传输，基于国际标准中规定的固定传输时间来设定允许电流。然而，由于不管这一事实，即在紧急电力传输时间短于国际标准中规定的时间时可给出更高传输容量这一事实，只能以基于固定的传输时间所固定的传输容量来传输电力，因此这种方法是低效的。
另一方面，当由于错误的线路安装操作新的热源例如蒸汽线路被埋在地下并在地下电力电缆周围时，在该新的热源例如蒸汽线路设置地下电力电缆周围的情况下，电缆的环境温度可能比施加至用于计算传输容量的标准环境温度高很多。在此情形，按照传统方法计算出的传输容量的电力传输可能导致危险的情况。然而，传统方法不能应对此种危险情况。在严重的情形，可能发生电缆事故。
在由于错误的电缆接地操作而在电力电缆处发生地面阻抗增加的情况下，过量的外皮环流可以流过电力电缆，从而导致焦耳损耗。此焦耳损耗导致电缆内部的温度突然增加。然而，传统的传输容量计算方法无法计算外皮环流。为此，没有能解决由外皮环流导致的问题的方法。
虽然有将外皮环流考虑在内的传统方法，但它们只是将外皮环流作为与流过电缆导体的电流成某一比率来计算，而不会在考虑了电缆的地面类型的情形下实际测量外皮环流。
例如，在使用多用在国家地下电力电缆例如在韩国的铝外皮交联的接地方法的情形，按照JCS 168标准，施加相应于导体电流的2％或5％的外皮环流。然而，在此交联系统中，可能经常流过最高至导体电流的10％的外皮环流。在此情形，电缆的内部温度可能被错误计算。在最坏情形下，即基于相应于导体电流的2％的外皮环流而计算出的传输容量被应用于实际传输操作时，可能存在极大危险。
发明内容
鉴于上述问题而提出本发明，本发明的一个目的是提供一种用于实时测评地下电力电缆的装置和方法，其能够实时测量地下电力电缆的外皮环流和电缆温度，来计算电缆的导体温度，以被基础地用于传输容量的计算，从而不仅在一般的传输操作中、而且在当电缆事故发生时进行的紧急电力传输操作中或在夏季产生峰值负载时，为传输容量的计算提供精确信息，同时能够实时反映外部温度变化，以应对外部温度变化，以精确计算电流传输线路的允许传输容量，从而有效地传输电力。
按照一个方案，本发明提供一种用于实时测评地下电力电缆的装置，包括电缆电流测量装置，用于测量流经电缆导体的电流；外皮电流测量装置，用于测量环流通过电缆的外皮的电流，从而获得关于外皮环流的实际数据；电缆温度测量装置，用于测量电缆的温度；及通信单元，用于将电缆电流测量装置、外皮电流测量装置及电缆温度测量装置连接至主计算机；以及，该主计算机连接至该通信单元，并用于基于从电缆电流测量装置、外皮电流测量装置及电缆温度测量装置接收到的数据来实时计算电缆的导体温度，并且适用于基于计算所得的电缆导体温度来计算电缆的传输容量。此装置的该主计算机将计算所得的电缆导体温度和传输容量通知线路操作员，并且当电缆传输中发生异常时，发送警报至线路操作员。因此，此装置向线路操作员提供了便利。
按照另一方案，本发明提供一种用于实时计算和测评地下电力电缆的传输容量的方法，包括以下步骤当电流开始流经电缆时，输入包括电缆安装长度和电缆安装类型的安装条件；基于所输入的安装条件、连同电缆的内部和外部材料的各导热率和各比热、以及电缆的结构，来计算温度常数；测量电缆的导体电流和外皮电流，基于计算所得的导体电流和电缆导体的电热特性来计算在电缆的导体处产生的焦耳热，基于施加至电缆导体的电压和电缆绝缘体的特性来计算绝缘损耗，并且根据所输入的安装条件来计算由外皮环流导致的外皮焦耳热以计算热源；测量沿电缆纵向变化的电缆温度；以及基于在上述步骤进行的计算中获得的信息和测量到的电缆温度，来实时计算电缆的导体温度。
该方法还可包括以下步骤在执行了实时计算电缆的导体温度的步骤之后，确定电缆横截面上的温度测量电缆部分的测量温度与该电缆部分的计算温度之差是否小于预定温度差；基于当测量温度和计算温度之差小于该预定温度差时获得的数据，来计算允许的传输容量；以及将电缆的导体温度和计算的允许传输容量通知线路操作员。
该方法还可包括以下步骤当确定测量温度和计算温度之差不小于该预定温度差时，调整该热源的温度常数和校正系数。
该方法还可包括以下步骤在执行了导体温度计算步骤之后，将计算所得的导体温度与预定温度相比较；当计算所得的导体温度不小于该预定温度时，发送警报至线路操作员，从而通知线路操作员异常温度的产生。
可使用以下方法进行导体温度的计算，在该方法中，将电力电缆的横截面上的温度测量电缆部分的温度用作温度边界来计算导体温度，或者在该方法中，将该测量电缆部分的温度用作反馈值来计算导体温度。
该反馈方法包括以下步骤在电缆周围的环境温度(surroundingtemperature)设定为周围温度(ambient temperature)的条件下，计算电缆横截面的所有层的各温度；将所测电缆部分的温度和与温度测量电缆部分相同层的计算温度相比较；并且当计算温度和测量温度之差小于预定温度差时，就确定计算结果是可靠的。
当在该比较步骤确定计算温度和测量温度之差不小于该预定温度差时，进行热源的温度常数和校正系数的调整，并且基于调整后的温度常数和校正系统，再次计算电缆所有层各自的温度。基于获得的计算温度，再次进行比较步骤。这样，就能够提高导体温度计算的可靠性。
该方法还可包括步骤当在该比较步骤确定计算温度和测量温度之差小于该预定温度差时，将计算的和测量的温度通知线路操作员；计算允许传输容量，并将计算所得的允许传输容量通知线路操作员。
该方法还可包括步骤当计算所得的导体温度不小于该预定温度时，生成一警报，从而通知线路操作员异常温度的产生。因此，向线路操作员提供了便利。
图1是示出按照本发明的用于实时测评地下电力电缆的装置的结构的框图；以及图2是示出按照本发明的用于实时测评地下电力电缆的方法的流程图。
具体实施例方式
下面，将参照附图具体说明本发明的优选实施例。
图1是示出按照本发明的用于实时测评地下电力电缆的装置的结构的框图。图2是示出按照本发明的用于实时测评地下电力电缆的方法的流程图。
图1所示的地下电力电缆测评装置应用于例如安装在电力隧道1中的电力电缆2。如图1所示，该地下电力电缆测评装置包括电缆电流测量装置3，用于测量流经电缆2的导体的电流；外皮电流测量装置4，用于测量环流通过电缆2的外皮的电流；电缆温度测量装置5，用于测量电缆2的温度；电缆环境温度测量装置6，用于测量电缆2周围的环境温度；以及通信单元7，用于将电缆电流测量装置3、外皮电流测量装置4、电缆温度测量装置5、及电缆环境温度测量装置6连接至也包括在该电缆测评装置中的主计算机9。主计算机9连接至通信单元7，用于基于通过通信单元7接收到的数据来实时计算电缆2的传输容量，且用于将计算所得的传输容量通知线路操作员。当电缆导体的温度不小于预定的电缆导体温度或当电力隧道的温度不小于预定的隧道温度时，主计算机8还发送警报至线路操作员。
安装电缆电流测量装置3，以使其环绕电缆2，以测量流经电缆2的导体的电流。
对此电缆电流测量装置3，可使用多个变流器，每一个用作电流测量传感器。优选地，每个变流器具有0-2000A的测量范围。
因为相同的电流流经全部传输线路，因此在每条传输线路上仅安装一个变流器，用作电缆电流测量装置3。
安装外皮电流测量装置4，以测量环流通过电缆2的外皮的电流。对于外皮电流测量装置4，如同在电缆电流测量装置3中，可使用多个变流器，每一个用作电流测量传感器。用作外皮电流测量装置4的变流器设置在传输线路上的各接地点。优选地，用作外皮电流测量装置4的每个变流器具有0-500A的测量范围。
电缆温度测量装置5安装在绝缘体外皮、外皮层、或装甲层(armour layer)或者护套(jacket)上，其中电缆温度测量装置5不损坏电缆或电缆外部的绝缘体，以测量电缆2的温度。
对于电缆温度测量装置5，可使用多个电阻温度检测器，每一个用作点温度传感器。或者，可使用多个热电偶。电阻温度检测器或热电偶可安装在电缆2上，同时以1-50m的一个距离、沿电缆2的纵向彼此均匀地间隔开。优选地，考虑到经济目的和电缆特性，电阻温度检测器或热电偶以10m的间隔设置。
替代点温度传感器，可使用纤维光学分布温度传感器，其适用于获得纵向温度数据。
此纤维光学分布温度传感器使用一单独的光纤作为其传感器介质。此传感器能够利用拉曼散射和Brillian散射的温度相关性。在使用光纤的情况下，能够获得轻及小型化。也能够不受任何电磁噪声的影响而容易地测量目标的整个部分的温度。
除电缆温度测量装置5之外，可使用电缆环境温度测量装置6，以测量电缆2周围的环境温度。对于安装在电力隧道1中的电力电缆，电缆环境温度测量装置6优选地安装在电力隧道1中。另一方面，对于安装在管线中的电力电缆，电缆环境温度测量装置6优选地安装在管线的壁表面上或安装在管线周围的土地中。此外，对于直接填埋在地内的电力电缆，电缆环境温度测量装置6可安装在土地中，同时以某一距离与电缆间隔开。
虽然已描述将本发明应用至地下电力电缆2安装在电力隧道1中的情形，但通过适当地安装电缆环境温度测量装置6，本发明也可应用至其它电缆安装类型，例如，电缆安装在管线中的情形，或电缆直接填埋在地内的情形。
同时，电流测量装置3和4及温度测量装置5和6经由通信线路或以无线方式连接至通信单元7，以连接至主计算机9。
通信单元7优选地使用可编程逻辑控制器(PLC)。特别地，在使用利用此PLC的通信单元7的情况下，在使用光通信发送/接收设备和由光缆制成的通信线路8的范围内，能够传送数据而不受高压电力电缆的影响。
基于从电流测量装置3和4及温度测量装置5和6接收到的数据，连接至通信单元7的主计算机9实时计算电缆的导体温度，从而基于计算所得的导体温度来计算电缆的传输容量。随后，主计算机9将计算所得的传输容量通知线路操作员。此外，当在电缆的电力传输中发生异常时，主计算机9发送警报至线路操作员。由此，主计算机实时计算地下电力电缆的传输容量，从而其适当地使地下电力电缆工作。
下面，将说明按照本发明的用于通过计算电缆的导体温度来测评地下电力电缆的方法。此方法包括安装条件输入步骤110，用于输入高度影响外皮环流的安装条件，例如电缆安装长度和电缆安装类型；温度常数计算步骤120，用于基于所输入的安装条件、连同电缆的内部和外部材料的各导热率和各比热、以及电缆的结构，来计算温度常数；电流测量和热源计算步骤130，用于测量电缆的导体电流和外皮电流，并基于计算所得的导体电流和电缆导体的电热特性，来计算在电缆的导体处产生的焦耳热，和基于施加至电缆导体的电压和电缆的绝缘体的特性来计算绝缘损耗，并且根据所输入的安装条件来计算由外皮环流导致的外皮焦耳热；纵向电缆温度测量步骤140，用于测量沿电缆纵向变化的电缆温度；以及导体温度计算步骤150，用于基于在上述步骤进行的计算中获得的信息和测量的电缆温度，来实时计算电缆的导体温度。
可使用以下方法进行基于所测得的温度的导体温度的计算，在该方法中，使用电力电缆横截面上的所测电缆部分的温度作为温度边界来计算导体温度，或者在该方法中，使用所测电缆部分的温度作为反馈值来计算导体温度。
在将所测得的电缆部分的温度用作反馈值的反馈方法中，在电缆周围的环境温度设定为周围温度的条件下，计算电缆横截面的所有层的各温度。随后，将所测电缆部分的温度和与所测电缆部分相同层的计算温度相比较。当计算温度和测量温度之差小于预定温度差时，就确定计算结果是可靠的。
另一方面，在比较步骤确定计算温度和测量温度之差不小于该预定温度差时，进行热源的温度常数和校正系数的调整，并且基于调整后的温度常数和校正系统，再次计算电缆所有层各自的温度。基于获得的计算温度，再次进行比较步骤。这样，就能够提高导体温度计算的可靠性。
同时，在执行了实时计算电缆的导体温度的步骤150之后，本发明的方法还可包括步骤160，用于确定电缆横截面上的电缆部分的测量温度与该电缆部分的计算温度之差是否小于预定温度差；步骤170，用于基于当测量和计算温度之差小于预定温度差时接收到的数据，来计算允许的传输容量；以及步骤180，用于将导体温度和计算所得的允许传输容量通知线路操作员。在此情形，能够实时计算允许的传输容量，并将计算所得的允许传输容量通知线路操作员。
本发明的方法还包括步骤210，用于在步骤160已确定测量和计算温度之差不小于该预定温度差时，调整热源的温度常数和校正系数。
为方便操作，本发明的方法还可包括步骤310，用于在计算导体温度的步骤执行后，将计算所得的导体温度与预定温度相比较；以及步骤320，用于当计算所得的导体温度不小于该预定温度时，发送警报至线路操作员，从而通知线路操作员异常温度的产生。这样，就能够立即通知线路操作员异常温度的产生。
按照本发明，能够通过实时测量地下电力电缆的电流和温度以及将每个测量值与相关的计算值相比较，而将异常警告给线路操作员。此外，基于测量值，可精确计算当前的允许传输容量。还能够与线路操作员所需的传输周期相关联地分别输出计算所得的一个或多个允许传输容量。例如，能够计算对2小时、4小时、6小时、12小时、24小时、100小时等允许的各传输容量，并且能够通知计算所得的允许传输容量，从而允许线路操作员有效地管理电力电缆的传输容量。
此外，不论恢复时间的跨度，即使在由事故导致的紧急传输操作中，也能够实时计算和测评当前的允许传输容量。
也就是说，不是基于与导体电流之比来计算电缆的外皮环流，而是实时计算电缆的外皮环流，并且该计算值用于传输容量的计算。因此，能够精确测评由于错误的接地操作或电缆安装距离的不平衡而产生的外皮环流所导致的焦耳损耗。
虽然为说明目的已揭示本发明的优选实施例，本领域技术人员能够了解，只要不背离在所附权利要求书中所揭示的本发明的范围和精神，可做出各种变动、添加及替换。例如，虽然已结合使用用于地下电力电缆的实时测评装置和方法的实施例说明了本发明，但本发明并不限于此实施例。
工业实用性用于地下电力电缆的实时测评装置和方法能够实时测量地下电力电缆的温度和电流，以计算电力电缆的传输容量。因此，能够获得在某一公差(tolerance)内的传输容量的计算以及计算所得的传输容量的验证。
此外，能够快速检测由电缆和环境条件的变化所导致的异常温度的发生，并且能够应对检测到的异常温度。将电缆的导热率和比热考虑进去，可预期发生在电缆处的实际温度变化。将环境的影响考虑进去，也可实时监控此温度的变化。因此，能够实现稳定的传输管理。
因而，由于本发明能够实时计算对所需周期内的允许传输容量，本发明是有益并且有效的，从而高效地操作电力传输。
权利要求
1.一种用于实时测评地下电力电缆的装置，其特征在于包括电缆电流测量装置，用于测量流经该电缆的导体的电流；外皮电流测量装置，用于测量通过该电缆的外皮环流的电流，从而获得关于外皮环流的实际数据；电缆温度测量装置，用于测量该电缆的温度；以及通信单元，用于将该电缆电流测量装置、该外皮电流测量装置及该电缆温度测量装置连接至主计算机；以及该主计算机连接至该通信单元，并用于基于从该电缆电流测量装置、该外皮电流测量装置及该电缆温度测量装置接收到的数据，来实时计算该电缆的导体温度，并且用于基于计算所得的电缆导体温度，来计算该电缆的传输容量。
2.如权利要求1所述的装置，其中该电缆电流测量装置包括分别用作电流测量传感器的多个第一变流器，该多个第一变流器安装在各传输线路上；以及该外皮电流测量装置包括分别用作电流测量传感器的多个第二变流器，该多个第二变流器安装在该多条传输线路上的各接地点处。
3.如权利要求1所述的装置，其中，该电缆温度测量装置沿该电缆的纵向安装在该电缆的绝缘体的外部。
4.如权利要求1所述的装置，其中，该电缆温度测量装置包括分别用作点温度传感器的多个电阻温度检测器。
5.如权利要求1所述的装置，其中，该电缆温度测量装置包括多个热电偶。
6.如权利要求4或5所述的装置，其中，该电阻温度检测器或热电偶安装为以沿该电缆的纵向1至50m的距离而彼此分隔开。
7.如权利要求1所述的装置，其中，该电缆温度测量装置包括纤维光学分布温度传感器。
8.如权利要求1所述的装置，其中，该主计算机通知线路操作员计算所得的传输容量，并且在电缆传输中发生异常时发送警报至该线路操作员。
9.一种用于实时计算和测评地下电力电缆的传输容量的方法，其特征在于包括以下步骤当电流开始流经该电缆时，输入包括电缆安装长度和电缆安装类型的安装条件；基于所输入的安装条件、以及该电缆的内部和外部材料的各导热率和各比热、该电缆的结构，来计算温度常数；测量该电缆的导体电流和外皮电流，基于计算所得的导体电流和该电缆导体的电热特性，来计算在该电缆的导体处产生的焦耳热，基于施加至该电缆导体的电压和该电缆的绝缘体的特性，来计算绝缘损耗，并且根据所输入的安装条件，来计算由外皮环流导致的外皮焦耳热以计算热源；测量沿该电缆的纵向变化的该电缆的温度；以及基于在上述步骤中执行的计算所得的信息和所测得的电缆温度，来实时计算该电缆的导体温度。
10.如权利要求9所述的方法，其中，该实时计算电缆的导体温度的步骤包括以下步骤将该电缆的横截面上的温度测量电缆部分的温度用作温度边界，来计算该电缆的导体温度。
11.如权利要求9所述的方法，其中，还包括以下步骤在执行了实时计算该电缆的导体温度的步骤之后，确定该电缆的横截面上的温度测量电缆部分的测量温度与该电缆部分的计算温度之差是否小于预定温度差；基于当测量温度与计算温度之差小于该预定温度差时获得的数据，来计算允许的传输容量；以及将该电缆的导体温度和计算所得的允许传输容量通知线路操作员。
12.如权利要求11所述的方法，其中，还包括以下步骤当确定测量温度与计算温度之差不小于该预定温度差时，调整该热源的温度常数和校正系数。
13.如权利要求9所述的方法，其中，还包括以下步骤在执行了导体温度计算步骤之后，将计算所得的导体温度与预定温度相比较；当计算所得的导体温度不小于该预定温度时，发送警报至线路操作员，从而通知线路操作员异常温度的产生。
全文摘要
本发明揭示了一种用于测评地下电力电缆的装置。为实时测评地下电力电缆的导体温度和允许电流，并从而有效地计算地下电力电缆的传输容量，该装置包括电缆电流测量装置(3)，外皮电流测量装置(4)，电缆温度测量装置(5)，电缆环境温度测量装置(6)，以及通信装置(7)，用于将全部测量装置连接至主计算机(9)。主计算机(9)基于经由该通信装置从全部测量装置接收到的数据而实时计算电缆的传输容量。主计算机(9)将计算的传输容量和导体温度通知线路操作员，并且当电缆的电力传输发生异常时，发送警报至线路操作员。
文档编号H02H7/00GK1678916SQ03821114
公开日2005年10月5日 申请日期2003年7月31日 优先权日2003年4月4日
发明者南皙铉, 金秀吉 申请人:Lg电线有限公司