CN104236749A - 利用光纤测量电缆温度的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种利用光纤测量电缆温度的测量方法，将光纤敷设在电缆中，上述电缆由内向外依次设置导体层、绝缘层、缓冲层、防水层和外护套，该方法包括以下步骤：1)测量电缆中各层的热力学参数，2)确定迭代系数，3)测量环境温度，4)迭代计算电缆中各层温度，5)重复迭代计算，6)选取不同监测点重复测量。通过电流和电缆分层的热力学参数、环境温度实时计算导体层的温度，比直接使用光纤测得的环境温度更准确可靠；通过本发明的测量方法可通过电缆分层的热力学参数、历史数据预测导体层的升温过程和温度，预估电缆的载流能力，预先提供参考数据，并可依据电流进行预警。

Description

利用光纤测量电缆温度的测量方法

技术领域

本发明涉及电缆的技术领域，具体说是一种利用光纤测量电缆温度的测量方法。

背景技术

随着我国国民经济的跨越式发展，各行业及居民用电需求量也急剧增长，为最大限度地发挥现有电力电缆的供电能力，使供电企业的经济运行成本达到最优化，迫切需要随时掌握电力电缆运行情况，以便在确保供电安全的前提下，最大程度地挖掘现有电力电缆的供电能力。另外，电缆的敷设环境和方式存在很大差异，整条电缆沿线温升是不一样的，影响电缆载流量的关键是电缆的温度瓶颈，找到并解决温度瓶颈可以大大提高整条电缆的载流量。国内外已有将分布式光纤测温技术应用于电缆温度在线监测的相关报道，但是多采用将光纤敷设于电缆表面进行电缆运行温度的监测，不仅施工难度大，而且测量数据易受外界因素影响，影响测量精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种利用光纤测量电缆温度的测量方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

本发明的利用光纤测量电缆温度的测量方法，将光纤敷设在电缆中，上述电缆由内向外依次设置导体层、绝缘层、缓冲层、防水层和外护套，该方法包括以下步骤：

A、分别测量电缆中导体层的直径、截面积、热容系数和热阻系数；分别测量绝缘层、缓冲层、防水层和外护套各自的厚度、热容系数和热阻系数；

B、确定迭代系数：

1)热传导系数

$r_1=\frac{C_1\log \frac{D_1}{D_0}}{2\mathrm{\π}}$

其中：C₁为绝缘层热阻系数；D₁为绝缘层(含导体)的总直径；D₀为导体的直径。

$r_2=\frac{C_2\log \frac{D_2}{D_1}}{2\mathrm{\π}}$

其中：C₂为缓冲层热阻系数；D₂为缓冲层的总直径

$r_4=r_3=\frac{C_4\log \frac{D_4}{D_3}}{4\mathrm{\π}}$

其中：C₄为外护套热阻系数；D₄为外护套的总直径；D₃为防水层的总直径。

2)升温系数

t₁＝c₀S₀+c₁S₁P₀，

$P_0=\frac{1}{2\log \frac{D_1}{D_0}}-\frac{1}{\frac{S_1}{S_0}-1}$

其中，S₀为导体的截面积，S₁为绝缘层(含导体)的总截面积

t₂＝c₁S₁(1-P₀)+c₂S₂P₁，

$P_1=\frac{1}{2\log \frac{D_2}{D_1}}-\frac{1}{\frac{S_2}{S_1}-1}$

其中，S₂为缓冲层(含导体、绝缘层)的截面积

t₃＝c₂S₂(1-P₁)+c₃S₃+Q₄P₂，

$Q_4=\frac{\mathrm{\π}{c}_4{D}_3(D_4-D_3)}{4}$

$P_2=\frac{1}{\log \frac{D_4}{D_3}}-\frac{1}{\frac{D_4}{D_3}-1}$

其中，S₄为外护套(含导体、绝缘层等)的截面积

t₄＝S₄(1-P₂)+Q₅P₂，

$Q_5=\frac{\mathrm{\π}{c}_4{D}_4(D_4-D_3)}{4};$

3)热功系数

初值K＝0.8

C、测量环境温度，实测得光纤某点的温度为Te，并将各层的初始温度都设置为上述温度。

D、迭代计算电缆中各层温度，对于电缆的某层，该层的当前温度为：

由于导体中电流发热，导体层的温度为：

利用上述步骤B中得到的各参数进行以下计算：

电流发热：W_n＝K^n-1RI_n ²，其中I为电流值，R为导体电阻；

${T_c}^n={T_c}^{n-1}+\frac{W_n+\frac{\mathrm{\Δt}({T_d}^{n-1}-{T_c}^{n-1})}{r_1}}{t_1},$

${T_d}^n={T_d}^{n-1}+\frac{\frac{\mathrm{\Δt}({T_s}^{n-1}-{T_d}^{n-1})}{r_2}+\frac{\mathrm{\Δt}({T_c}^{n-1}-{T_d}^{n-1})}{r_1}}{t_2},$

${T_s}^n={T_s}^{n-1}+\frac{\frac{\mathrm{\Δt}({T_a}^{n-1}-{T_s}^{n-1})}{r_3}+\frac{\mathrm{\Δt}({T_d}^{n-1}-{T_s}^{n-1})}{r_2}}{t_3},$

${T_a}^n={T_a}^{n-1}+\frac{\frac{\mathrm{\Δt}({T_e}^{n-1}-{T_a}^{n-1})}{r_4}+\frac{\mathrm{\Δt}({T_s}^{n-1}-{T_a}^{n-1})}{r_3}}{t_4},$

$K^n=\frac{1+0.00039({T_c}^n-20)}{1},$

Δt为本周期到上周期的间隔时间(秒)

T_s ⁿ为缓冲层在第n周期的温度

T_c ⁿ为导体在第n周期的温度

T_d ⁿ为绝缘层在第n周期的温度

其中；

T_a ⁿ为防水层和外护套在第n周期的温度

T_e ⁿ为测温光纤在第n周期测得的温度

Kⁿ为修正的热功系数

E、重复迭代计算，重复测量环境温度值和电流值，并重复步骤D中的计算过程，上述步骤重复不小于8个周期后，即得出该点位置的导体的温度

F、根据电缆的长度，选取多个的观测点分别进行步骤A至E的采样、测量和计算，以确定电缆整体的运行情况。

本发明还可以采用以下技术措施：

当光纤敷设在电缆的缓冲层中时，步骤A中省略防水层和外护套的相关参数。

当测温光纤敷设在电缆的缓冲层中时，步骤B中的r₄和r₃不进行计算。

当测温光纤敷设在电缆的缓冲层中时，缓冲层温度即为测温光纤测得的温度，因此步骤D中缓冲层温度T_s、缓冲层外侧的防水层和外护套温度T_a不需要计算，且T_s ⁿ＝T_e ⁿ。

用给定的温度值代替迭代过程中的测量环境温度，用给定的电流值代替计算过程中的测量电流值，经过多周期的迭代计算出导体的温度；通过导体的温度，即得出在该电流下电缆能否安全运行，以及预测电缆可安全运行的时间。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明的利用光纤测量电缆温度的测量方法，通过电流和电缆分层的热力学参数、环境温度实时计算导体层的温度，比直接使用光纤测得的环境温度更准确可靠；克服了传统***中采用环境温度，由于绝缘层自身的热阻导致的温度与导体层温度存在差距的缺点。通过本发明的测量方法可通过电缆分层的热力学参数、历史数据(低电流)预测导体层的升温过程和温度(大电流)，预估电缆的载流能力，预先提供参考数据，并可依据电流进行预警。

具体实施方式

以下参照实施例对本发明进行详细的说明。

本发明的利用光纤测量电缆温度的测量方法，将光纤敷设在电缆中，上述电缆由内向外依次设置导体层、绝缘层、缓冲层、防水层和外护套，该方法包括以下步骤：

A、分别测量电缆中导体层的直径、截面积、热容系数和热阻系数；分别测量绝缘层、缓冲层、防水层和外护套各自的厚度、热容系数和热阻系数；

B、确定迭代系数：

1)热传导系数

$r_1=\frac{C_1\log \frac{D_1}{D_0}}{2\mathrm{\π}}$

其中：C₁为绝缘层热阻系数；D₁为绝缘层(含导体)的总直径；D₀为导体的直径。

$r_2=\frac{C_2\log \frac{D_2}{D_1}}{2\mathrm{\π}}$

其中：C₂为缓冲层热阻系数；D₂为缓冲层的总直径

$r_4=r_3=\frac{C_4\log \frac{D_4}{D_3}}{4\mathrm{\π}}$

其中：C₄为外护套热阻系数；D₄为外护套的总直径；D₃为防水层的总直径。

2)升温系数

t₁＝c₀S₀+c₁S₁P₀，

$P_0=\frac{1}{2\log \frac{D_1}{D_0}}-\frac{1}{\frac{S_1}{S_0}-1}$

其中，S₀为导体的截面积，S₁为绝缘层(含导体)的总截面积

t₂＝c₁S₁(1-P₀)+c₂S₂P₁，

$P_1=\frac{1}{2\log \frac{D_2}{D_1}}-\frac{1}{\frac{S_2}{S_1}-1}$

其中，S₂为缓冲层(含导体、绝缘层)的截面积

t₃＝c₂S₂(1-P₁)+c₃S₃+Q₄P₂，

$Q_4=\frac{\mathrm{\π}{c}_4{D}_3(D_4-D_3)}{4}$

$P_2=\frac{1}{\log \frac{D_4}{D_3}}-\frac{1}{\frac{D_4}{D_3}-1}$

其中，S₄为外护套(含导体、绝缘层等)的截面积

t₄＝S₄(1-P₂)+Q₅P₂，

$Q_5=\frac{\mathrm{\π}{c}_4{D}_4(D_4-D_3)}{4};$

3)热功系数

初值K＝0.8

C、测量环境温度，实测得光纤某点的温度为Te，并将各层的初始温度都设置为上述温度。

D、迭代计算电缆中各层温度，对于电缆的某层，该层的当前温度为：

由于导体中电流发热，导体层的温度为：

利用上述步骤B中得到的各参数进行以下计算：

电流发热：W_n＝K^n-1RI_n ²，其中I为电流值，R为导体电阻；

${T_c}^n={T_c}^{n-1}+\frac{W_n+\frac{\mathrm{\Δt}({T_d}^{n-1}-{T_c}^{n-1})}{r_1}}{t_1},$

${T_d}^n={T_d}^{n-1}+\frac{\frac{\mathrm{\Δt}({T_s}^{n-1}-{T_d}^{n-1})}{r_2}+\frac{\mathrm{\Δt}({T_c}^{n-1}-{T_d}^{n-1})}{r_1}}{t_2},$

${T_s}^n={T_s}^{n-1}+\frac{\frac{\mathrm{\Δt}({T_a}^{n-1}-{T_s}^{n-1})}{r_3}+\frac{\mathrm{\Δt}({T_d}^{n-1}-{T_s}^{n-1})}{r_2}}{t_3},$

${T_a}^n={T_a}^{n-1}+\frac{\frac{\mathrm{\Δt}({T_e}^{n-1}-{T_a}^{n-1})}{r_4}+\frac{\mathrm{\Δt}({T_s}^{n-1}-{T_a}^{n-1})}{r_3}}{t_4},$

$K^n=\frac{1+0.00039({T_c}^n-20)}{1},$

Δt为本周期到上周期的间隔时间(秒)

T_s ⁿ为缓冲层在第n周期的温度

T_c ⁿ为导体在第n周期的温度

T_d ⁿ为绝缘层在第n周期的温度

其中；

T_a ⁿ为防水层和外护套在第n周期的温度

T_e ⁿ为测温光纤在第n周期测得的温度

Kⁿ为修正的热功系数

E、重复迭代计算，重复测量环境温度值和电流值，并重复步骤D中的计算过程，上述步骤重复不小于8个周期后，即得出该点位置的导体的温度

F、根据电缆的长度，选取多个的观测点分别进行步骤A至E的采样、测量和计算，以确定电缆整体的运行情况。

当光纤敷设在电缆的缓冲层中时，步骤A中省略防水层和外护套的相关参数。

当测温光纤敷设在电缆的缓冲层中时，步骤B中的r₄和r₃不进行计算。

当测温光纤敷设在电缆的缓冲层中时，缓冲层温度即为测温光纤测得的温度，因此步骤D中缓冲层温度T_s、缓冲层外侧的防水层和外护套温度T_a不需要计算，且T_s ⁿ＝T_e ⁿ。

用给定的温度值代替迭代过程中的测量环境温度，用给定的电流值代替计算过程中的测量电流值，经过多周期的迭代计算出导体的温度；通过导体的温度，即得出在该电流下电缆能否安全运行，以及预测电缆可安全运行的时间。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然而任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当然会利用揭示的技术内容作出些许更动或修饰，成为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种利用光纤测量电缆温度的测量方法，将光纤敷设在电缆中，上述电缆由内向外依次设置导体层、绝缘层、缓冲层、防水层和外护套，该方法包括以下步骤：

A、分别测量电缆中导体层的直径、截面积、热容系数和热阻系数；分别测量绝缘层、缓冲层、防水层和外护套各自的厚度、热容系数和热阻系数；

B、确定迭代系数：

1)热传导系数

$r_1=\frac{C_1\log \frac{D_1}{D_0}}{2\mathrm{\π}}$

其中：C₁为绝缘层热阻系数；D₁为绝缘层(含导体)的总直径；D₀为导体的直径。

$r_2=\frac{C_2\log \frac{D_2}{D_1}}{2\mathrm{\π}}$

其中：C₂为缓冲层热阻系数；D₂为缓冲层的总直径

$r_4=r_3=\frac{C_4\log \frac{D_4}{D_3}}{4\mathrm{\π}}$

其中：C₄为外护套热阻系数；D₄为外护套的总直径；D₃为防水层的总直径。

2)升温系数

t₁＝c₀S₀+c₁S₁P₀，

$P_0=\frac{1}{2\log \frac{D_1}{D_0}}-\frac{1}{\frac{S_1}{S_0}-1}$

其中，S₀为导体的截面积，S₁为绝缘层(含导体)的总截面积

t₂＝c₁S₁(1-P₀)+c₂S₂P₁，

$P_1=\frac{1}{2\log \frac{D_2}{D_1}}-\frac{1}{\frac{S_2}{S_1}-1}$

其中，S₂为缓冲层(含导体、绝缘层)的截面积

t₃＝c₂S₂(1-P₁)+c₃S₃+Q₄P₂，

$Q_4=\frac{\mathrm{\π}{c}_4{D}_3(D_4-D_3)}{4}$

$P_2=\frac{1}{\log \frac{D_4}{D_3}}-\frac{1}{\frac{D_4}{D_3}-1}$

其中，S₄为外护套(含导体、绝缘层等)的截面积

t₄＝S₄(1-P₂)+Q₅P₂，

$Q_5=\frac{\mathrm{\π}{c}_4{D}_4(D_4-D_3)}{4};$

3)热功系数

初值K＝0.8

C、测量环境温度，实测得光纤某点的温度为T_e，并将各层的初始温度都设置为上述温度。

D、迭代计算电缆中各层温度，对于电缆的某层，该层的当前温度为：

由于导体中电流发热，导体层的温度为：

利用上述步骤B中得到的各参数进行以下计算：

电流发热：W_n＝K^n-1RI_n ²，其中I为电流值，R为导体电阻；

${T_c}^n={T_c}^{n-1}+\frac{W_n+\frac{\mathrm{\Δt}({T_d}^{n-1}-{T_c}^{n-1})}{r_1}}{t_1},$

${T_d}^n={T_d}^{n-1}+\frac{\frac{\mathrm{\Δt}({T_s}^{n-1}-{T_d}^{n-1})}{r_2}+\frac{\mathrm{\Δt}({T_c}^{n-1}-{T_d}^{n-1})}{r_1}}{t_2},$

${T_s}^n={T_s}^{n-1}+\frac{\frac{\mathrm{\Δt}({T_a}^{n-1}-{T_s}^{n-1})}{r_3}+\frac{\mathrm{\Δt}({T_d}^{n-1}-{T_s}^{n-1})}{r_2}}{t_3},$

${T_a}^n={T_a}^{n-1}+\frac{\frac{\mathrm{\Δt}({T_e}^{n-1}-{T_a}^{n-1})}{r_4}+\frac{\mathrm{\Δt}({T_s}^{n-1}-{T_a}^{n-1})}{r_3}}{t_4},$

$K^n=\frac{1+0.00039({T_c}^n-20)}{1},$

Δt为本周期到上周期的间隔时间(秒)

T_s ⁿ为缓冲层在第n周期的温度

T_c ⁿ为导体在第n周期的温度

T_d ⁿ为绝缘层在第n周期的温度

其中；

T_a ⁿ为防水层和外护套在第n周期的温度

T_e ⁿ为测温光纤在第n周期测得的温度

Kⁿ为修正的热功系数

E、重复迭代计算，重复测量环境温度值和电流值，并重复步骤D中的计算过程，上述步骤重复不小于8个周期后，即得出该点位置的导体的温度

F、根据电缆的长度，选取多个的观测点分别进行步骤A至E的采样、测量和计算，以确定电缆整体的运行情况。

2.根据权利要求1所述的利用光纤测量电缆温度的测量方法，其特征在于：光纤敷设在电缆的缓冲层中时，步骤A中省略防水层和外护套的相关参数。

3.根据权利要求1或2所述的利用光纤测量电缆温度的测量方法，其特征在于：当测温光纤敷设在电缆的缓冲层中时，步骤B中的r₄和r₃不进行计算。

4.根据权利要求3所述的利用光纤测量电缆温度的测量方法，其特征在于：当测温光纤敷设在电缆的缓冲层中时，缓冲层温度即为测温光纤测得的温度，因此步骤D中缓冲层温度T_s、缓冲层外侧的防水层和外护套温度T_a不需要计算，且T_s ⁿ＝T_e ⁿ。

5.根据权利要求1所述的利用光纤测量电缆温度的测量方法，其特征在于：用给定的温度值代替迭代过程中的测量环境温度，用给定的电流值代替计算过程中的测量电流值，经过多周期的迭代计算出导体的温度；通过导体的温度，即得出在该电流下电缆能否安全运行，以及预测电缆可安全运行的时间。