專利名稱：電力電纜纜芯溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電纜溫度的監(jiān)測系統(tǒng)，特別涉及一種利用實時監(jiān)測電纜的負荷電流及電纜表面(或內(nèi)部某層)溫度，并且利用計算程序計算出電力電纜纜芯溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術：
目前城市市區(qū)內(nèi)絕大部分采用電纜供電，由于用電水平快速增長，且負荷集中、峰谷差大，負荷高峰期電纜供電網(wǎng)承受著很大的供電壓力，有的負荷集中區(qū)在用電高峰時段不得不采取限電措施。解決辦法有兩個第一是更換大截面電纜、或是并聯(lián)敷設新的電纜，這樣需要很大的費用；另外如果按高峰期負荷設計電纜的負荷能力，勢必提高投資、影響電網(wǎng)的效益。第二是發(fā)掘和提高電纜的實際承載能力，這樣更經(jīng)濟、便捷。
電力部門是根據(jù)電纜的額定負荷能力調(diào)度電纜供電，電纜的額定負荷能力在理論上有著較大的余度；另外對于一條供電線路，由于電纜的敷設環(huán)境和方式存在很大差異，沿電纜的溫升是不一樣的，影響電纜負荷能力的正是電纜的溫度瓶頸，找到并解決溫度瓶頸可以大大提高電纜的負荷能力。從解決目前供電能力緊張的角度，從經(jīng)濟的角度都迫切需要采取措施以保證在不超過電纜允許運行溫度的情況下，最大地發(fā)掘和提高電纜的傳輸能力。實現(xiàn)這一目標的根本就是實現(xiàn)電纜纜芯溫度的在線監(jiān)測。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述電力部門因承受供電壓力大，而急需發(fā)掘和提高電纜的承載能力的問題，本發(fā)明提供一種利用實時監(jiān)測電纜的負荷電流及電纜表面(或內(nèi)部某層)溫度，并且利用計算程序計算出電力電纜纜芯溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在找到電纜表面或內(nèi)部各層溫度與纜芯溫度之間實時對應關系，通過實時監(jiān)測電纜表面或內(nèi)部任意層溫度而準確掌握電纜纜芯溫度，從而達到在線監(jiān)測電纜纜芯溫度的目的。該系統(tǒng)監(jiān)測、計算結果快速準確，可廣泛應用于城區(qū)供電系統(tǒng)。
本發(fā)明采取的技術方案是一種電力電纜纜芯溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括電纜及設置在電纜表面的測溫元件，還包括與電纜及測溫元件分別相連接的電流記錄儀和測溫儀；該電流記錄儀和測溫儀將采集的電流和溫度模擬量信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號傳輸?shù)桨惭b有計算程序的計算機，其計算程序包括如下操作a.錄入電纜結構參數(shù)及在線監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)；b.根據(jù)電纜結構劃分網(wǎng)絡；c.讀入含有時間、電流及測溫層溫度數(shù)據(jù)；d.根據(jù)數(shù)學公式遞推計算；e.分別以表格及圖形方式輸出結果；f.做為歷史數(shù)據(jù)保存；g.如果終止監(jiān)測，則計算程序結束；如果未終止監(jiān)測，則返回。
電纜在運行中存在發(fā)熱、吸熱和散熱三種物理現(xiàn)象。電纜的發(fā)熱主要包括電流流過導體的損耗發(fā)熱、絕緣介質(zhì)在電壓作用下的損耗發(fā)熱、電纜鎧裝層流過感應電流的損耗發(fā)熱。電纜在運行中電壓是基本恒定的，電流是實時變化的，因此電纜的發(fā)熱量是電流與時間的函數(shù)。電纜的吸熱體現(xiàn)在電纜內(nèi)能的增加即溫度的升高，因此吸熱量是溫升與時間的函數(shù)。電纜的散熱表現(xiàn)為電纜中熱流流動，即電纜中溫差的存在，散熱量是溫差與時間的函數(shù)。將電纜看成有內(nèi)熱源的導熱體，根據(jù)能量守恒原則，電纜的發(fā)熱量、吸熱量和散熱量之間存在著平衡關系。由此可以推出電纜電流、溫升以及內(nèi)、外溫差之間的關系。
由于電纜的電流、溫升以及溫差都是實時變化的，因此必須把電纜的溫度計算問題看成是具有內(nèi)熱源的不穩(wěn)定導熱問題。用數(shù)值計算法處理不穩(wěn)定導熱問題需要同時對空間和時間使用有限差分的網(wǎng)絡，計算的對象是各個時間間隔上的各空間節(jié)點的溫度。必須對每一個相繼的時間間隔求解對應的聯(lián)立方程組。
根據(jù)電纜結構特點，電纜的軸向?qū)峥梢院雎?，只考慮徑向?qū)?，建立不穩(wěn)定溫度場差分方程，對于單位時間通過單位壁厚的圓筒界面而傳入的熱量與內(nèi)熱源發(fā)熱量之和等于該單元內(nèi)能量隨時間的變化率。即ρ·c·2πr·ΔrTr(n+1)-Tr(n)Δτ=λ(Tr-Δr2+Tr+Δr2-2Tr)+θ]]>ρ表示計算單元內(nèi)材料的密度；c表示計算單元內(nèi)材料的比熱容；λ表示計算單元內(nèi)材料的導熱系數(shù)；(n+1)和(n)分別表示第(n+1)和(n)個計算瞬時；Δτ表示單位時間；Q表示單位圓筒內(nèi)熱源發(fā)熱功率；Tr、 、 分別表示半徑為r的單位圓筒內(nèi)及內(nèi)外表面上的溫度。
利用以上公式可以計算出(n+1)瞬時的節(jié)點溫度T(n+1)。


圖1是本發(fā)明中電纜纜芯溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng)圖并作為摘要附圖。
圖2是本發(fā)明中計算程序流程圖。
具體實施例方式
參照圖1，溫度與負荷電流的模擬量經(jīng)過測溫儀和電流記錄儀實時轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，作為原始數(shù)據(jù)輸入計算機，經(jīng)計算程序?qū)崟r計算出電纜纜芯溫度，并以最直觀的方式顯示出來。計算程序可以切換為不同的畫面顯示電纜沿線各點溫度變化，也可以顯示電纜某一點溫度隨時間的變化過程。電纜纜芯溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng)中的測溫元件可以采用光纖，也可以采用熱電耦，即采用光纖或熱電耦中任意一種作為測溫元件。
參照圖2，在計算程序流程中，首先錄入電纜結構參數(shù)(如電纜的層數(shù)及每層的厚度、體積比熱、熱阻)及監(jiān)測系統(tǒng)的參數(shù)(如光纖參數(shù)設置及測試范圍、串口設置等)，然后根據(jù)電纜結構劃分網(wǎng)絡，讀入含有時間、電流及測溫層溫度數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)學公式進行遞推計算，然后分別以表格和圖形方式輸出計算結果，將計算結果做為歷史數(shù)據(jù)保存，如果終止監(jiān)測，則計算程序結束；如果未終止監(jiān)測，則返回。
該程序利用NET平臺開發(fā)，具備友好的用戶界面且程序適用范圍廣，能夠?qū)崿F(xiàn)A、可以由電纜表面或任意層面開始計算纜芯溫度；B、適用于穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)情況下，纜芯溫度實時計算；C、適用于多芯電纜纜芯溫度計算；D、可以以圖形方式實時反映電纜沿線各點纜芯溫度；E、直觀反映電纜纜芯溫度隨時間變化歷史記錄；F、不必考慮環(huán)境變化因素的影響等。
為驗證上述方法測量及計算結果的準確性，本發(fā)明模擬了實際運行環(huán)境來驗證。模擬試驗系統(tǒng)包括通過調(diào)壓器、實驗變壓器、升流器組成的升流系統(tǒng)實現(xiàn)在低電壓下輸出0-1000A的實驗電流；分別選取不同電壓等級如(220kV，110kV)的單芯、三芯電纜作為試品；并在試品上安裝了在線監(jiān)測裝置，實時監(jiān)測電纜表面溫度、纜芯溫度和負荷電流。表面溫度通過兩種方法采集一是通過一套分布型光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)測得沿電纜長度各點的表面溫度；二是通過固定在電纜表面的熱電耦測得。電纜纜芯實際溫度通過插入電纜纜芯的熱電耦測得。負荷電流通過CT從二次測得。在線監(jiān)測裝置通過通訊規(guī)約將測得的數(shù)據(jù)實時的傳給計算程序，計算程序?qū)崟r計算沿電纜長度方向各點纜芯溫度。并用纜芯溫度的計算結果與實際測量結果進行對比，以驗證計算程序的準確性。
為驗證計算方法與電纜敷設環(huán)境和環(huán)境參數(shù)無關，本發(fā)明分別模擬了三種環(huán)境一是電纜暴露在空氣中；二是電纜包裹在保溫材料里；三是將電纜置于水槽內(nèi)。為驗證計算方法可以從電纜表面或內(nèi)部任意層推算纜芯溫度，本發(fā)明采用普通電纜表面敷設光纖；電纜內(nèi)部鎧裝層預敷光纖這兩種方式。
試驗證明，電纜纜芯的溫度只與電纜表面(或內(nèi)部任意層)的溫度、通過電纜的負荷電流、電纜的構造有關系，與電纜的敷設環(huán)境無關。采用上述計算和監(jiān)測系統(tǒng)，纜芯溫度的計算結果與實際測量結果驗證誤差不大于3度。
權利要求
1.一種電力電纜纜芯溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括電纜及設置在電纜表面的測溫元件，還包括與電纜及測溫元件分別相連接的電流記錄儀和測溫儀；該電流記錄儀和測溫儀將采集的電流和溫度模擬量信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號傳輸?shù)桨惭b有計算程序的計算機，其計算程序包括如下操作a.錄入電纜結構參數(shù)及在線監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)；b.根據(jù)電纜結構劃分網(wǎng)絡；c.讀入含有時間、電流及測溫層溫度數(shù)據(jù)；d.根據(jù)數(shù)學公式遞推計算；e.分別以表格及圖形方式輸出結果；f.做為歷史數(shù)據(jù)保存；g.如果終止監(jiān)測，則計算程序結束；如果未終止監(jiān)測，則返回。
2.如權利要求1所述的電力電纜纜芯溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的測溫元件可采用光纖或熱電耦中任意一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電纜溫度的監(jiān)測系統(tǒng)，特別涉及一種利用實時監(jiān)測電纜的負荷電流及電纜表面(或內(nèi)部某層)溫度，并且利用計算程序計算出電力電纜纜芯溫度的在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括電纜及設置在電纜表面的測溫元件，還包括與電纜及測溫元件分別相連接的電流記錄儀和測溫儀；該電流記錄儀和測溫儀將采集的電流和溫度模擬量信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號傳輸?shù)桨惭b有計算程序的計算機。該系統(tǒng)解決了電力部門因供電壓力大，而急需發(fā)掘和提高電纜的承載能力問題。該系統(tǒng)旨在找到電纜表面或內(nèi)部各層溫度與纜芯溫度之間實時對應關系，通過實時監(jiān)測電纜表面或內(nèi)部任意層溫度而準確掌握電纜纜芯溫度，從而達到在線監(jiān)測纜芯溫度的目的，該系統(tǒng)監(jiān)測計算結果準確，可廣泛應用于城區(qū)供電系統(tǒng)。
文檔編號G01K7/02GK1982859SQ200510122308
公開日2007年6月20日 申請日期2005年12月13日 優(yōu)先權日2005年12月13日
發(fā)明者郝文霞, 蔣亦兵, 楊華, 張東斐, 付興, 王芹, 劉建忠, 葛榮鋼 申請人:李志堅