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1、(10)申请公布号 CN 102313852 A (43)申请公布日 2012.01.11 CN 102313852 A *CN102313852A* (21)申请号 201110217984.5 (22)申请日 2011.08.01 G01R 31/00(2006.01) G01K 11/32(2006.01) (71)申请人 武汉理工大学 地址 430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路 122 号 (72)发明人 王立新 姚远 江山 姜德生 印新达 (74)专利代理机构 湖北武汉永嘉专利代理有限 公司 42102 代理人 张安国 伍见 (54) 发明名称 光纤智能传感电力电缆运行状态监测方法。
2、及 装置 (57) 摘要 一种光纤智能传感电力电缆运行状态监测方 法及装置， 本法基于光纤传感探头对温度、 应力 / 应变的敏感性， 借助辅助夹具将多个光纤传感探 头组建的光纤电力电缆智能传感器固定在电力电 缆运行状态监测点， 实时监测电力电缆的运行温 度， 通过数字重建电力电缆的温度场， 实时监测电 力电缆运行状态。装置包括光纤电力电缆智能传 感器、 传输光纤、 数据分析与处理装置 ； 光纤电力 电缆智能传感器由多个光纤传感探头沿电力电缆 径向和轴向分层封装成的薄壁圆环结构件， 固定 在电力电缆上， 光纤电力电缆智能传感器内的光 纤传感探头输出信号经传输光纤输送到数据分析 与处理装置。 本装。
3、置体积小， 结构简单， 本质绝缘， 不需接外电源， 适用于多条多点电力电缆运行状 态的监测。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 1 页 CN 102313856 A1/1 页 2 1. 一种光纤智能传感电力电缆运行状态监测方法， 其特征在于， 基于光纤传感探头内 的光纤传感器对温度、 应力与应变的敏感性， 借助辅助夹具将多个光纤传感探头组建的光 纤电力电缆智能传感器固定在电力电缆运行状态监测点的电缆四周， 实时监测电力电缆的 运行温度情况， 通过数字重建电力电缆的温度场， 实时监测电力电缆运行状态和运行。
4、质量。 2. 光纤智能传感电力电缆运行状态监测装置， 其特征在于 ： 它包括一个或多个光纤电 力电缆智能传感器 (4)、 传输光纤 (5)、 数据分析与处理装置 (6) ； 所述的光纤电力电缆智能 传感器 (4)， 是由多个光纤传感探头 (1) 沿电力电缆径向和轴向分层利用一个或多个辅助 夹具 (2) 和一个或多个辅助构件 (3) 封装成的一个类似薄壁圆环结构的部件， 包套固定在 电力电缆上， 光纤电力电缆智能传感器(4)内的光纤传感探头(1)输出信号经传输光纤(5) 输送到数据分析与处理装置 (6)。 3. 根据权利要求 2 所述的光纤智能传感电力电缆运行状态监测装置， 其特征在于 ： 辅 。
5、助夹具 (2)、 辅助构件 (3)、 光纤电力电缆智能传感器 (4)、 传输光纤 (5) 设计成与被测电力 电缆尺寸和实际测量环境要求所需的形状。 4. 根据权利要求 2 所述的光纤智能传感电力电缆运行状态监测装置， 其特征在于 ： 光 纤传感探头 (1)、 辅助夹具 (2)、 辅助构件 (3)、 光纤电力电缆智能传感器 (4)、 传输光纤 (5) 均采用绝缘材料绝缘。 5. 根据权利要求 2 所述的光纤智能传感电力电缆运行状态监测装置， 其特征在于 ： 数 据分析与处理装置 (6) 中根据铺设的一条或多条电力电缆的实际环境和电力电缆， 预设电 力电缆的安装环境参数和电力电缆的结构参数。 6.。
6、 权利要求 2 所述的光纤智能传感电力电缆运行状态监测装置的使用方法， 其特征在 于 ： 光纤电力电缆智能传感器(4)根据被测电力电缆尺寸加工， 并借助辅助夹具(2)和辅助 构件 (3) 固定在电力电缆监测点， 光纤电力电缆智能传感器 (4) 内的光纤传感探头 (1) 输 出信号经传输光纤 (5) 输送到数据分析与处理装置 (6) ； 通过数据分析与处理装置 (6) 预 设的电力电缆的安装环境参数和电力电缆的结构参数， 理论计算电力电缆的运行状态 ； 当 电力电缆载流时， 电力电缆线芯的金属导体会发热， 并逐渐向电力电缆线缆外层散热， 光纤 电力电缆智能传感器 (4) 内的光纤传感探头 (1)。
7、 的信号变化， 经数据分析与处理装置 (6) 进行数据处理和分析后获取电力电缆结构实时运行状态。 权 利 要 求 书 CN 102313852 A CN 102313856 A1/5 页 3 光纤智能传感电力电缆运行状态监测方法及装置 技术领域 ： 0001 本发明属于光纤传感技术领域， 涉及一种光纤智能传感电力电缆运行状态监测方 法及装置。 背景技术 ： 0002 电力工业属于国家经济发展的基础行业， 在国家经济建设中有着举足轻重的地 位， 随着经济的迅猛发展， 各个国家对电力的需求都在日益增加， 导致电力系统中额定电压 和额定电流等级逐年提高。由于电力电缆应用成本的下降， 以及电力电缆自身。
8、所具有的供 电可靠性高、 不受地面、 空间建筑物的影响、 不受恶劣气候侵害、 安全隐蔽耐用等特点， 因而 获得了越来越广泛的应用， 特别在城市、 发电厂与变电站进出线走廊拥挤地区、 大江河湖泊 或海峡地区， 不能采用架空线路时， 需要采用电力电缆输电。与架空输电线路相比， 电力电 缆的上述优点却为后期电缆的维护工作特别是故障测距与定位带来了较大的难度， 尤其是 线路故障不可观测性等特点都决定了电缆线路要求有更精确的故障监测方法 ； 另一方面， 电力电缆作为整个电力系统的重要组成部分， 一旦发生故障将直接影响着整个电力系统的 安全运行， 并且如故障发现不及时， 则可能导致火灾、 大规模停电等较大。
9、的事故后果， 因此 如何快速、 准确地查找电力电缆故障， 减少故障修复费用及停电损失， 成为电力工程领域与 研究界日益关注的问题。 0003 电力电缆线路大多采用直埋式、 构架式及水下敷设等方式， 因沿途的敷设环境、 土 壤热阻、 临近热源等散热条件差异， 往往会导致电缆线路出现局部过热点而形成载流量瓶 颈效应， 如果此时仅根据标准计算结果或者局部点温测量结果来确定电缆线路载流量和负 载能力， 可能会导致线路局部绝缘过热而发生电 - 热击穿的运行事故 ； 另一方面， 当电力电 缆或附件介质中局部缺陷、 绝缘击穿前兆和意外火灾等均会不同程度地导致电力电缆表面 温度出现异常热效应。 电力系统的断路。
10、器、 变压器、 电缆、 母线、 开关柜等电气设备之间由母 线、 引线、 电缆等连接， 由于电流流过产生热量， 所以几乎所有的电气故障都会导致故障点 温度的变化。 与电力电缆本体相比， 电力电缆终端和中间接头更是薄弱环节， 也就是说电力 电缆本体、 终端和中间接头结构的好坏直接影响到电力电缆线路的安全运行。 0004 多年来由于技术水平的限制， 使电力系统电力电缆的安全运行受到一定限制， 原 来主要依靠定期停电后进行绝缘预防及检测电路的方法已难以满足现实的要求。 近年来不 少研究者提出了一些新的在线带电检测方法， 这些方法对早期发现电力电缆， 特别是交联 聚乙烯电缆存在的绝缘缺陷及老化情况很有作。
11、用， 通常有以下几种方法 ： 0005 (1) 直流叠加法 ： 在接地的电压互感器的中性点处加进低压直流电源， 使该直流 电压与运行中电缆的交流电压叠加， 检测通过电缆绝缘层的极微弱的直流电流， 即可测得 整条电缆的绝缘电阻， 从而判断电缆的好坏。 直流叠加法的特点是抗干扰能力较强， 但绝缘 电阻与电缆绝缘剩余寿命的相关性并不好， 分散性相当大。 0006 (2) 直流分量法 ： 通过检测电缆芯线与屏蔽层电流中极微弱的直流成分， 对电缆 中某一点或某一局部存在的树枝化 ( 水树枝、 电树枝 ) 绝缘缺陷进行劣化诊断。直流分量 说 明 书 CN 102313852 A CN 102313856 。
12、A2/5 页 4 法测得的电流极微弱， 有时也不大稳定， 微小的干扰电流就会引起很大误差。 0007 (3) 介质损耗因数法 ： 将加于电缆上的电压用电压互感器或分压器取出， 将流过 绝缘中的工频电流用电流互感器取出， 然后在自动平衡回路中检测上述信号的相位差， 即 可测出电缆绝缘的介质损耗因数。 0008 (4) 热电偶、 半导体温度传感器、 电子式温度计测温法 ： 由于每个监测点都需要供 电、 接线， 布线复杂且电磁干扰严重、 易损坏、 维护量大 ； 传感器不具备自检功能， 需要经常 校验。 0009 (5) 感温电缆式测温系统 ： 将感温电缆与电缆平行安放， 当电缆温度超过固定温 度值时。
13、， 感测电缆被短路。系统仅能一次性使用， 不能测出电缆的实际温度值 ； 由于电缆数 量多， 系统安装及维护工作不够方便， 设备易损坏 ； 不能进行早期故障预测， 不能实时显示 测量值， 无温度趋势分析。 0010 (6) 红外成像测温法 ： 主要适用于户外终端和电缆连接点及接地点等部位， 易受 到电力电缆周围环境变化， 电磁干扰、 气雾影响及物体发射率的影响。 0011 (7) 分布式光纤温度传感器 ： 通过检测故障点附近温度变化情况来实现电缆故障 定位， 因所测温度是一个范围内的平均温度， 精度不高， 不能精确反映每个点的温度、 缆芯 的温度。 发明内容 ： 0012 本发明针对上述现有技术。
14、的不足 ： 提供一种光纤智能传感电力电缆运行状态监测 方法及装置。本装置体积小， 重量轻， 结构简单， 无电磁干扰， 稳定性好、 本质绝缘， 不需接 外电源， 可以多点多线实时测量， 适用于单芯、 多芯、 多点、 多条电力电缆 ( 以下同 ) 运行状 态的监测， 可获得电力电缆的运行的实时电流、 实时温度、 电网相电流、 超负荷状态、 故障定 位、 防偷防盗、 环境温度监测以及非法入侵情况等。 0013 本发明所采用的技术方案是 ： 0014 一种光纤智能传感电力电缆运行状态监测方法， 其特征在于， 基于光纤传感探头 内的光纤传感器对温度、 应力与应变的敏感性， 借助辅助夹具将多个光纤传感探头。
15、组建的 光纤电力电缆智能传感器固定在电力电缆运行状态监测点的电缆四周， 实时监测电力电缆 的运行温度， 通过数字重建电力电缆的温度场， 实时监测电力电缆运行状态和运行质量。 0015 本发明的光纤智能传感电力电缆运行状态监测方法所用的装置， 它包括一个或多 个光纤电力电缆智能传感器、 传输光纤、 数据分析与处理装置 ； 所述的光纤电力电缆智能传 感器， 为多个光纤传感探头沿电力电缆径向和轴向分层利用一个或多个辅助夹具和一个或 多个辅助构件封装成的一个类似薄壁圆环结构的部件， 包套于电力电缆四周， 所述的多个 光纤传感探头连接所述的传输光纤， 其传输光纤连接数据分析与处理装置， 将被测的电力 电。
16、缆温度信号传输到数据分析与处理装置分析处理监测数据。 0016 本发明的技术方案中， 所述的辅助夹具、 辅助构件、 光纤电力电缆智能传感器、 以 及传输光纤， 设计成与被测电力电缆尺寸和实际测量环境要求所需的形状。 0017 本发明的技术方案中， 光纤传感探头、 辅助夹具、 辅助构件、 光纤电力电缆智能传 感器、 传输光纤均采用绝缘材料绝缘。 0018 本发明的技术方案中， 光纤传感探头利用光纤传感电缆运行状态， 或者利用光纤 说 明 书 CN 102313852 A CN 102313856 A3/5 页 5 光栅传感电力电缆运行状态。 0019 本发明的技术方案中， 数据分析与处理装置中根。
17、据铺设的一条或多条电力电缆的 实际环境和电力电缆， 预设电力电缆的安装环境参数和电力电缆的结构参数。 0020 本发明的光纤智能传感电力电缆运行状态监测装置的使用方法 ： 光纤电力电缆 智能传感器根据被测电力电缆尺寸加工， 并借助辅助夹具和辅助构件固定在电力电缆监测 点， 光纤电力电缆智能传感器内的光纤传感探头输出信号经传输光纤输送到数据分析与处 理装置 ； 通过数据分析与处理装置预设的电力电缆的安装环境参数和电力电缆的结构参 数， 理论计算电力电缆的运行状态 ； 当电力电缆载流时， 电力电缆线芯的金属导体会发热， 并逐渐向电力电缆线缆外层散热， 光纤电力电缆智能传感器内的光纤传感探头的信号变。
18、 化， 经数据分析与处理装置进行数据处理和分析后获取电力电缆结构实时运行状态。 0021 本发明的光纤智能传感电力电缆运行状态监测装置的光纤传感探头， 实时监测电 力电缆温度， 辅助夹具和辅助构件将多个光纤传感探头封装到光纤电力电缆智能传感器 内， 传输光纤传输被测的电力电缆温度信号到数据分析与处理装置， 数据分析与处理装置 预设、 预分析电力电缆有关参数并分析处理监测数据。 0022 本发明的光纤智能传感电力电缆运行状态监测装置的应用 ： 当电力电缆载流时， 电力电缆缆芯的金属导体会发热， 并逐渐向电力电缆缆芯外层散热， 借助光纤电力电缆智 能传感器内的光纤传感探头， 可以实时地监测到电力电。
19、缆的径向和轴向的温度信号。当电 力电缆的电流信号变化时， 电力电缆线芯的金属导体发热不同， 导致光纤电力电缆智能传 感器内的多个光纤传感探头的传感信号随之发生变化， 并通过传输光纤送至数据分析与处 理装置进行数据处理和分析， 获取电力电缆的实时运行状态。 0023 本发明通过辅助夹具和辅助构件将多个光纤传感探头封装到光纤电力电缆智能 传感器内， 实时监测电力电缆的径向和轴向的温度， 为数字重建电力电缆缆芯的温度场提 供参数。 0024 本发明中的数据分析与处理装置可根据铺设的多条电力电缆的实际环境和电力 电缆参数进行理论分析和计算， 理论预测电力电缆的运行情况， 比如 ： 电力负荷情况， 电力。
20、 电力电缆电流情况等， 为电力电缆的实际运行状态监测进行理论计算和分析。 0025 本发明中的数据分析与处理装置对多条多点电力电缆运行状态监测点的多个光 纤传感探头监测数据进行分析， 可获得电力电缆的运行状态的运行监测与分析， 比如 ： 电力 电缆实时电流、 实时温度、 电网相电流、 超负荷状态、 故障定位、 防偷防盗、 环境温度监测、 非 法入侵情况等， 有效监测电力电缆在不同负载和不同环境温度下的发热状态， 积累历史技 术数据 ； 载流量限度分析， 保证在不超过电缆允许运行温度的情况下， 最大限度的发挥电缆 的传输能力、 提高经济效益 ； 发现电缆上的局部过热点， 及时采取降流降温措施， 。
21、延缓电缆 老化速度 ； 实时故障监测预警， 发现电缆运行过程中外界因素导致的破坏 ； 电力电缆火情 监测与报警 ； 电缆接头、 电缆终端的温度监测与报警。 0026 本发明的优点 ： 本装置可以实现电力电缆的多路多点的结构监测， 测量精度和分 辨率高 ； 感测信号和传输信号均为光信号， 不受电磁干扰、 不受振动及核辐射的影响 ； 环境 适应性好， 稳定性好， 可长期用于高温、 高湿及存在化学侵蚀等的恶劣环境 ； 重量轻， 体积 小， 安装使用方便， 本质绝缘， 不需接外电源。 说 明 书 CN 102313852 A CN 102313856 A4/5 页 6 附图说明 ： 0027 图 1 。
22、为光纤电力电缆智能传感器结构示意图， 0028 图 2 为光纤电力电缆智能传感器结构剖面图， 0029 图 3 为光纤智能传感电力电缆运行状态监测装置的一个实施例， 0030 图中 ： 1- 光纤传感探头， 2- 辅助夹具， 3- 辅助构件， 4- 光纤电力电缆智能传感器， 5- 传输光纤， 6- 数据分析与处理装置。 具体实施方式 ： 0031 本发明的一种光纤智能传感电力电缆运行状态监测装置如图 1、 图 2 图 3 所示， 它 包括一个或多个光纤电力电缆智能传感器 4、 传输光纤 5、 数据分析与处理装置 6 ； 所述的光 纤电力电缆智能传感器为多个光纤传感探头 1 沿电力电缆径向和轴向。
23、分层利用一个或多 个辅助夹具 2 和一个或多个辅助构件 3 封装成的一个类似薄壁圆环结构的部件， 安装固定 在电力电缆上， 所述的多个光纤传感探头 1 连接所述的传输光纤 5， 其传输光纤 5 连接数据 分析与处理装置 6， 将被测的电力电缆温度信号传输到数据分析与处理装置分析处理监测 数据。 0032 本光纤智能传感电力电缆运行状态监测装置工作原理 ： 当电力电缆载流时， 电力 电缆缆芯的金属导体会发热， 并逐渐向电力电缆缆芯外层散热， 借助光纤电力电缆智能传 感器 4 内的光纤传感探头 1， 可以实时地监测到电力电缆的径向和轴向的温度信号 ； 当电力 电缆的电流信号变化时， 电力电缆线芯的。
24、金属导体发热不同， 导致光纤电力电缆智能传感 器 4 内的多个光纤传感探头 1 的传感信号变化， 并通过传输光纤 5 送至数据分析与处理装 置 6 进行数据处理和分析， 获取电力电缆的实时运行温度、 实时电流、 超负荷运行状态、 电 网负荷状态、 电力电缆故障、 电力电缆被盗及电网相电流情况等。 0033 本发明通过辅助夹具 2 和辅助构件 3 将多个光纤传感探头 1 封装到光纤电力电缆 智能传感器 4 内， 实时监测电力电缆的径向和轴向的温度， 为数字重建电力电缆的温度场 提供参数。 0034 本发明根据电力电缆的实际尺寸、 形状和结构监测要求的灵敏度， 以及测量范围 的需要， 采用不同的光。
25、纤传感探头 1、 辅助夹具 2 和辅助构件 3 封装到光纤电力电缆智能传 感器 4 内， 使其适合不同电力电缆结构的监测需要。 0035 本发明中的数据分析与处理装置 6 根据铺设的多条电力电缆的实际环境和电力 电缆参数进行理论分析和计算， 理论预测电力电缆的电力负荷， 电流情况等， 为电力电缆的 实际运行状态监测进行理论计算和分析。 0036 本发明所采用的技术方案的数据分析与处理装置对多条多点电力电缆运行状态 监测点的光纤智能电力电缆传感探头 4 监测数据进行分析， 可获得电力电缆的运行状态的 运行监测与分析， 比如 ： 电力电缆实时电流、 实时温度、 电网相电流、 超负荷状态、 故障定位。
26、、 防偷防盗、 环境温度监测以及非法入侵等， 有效监测电力电缆在不同负载和不同环境温度 下的发热状态， 积累历史技术数据 ； 载流量限度分析， 保证在不超过电缆允许运行温度的情 况下， 最大限度的发挥电缆的传输能力、 提高经济效益 ； 发现电缆上的局部过热点， 及时采 取降流降温措施， 延缓电缆老化速度 ； 实时故障监测预警， 发现电缆运行过程中外界因素导 致的破坏 ； 电力电缆火情监测与报警 ； 电缆接头、 电缆终端的温度监测与报警。 说 明 书 CN 102313852 A CN 102313856 A5/5 页 7 0037 下面通过实施例描述本发明， 但不限于实施例。 0038 实施例。
27、 1 0039 图 3 所示为本发明的一个实施例， 光纤智能传感电力电缆运行状态监测装置包括 三个光纤电力电缆智能传感器 4、 一条传输光纤 5、 一个数据分析与处理装置 6 ； 其三个光纤 电力电缆智能传感器通过传输光纤与数据分析与处理装置相连。当电力电缆载流时， 电力 电缆线芯的金属导体会发热， 并逐渐向电力电缆线缆外层散热， 借助光纤电力电缆智能传 感器4内的光纤传感探头1， 实时地监测到电力电缆的径向和轴向的温度梯度场信号。 当电 力电缆的电流信号变化时， 电力电缆线芯的金属导体发热不同， 导致光纤传感探头 1 的感 测信号发生变化， 并通过传输光纤5送至数据分析与处理装置6进行数据处。
28、理和分析， 获取 电力电缆结构实时运行状态。 0040 其使用方法如下 ： 借助辅助夹具 2、 辅助构件 3 将光纤电力电缆智能传感器 4 安装 固定在电力电缆上， 光纤电力电缆智能传感器 4 内的光纤传感探头 1 输出信号经传输光纤 5输送到数据分析与处理装置6 ； 通过数据分析与处理装置6预设电力电缆的安装环境参数 和电力电缆的结构参数， 理论计算电力电缆的运行状态 ； 当电力电缆载流时， 电力电缆线芯 的金属导体会发热， 并逐渐向电力电缆线缆外层散热， 光纤电力电缆智能传感器 4 内的光 纤传感探头 1 的信号变化， 经数据分析与处理装置 6 进行数据处理和分析后获取电力电缆 结构实时运行状态。 0041 使用过程中， 应该使光纤电力电缆智能传感器 4 固定安装平稳， 避免引入外部振 动干扰， 对传感信号造成影响。 说 明 书 CN 102313852 A CN 102313856 A1/1 页 8 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102313852 A 。