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申请/专利权人：中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局海口分局;西安交通大学

摘要：本发明公开了一种海底电缆载流量岸上模拟实验装置及方法，该装置包括热电偶，温度采集模块，光纤温度应变分析仪，穿心变压器，以及电流互感器，用来模拟实际海缆捆绑光缆的结构，通过岸上模拟实验可以将实际海缆运行情况进行模拟，这样就类比了实际情况海缆捆绑光缆的结构，节约了成本。该方法实现了电缆捆绑光缆在不同的电流下电缆和光缆各个位置温度的测量，并推算出温度和电流的关系，而且通过COMSOL仿真软件进行模拟仿真，与实验结果进行对比，共同为海缆实际监测载流量的进行模型构建提供思路和修正的方法；而且验证了利用光缆内光纤的温度可以对电缆温度监测、载流量预估的方法可行性，因此为实际海缆捆绑光缆结构提供了监测的思路和方法。

主权项：1.一种海底电缆载流量岸上模拟实验方法，其特征在于，该方法基于一种海底电缆载流量岸上模拟实验装置，包括热电偶1，温度采集模块2，光纤温度应变分析仪3，调压器4，穿心变压器5，以及电流互感器6；其中，测量时，电缆7和光缆8上开设有孔洞；若干热电偶1分别用导电胶固定在相应的位置，用于测量不同时刻的不同电流大小下电缆7和光缆8各个位置的温度变化；待测电缆7捆绑光缆8穿过穿心变压器5和电流互感器6，且待测电缆7捆绑光缆8两端导体连接，形成通电回路；待测光缆8中的光纤的一端与光纤温度应变分析仪3发射端相连，另一端与光纤温度应变分析仪3接收端相连，形成另一条光通路；通过调压器4对穿心变压器5电压调节进而改变对待测电缆7捆绑光缆8产生的电流的大小；热电偶1与温度采集模块2相连，温度采集模块2用于储存热电偶1在不同时刻测得的待测电缆7捆绑光缆8各层结构的温度值；光纤温度应变分析仪3用于采集不同时刻的待测电缆7捆绑光缆8不同位置的布里渊位移频移；待测电缆7包括由内至外依次设置的铜导体701，绝缘702，铜带703，钢带铠装704，以及阻燃外护套705；光缆8包括由内至外依次设置的光单元801，聚乙烯内护层802，第一层钢丝铠装803，第二层钢丝铠装804，以及外被层805；该方法包括以下步骤：1将一根待测电缆7捆绑光缆8穿过穿心变压器5，并将待测电缆7捆绑光缆8两端导体连接，形成通电回路；并提前在待测电缆7和光缆8上打孔，打孔深度与电缆7和光缆8各层结构相吻合，在孔内放入热电偶1，测量不同时刻待测电缆7捆绑光缆8各个位置的温度；2将待测光缆8中的光纤的一端与光纤温度应变分析仪3发射端相连，另一端与光纤温度应变分析仪3接收端相连，形成另一条光通路；3改变待测电缆7捆绑光缆8中通过电流的大小，记录不同电流下热电偶测量的温度、不同条件下光纤温度应变分析仪3测量的布里渊位移频移；通过调压器4调节电缆7中的感应电流，观察电流互感器6的电流值，使其分别保持在100A、200A、300A、400A，待到电缆7和光缆8各层的温度达到稳态；4根据布里渊频移与温度、应变的关系式，得到同一时刻待测电缆7捆绑光缆8在不同电流下，电缆7和光缆8各层的温度与电流关系；布里渊频移与同一时刻光纤的温度、应变的关系如式1所示：vBT,ε＝vBT0,ε0+CυTT-T0+Cυεε-ε01其中vBT0,ε0、vBT,ε为光纤温度应变分析仪在待测电缆7和光缆8中导体无电流、导体有电流且导体温度稳定后测量得到的缆中光纤布里渊散射光频移量，ε0、ε为待测电缆7和光缆8中导体无电流、导体有电流且导体温度稳定后测量得到的缆中光纤的应变值，T0、T为待测电缆7和光缆8中导体无电流、导体有电流且导体温度稳定后测量得到的缆中光纤的温度值，CvT、Cvε分别为布里渊频移温度系数、布里渊频移应变系数；5并将电缆7捆绑光缆8的实验结果与在COMSOL仿真软件中的仿真结果相对比；将电缆7捆绑光缆8在COMSOL仿真软件中进行建模仿真，设置的环境温度为实验时的环境温度，周围环境为空气，并设置铜导体的电流大小分别为100A、200A、300A、400A、500A，得到稳态时电缆7捆绑光缆8各层结构的温度值。

全文数据：一种海底电缆载流量岸上模拟实验装置及方法技术领域本发明属于电缆状态监测技术领域，具体涉及一种海底电缆载流量岸上模拟实验装置及方法。背景技术海底电缆正常运行时，导体的温度，应力是一个非常重要的参数，导体实时温度决定了海底电缆当前的载流量。另外，若海底电缆工作温度过高，将导致绝缘材料老化加速，海缆寿命缩短，严重时甚至会出现故障；在海缆内部微小缺陷发展过程中，会伴随着异常发热，缺陷点温度会升高，严重时绝缘老化加速，导致热击穿。目前，对于海南联网系统三相31km的海底电缆，其温度、应力的运行状态、健康水平，目前掌握情况还非常有限，故利用光纤传感原理，研究如何依靠海底电缆本体捆绑的光缆实现海底电缆温度在线监测以及载流量的推算至关重要。由于海缆一般比较复杂，要进行海缆本体实验比较困难，而且成本比较高。因此，现有的测试装置不能针对海底电缆岸上模拟实验测量是本领域技术人员需要解决的技术问题。发明内容本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种海底电缆载流量岸上模拟实验装置及方法。本发明采用如下技术方案来实现的：一种海底电缆载流量岸上模拟实验装置，包括热电偶，温度采集模块，光纤温度应变分析仪，调压器，穿心变压器，以及电流互感器；其中，测量时，电缆和光缆上开设有孔洞；若干热电偶分别用导电胶固定在相应的位置，用于测量不同时刻的不同电流大小下电缆和光缆各个位置的温度变化；待测电缆捆绑光缆穿过穿心变压器和电流互感器，且待测电缆捆绑光缆两端导体连接，形成通电回路；待测光缆中的光纤的一端与光纤温度应变分析仪发射端相连，另一端光纤温度应变分析仪接收端相连，形成另一条光通路；通过调压器对穿心变压器电压调节进而改变对待测电缆捆绑光缆产生的电流的大小；热电偶与温度采集模块相连，温度采集模块用于储存热电偶在不同时刻测得的待测电缆捆绑光缆各层结构的温度值；光纤温度应变分析仪用于采集不同时刻的待测电缆捆绑光缆不同位置的布里渊位移频移。本发明进一步的改进在于，待测电缆包括由内至外依次设置的铜导体，绝缘，铜带，钢带铠装，以及阻燃外护套。本发明进一步的改进在于，光缆包括由内至外依次设置的光单元，聚乙烯内护层，第一层钢丝铠装，第二层钢丝铠装，以及外被层。一种海底电缆载流量岸上模拟实验方法，该方法基于上述一种海底电缆载流量岸上模拟实验装置，包括以下步骤：1将一根待测电缆捆绑光缆穿过穿心变压器，并将待测电缆捆绑光缆两端导体连接，形成通电回路；并提前在待测电缆和光缆上打孔，打孔深度与电缆和光缆各层结构相吻合，在孔内放入热电偶，测量不同时刻待测电缆捆绑光缆各个位置的温度；2将待测光缆中的光纤的一端与光纤温度应变分析仪发射端相连，另一端与光纤温度应变分析仪接收端相连，形成另一条光通路；3改变待测电缆捆绑光缆中通过电流的大小，记录不同电流下热电偶测量的温度、不同条件下光纤温度应变分析仪测量的布里渊位移频移；4根据布里渊频移与温度、应变的关系式，得到同一时刻待测电缆捆绑光缆在不同电流下，电缆和光缆各层的温度与电流关系；5并将电缆捆绑光缆的实验结果与在COMSOL仿真软件中的仿真结果相对比。本发明进一步的改进在于，步骤3中，通过调压器调节电缆中的感应电流，观察电流互感器的电流值，使其分别保持在100A、200A、300A、400A、500A，待到电缆和光缆各层的温度达到稳态。本发明进一步的改进在于，步骤4中，布里渊频移与同一时刻光纤的温度、应变的关系如式1所示：vBT,ε＝vBT0,ε0+CυTT-T0+Cυεε-ε01其中vBT0,ε0、vBT,ε为光纤温度应变分析仪在待测电缆和光缆中导体无电流、导体有电流且导体温度稳定后测量得到的缆中光纤布里渊散射光频移量，ε0、ε为待测电缆和光缆中导体无电流、导体有电流且导体温度稳定后测量得到的缆中光纤的应变值，T0、T为待测电缆和光缆中导体无电流、导体有电流且导体温度稳定后测量得到的缆中光纤的温度值，CvT、Cvε分别为布里渊频移温度系数、布里渊频移应变系数。本发明进一步的改进在于，步骤5中，将电缆捆绑光缆在COMSOL仿真软件中进行建模仿真，设置的环境温度为实验时的环境温度，周围环境为空气，并设置铜导体的电流大小分别为100A、200A、300A、400A，得到稳态时电缆捆绑光缆各层结构的温度值。本发明具有如下有益的技术效果：本发明提供的一种海底电缆载流量岸上模拟实验装置，包括热电偶，温度采集模块，光纤温度应变分析仪，穿心变压器，电流互感器，可以简单的模拟实际海缆捆绑光缆结构的运行情况，通过岸上模拟实验可以将实际海缆运行情况进行模拟，这样就类比了实际情况海缆捆绑光缆的结构，将实际海缆比较复杂的问题进行了科学的简化，避免使用实际海缆实验的复杂性，节约了大量的成本。本发明提供的一种海底电缆载流量岸上模拟实验方法，由于海缆的实际结构比较复杂，要进行实验比较困难，成本比较高。而本发明实现了电缆捆绑光缆在不同的电流下电缆和光缆各个位置温度的测量，并推算出温度和电流的关系，而且本发明利用了COMSOL仿真软件进行模拟仿真，与实验结果进行对比，共同为海缆实际监测载流量的进行模型构建提供思路和修正的方法；而且验证了利用光缆内光纤的温度可以对电缆温度监测、载流量预估的方法可行性，因此为实际海缆捆绑光缆结构提供了监测的思路和方法。附图说明附图1是本发明一种海底电缆载流量岸上模拟实验装置示意图。附图2是待测电缆捆绑光缆结构示意图。附图3是在COMSOL中仿真图；其中图3a电缆捆绑光缆结构整体仿真结果，图3b为光缆的仿真结果。附图4是电缆捆绑光缆结构在不同电流下的不同位置温度的实验结果图。附图5是海底电缆载流量岸上模拟实验检测框图。附图标记说明：1为热电偶，2为温度采集模块，3为光纤温度应变分析仪，4为调压器，5为穿心变压器，6为电流互感器，7为电缆，8为光缆；701为铜导体，702为绝缘，703为铜带，704为钢带铠装，705为阻燃外护套，801为光单元，802为聚乙烯内护层，803为第一层钢丝铠装，804为第二层钢丝铠装，805为外被层。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。如图1所示，本发明提供的一种海底电缆载流量岸上模拟实验装置，包括热电偶1，温度采集模块2，光纤温度应变分析仪3，调压器4，穿心变压器5，以及电流互感器6。测量时，首先将电缆7和光缆8按照如图2进行利用电转进行打孔；打孔之后将热电偶1分别用导电胶固定在相应的位置，用于测量不同时刻的不同电流大小下电缆7和光缆8各个位置的温度变化；待测电缆7捆绑光缆8穿过穿心变压器5和电流互感器6，且待测电缆7捆绑光缆8结构如图2所示两端导体连接，形成通电回路；待测光缆8中的光纤的一端与光纤温度应变分析仪3发射端相连，另一端光纤温度应变分析仪3接收端相连，形成另一条光通路；通过调压器4对穿心变压器5电压调节进而改变对待测电缆7捆绑光缆8产生的电流的大小；热电偶1与温度采集模块2相连，温度采集模块2用于储存热电偶1在不同时刻测得的待测电缆7捆绑光缆8各层结构的温度值；光纤温度应变分析仪3用于采集不同时刻的待测电缆7捆绑光缆8不同位置的布里渊位移频移。如图4所示，本发明提供的一种海底电缆载流量岸上模拟实验方法，包括以下步骤：1将一根待测电缆7捆绑光缆8穿过穿心变压器5，并将待测电缆7捆绑光缆8两端导体连接，形成通电回路；并提前在待测电缆7和光缆8上打孔，打孔深度与电缆7和光缆8各层结构相吻合，在孔内放入热电偶1，测量不同时刻待测电缆7捆绑光缆8各个位置的温度；2将待测光缆7中的光纤的一端与光纤温度应变分析仪3发射端相连，另一端与光纤温度应变分析仪3接收端相连，形成另一条光通路；3改变待测电缆7捆绑光缆8中通过电流的大小，记录不同电流下热电偶测量的温度、不同条件下光纤温度应变分析仪3测量的布里渊位移频移；4根据布里渊频移与温度、应变的关系式，得到同一时刻待测电缆8捆绑光缆7在不同电流下，电缆7和光缆8各层的温度与电流关系；5并将电缆8捆绑光缆7的实验结果与在COMSOL仿真软件中的仿真结果相对比。步骤1以待测电缆7捆绑光缆8为研究对象，该待测电缆7包括由内至外依次设置的铜导体701，绝缘702，铜带703，钢带铠装704，以及阻燃外护套705，光缆8包括由内至外依次设置的光单元801，聚乙烯内护层802，第一层钢丝铠装803，第二层钢丝铠装804，以及外被层805。待测结构示意图如图2所示。对待测电缆7和光缆8进行打孔，将孔尽可能打到各层位置处。并将热电偶1分别与钢带铠装801，阻燃外护套802，铜带803，铜导体804，绝缘805，导体屏蔽层806，外被层801，第一层钢丝铠装802，光单元803，聚乙烯内护层804，以及第二层钢丝铠装805相接触，测量待测电缆7和光缆8各结构的温度。热电偶1与温度采集模块2连接，储存热电偶1在不同时刻测得的待测电缆7和光缆8各结构的温度值。步骤2将光缆7利用光纤熔接机进行熔接，并设置好光纤温度应变分析仪3的采样间隔和空间分布率，一定要小于电缆长度，并可以尝试多种空间分布率进行测试，将不同空间分布率的结果进行对比。步骤3将通过调压器4调节电缆7中的感应电流，观察电流互感器6的电流值，使其分别保持在100A、200A、300A、400A，并将不同时刻的光纤温度应变分析仪3中的布里渊频移进行记录，同时将不同位置的热电偶1的数值记录到温度采集模块2中，实验结果如图5所示。步骤4光纤温度应变分析仪3可以测量得到不同电流下导体稳定后待测电缆7和光缆8中光纤不同位置的布里渊频移，布里渊频移与同一时刻光纤的温度、应变的关系如式1所示：vBT,ε＝vBT0,ε0+CυTT-T0+Cυεε-ε01其中vBT0,ε0、vBT,ε为光纤温度应变分析仪在待测电缆7和光缆8中导体无电流、导体有电流且导体温度稳定后测量得到的缆中光纤布里渊散射光频移量，ε0、ε为待测电缆7和光缆8中导体无电流、导体有电流且导体温度稳定后测量得到的缆中光纤的应变值，T0、T为待测电缆7和光缆8中导体无电流、导体有电流且导体温度稳定后测量得到的缆中光纤的温度值，CvT、Cvε分别为布里渊频移温度系数、布里渊频移应变系数。步骤5将如图2结构在COMSOL仿真软件中进行建模仿真，设置的环境温度为实验时的环境温度，周围环境为空气，并设置铜导体的电流大小分别为100A、200A、300A、400A、500A，得到稳态时电缆7捆绑光缆8各层结构的温度值。

权利要求：1.一种海底电缆载流量岸上模拟实验装置，其特征在于，包括热电偶1，温度采集模块2，光纤温度应变分析仪3，调压器4，穿心变压器5，以及电流互感器6；其中，测量时，电缆7和光缆8上开设有孔洞；若干热电偶1分别用导电胶固定在相应的位置，用于测量不同时刻的不同电流大小下电缆7和光缆8各个位置的温度变化；待测电缆7捆绑光缆8穿过穿心变压器5和电流互感器6，且待测电缆7捆绑光缆8两端导体连接，形成通电回路；待测光缆8中的光纤的一端与光纤温度应变分析仪3发射端相连，另一端光纤温度应变分析仪3接收端相连，形成另一条光通路；通过调压器4对穿心变压器5电压调节进而改变对待测电缆7捆绑光缆8产生的电流的大小；热电偶1与温度采集模块2相连，温度采集模块2用于储存热电偶1在不同时刻测得的待测电缆7捆绑光缆8各层结构的温度值；光纤温度应变分析仪3用于采集不同时刻的待测电缆7捆绑光缆8不同位置的布里渊位移频移。2.根据权利要求1所述的一种海底电缆载流量岸上模拟实验装置，其特征在于，待测电缆7包括由内至外依次设置的铜导体701，绝缘702，铜带703，钢带铠装704，以及阻燃外护套705。3.根据权利要求1所述的一种海底电缆载流量岸上模拟实验装置，其特征在于，光缆8包括由内至外依次设置的光单元801，聚乙烯内护层802，第一层钢丝铠装803，第二层钢丝铠装804，以及外被层805。4.一种海底电缆载流量岸上模拟实验方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至3中任一项所述的一种海底电缆载流量岸上模拟实验装置，包括以下步骤：1将一根待测电缆7捆绑光缆8穿过穿心变压器5，并将待测电缆7捆绑光缆8两端导体连接，形成通电回路；并提前在待测电缆7和光缆8上打孔，打孔深度与电缆7和光缆8各层结构相吻合，在孔内放入热电偶1，测量不同时刻待测电缆7捆绑光缆8各个位置的温度；2将待测光缆7中的光纤的一端与光纤温度应变分析仪3发射端相连，另一端与光纤温度应变分析仪3接收端相连，形成另一条光通路；3改变待测电缆7捆绑光缆8中通过电流的大小，记录不同电流下热电偶测量的温度、不同条件下光纤温度应变分析仪3测量的布里渊位移频移；4根据布里渊频移与温度、应变的关系式，得到同一时刻待测电缆8捆绑光缆7在不同电流下，电缆7和光缆8各层的温度与电流关系；5并将电缆8捆绑光缆7的实验结果与在COMSOL仿真软件中的仿真结果相对比。5.根据权利要求4所述的一种海底电缆载流量岸上模拟实验方法，其特征在于，步骤3中，通过调压器4调节电缆7中的感应电流，观察电流互感器6的电流值，使其分别保持在100A、200A、300A、400A，待到电缆7和光缆8各层的温度达到稳态。6.根据权利要求4所述的一种海底电缆载流量岸上模拟实验方法，其特征在于，步骤4中，布里渊频移与同一时刻光纤的温度、应变的关系如式1所示：vBT,ε＝vBT0,ε0+CυTT-T0+Cυεε-ε01其中vBT0,ε0、vBT,ε为光纤温度应变分析仪在待测电缆7和光缆8中导体无电流、导体有电流且导体温度稳定后测量得到的缆中光纤布里渊散射光频移量，ε0、ε为待测电缆7和光缆8中导体无电流、导体有电流且导体温度稳定后测量得到的缆中光纤的应变值，T0、T为待测电缆7和光缆8中导体无电流、导体有电流且导体温度稳定后测量得到的缆中光纤的温度值，CvT、Cvε分别为布里渊频移温度系数、布里渊频移应变系数。7.根据权利要求4所述的一种海底电缆载流量岸上模拟实验方法，其特征在于，步骤5中，将电缆7捆绑光缆8在COMSOL仿真软件中进行建模仿真，设置的环境温度为实验时的环境温度，周围环境为空气，并设置铜导体的电流大小分别为100A、200A、300A、400A、500A，得到稳态时电缆7捆绑光缆8各层结构的温度值。

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