一种分布式温度监测的矿山电缆以及监测方法与流程

本发明涉及矿山电力电缆，尤其涉及一种分布式温度监测的矿山电缆以及监测方法。

背景技术：

1、矿山电缆是矿山井下电力传输的核心载体，其运行状态直接关系到矿山安全生产，而温度是反映矿山电缆绝缘老化、接头松动、过载等隐患的关键指标，因此对矿山电缆进行分布式温度监测至关重要。

2、现有技术中，测温光缆要么通过绝缘扎带固定在电缆外部，要么套接在电缆保护套中心，未实现与电缆缆芯、绝缘层的一体化设计。矿山井下机械作业频繁，外部固定的测温光缆易被刮擦、挤压破损，中心套接则会导致导热路径过长，测温响应滞后（现有响应时间多在10-30s），无法及时捕捉电缆接头、绝缘破损处的瞬时过热。此外，这种集成方式还会增加电缆整体直径和重量，不利于井下狭窄空间铺设，且接头处易出现信号断裂，影响监测连续性，这是现有专利未解决的结构性壁垒。

3、同时，现有分布式温度监测方法多基于传统rdofs（拉曼分布式光纤传感）技术，受限于信号处理算法和传感原理，存在精度与速度的矛盾，且适配矿山场景不足，具体包括：矿山井下的粉尘、湿度、温度波动，会干扰拉曼散射信号的采集与解析，现有监测方法的信号处理算法（如传统解调技术）抗干扰能力弱，导致测温误差较大（部分场景下可达3℃以上），无法捕捉电缆早期轻微过热（如正常温度与异常温度差值在2℃以内），难以实现早期预警。虽有研究提出算法优化方案（如盲去噪卷积自编码器、阈值系数拟合算法），但未结合矿山场景的实时性需求进行适配，无法直接落地应用，形成技术壁垒。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种分布式温度监测的矿山电缆以及监测方法。

2、为解决上述提出的现有技术中，测温光缆要么通过绝缘扎带固定在电缆外部，要么套接在电缆保护套中心，未实现与电缆缆芯、绝缘层的一体化设计。矿山井下机械作业频繁，外部固定的测温光缆易被刮擦、挤压破损，中心套接则会导致导热路径过长，测温响应滞后，无法及时捕捉电缆接头、绝缘破损处的瞬时过热。此外，这种集成方式还会增加电缆整体直径和重量，不利于井下狭窄空间铺设，且接头处易出现信号断裂，影响监测连续性，这是现有专利未解决的结构性壁垒。同时，现有分布式温度监测方法多基于传统rdofs技术，受限于信号处理算法和传感原理，存在精度与速度的矛盾，且适配矿山场景不足，具体包括：矿山井下的粉尘、湿度、温度波动，会干扰拉曼散射信号的采集与解析，现有监测方法的信号处理算法抗干扰能力弱，导致测温误差较大，无法捕捉电缆早期轻微过热，难以实现早期预警。虽有研究提出算法优化方案，但未结合矿山场景的实时性需求进行适配，无法直接落地应用，形成技术壁垒技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种分布式温度监测的矿山电缆以及监测方法，包括电缆主体和分布式测温模块，所述电缆主体从内至外依次包括缆芯、绝缘层、导热绝缘过渡层、测温模块安装层和保护套；所述分布式测温模块嵌入所述测温模块安装层内，与所述导热绝缘过渡层紧密贴合，所述测温模块安装层采用阻燃绝缘材料制成，所述导热绝缘过渡层采用高导热绝缘材料，实现所述缆芯、绝缘层与分布式测温模块的一体化集成；所述分布式测温模块采用耐磨损、抗电磁干扰的特种测温光纤，所述特种测温光纤沿电缆主体长度方向连续铺设，在电缆分支节点处采用弧形过渡结构；所述保护套采用加厚阻燃耐磨材料。

4、一种基于分布式温度监测的矿山电缆的监测方法，以分布式测温主机为执行主体，包括以下步骤：

5、s1.通过嵌入电缆主体的分布式测温模块，实时采集电缆沿线各点位的拉曼散射原始信号，同时采集矿山井下环境参数信号；

6、s2.对采集到的拉曼散射原始信号进行降噪处理，采用盲去噪卷积自编码器算法滤除环境干扰噪声，对环境参数信号进行归一化处理；

7、s3.基于rdofs技术，通过拉曼散射光功率比值解调初始温度值，结合标准化环境参数，通过动态标定算法对初始温度值进行修正；

8、s4.预存储电缆额定正常工作温度阈值、单位时间温度骤升阈值以及早期过热识别阈值，预设早期过热阈值满足；逐点位计算精准温度值与额定温度阈值的偏差温差：；按采集时序计算前后相邻周期精准温度的实时变化温差：

9、；

10、若≤、＜且＜，则判定该监测点位电缆运行状态正常；

11、若≥且＜，则判定该监测点位存在缓慢型早期过热异常；

12、若≥，则判定该监测点位存在快速升温型瞬时过热异常；

13、若＞且＜，则判定该监测点位存在长期过载过热异常；

14、s5.根据步骤s4的判断结果，输出各点位电缆工作状态信息；若存在异常，输出对应等级的预警信号，同时基于光时域反射技术定位异常点位，输出异常点位的坐标及异常类型。

15、优选的，步骤s1中所述拉曼散射原始信号包括斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号，所述环境参数信号包括环境湿度、粉尘浓度和环境温度；

16、步骤s2中，所述盲去噪卷积自编码器算法的复合损失函数为，其中为均方误差损失，为能量损失，为总变分损失，具体表达式如下：

17、

18、

19、

20、式中，为权重参数为的盲去噪卷积自编码器映射输出，为拉曼散射原始信号输入矩阵，为算法训练标签矩阵，为第组原始信号样本，为第组信号样本对应的训练标签，为降噪处理后输出信号矩阵，为第组样本内第维降噪输出数据，为单组信号样本的数据长度，为单次迭代运算的样本总数量；

21、所述归一化公式为：

22、

23、式中，为环境参数实时采集原始值，为对应环境参数预设最小值，为对应环境参数预设最大值，为运算后得到的标准化环境参数值；

24、步骤s3中，所述解调公式为：

25、

26、式中，为电缆点位初始温度值；为光纤固有温度标定系数；为反斯托克斯散射光信号功率；为斯托克斯散射光信号功率；为绝对温度补偿修正常数；

27、所述修正公式为：

28、

29、式中，为校正后电缆点位精准温度值，为环境湿度修正系数，为标准化环境湿度数值，为粉尘浓度修正系数，为标准化粉尘浓度数值；为环境温度修正系数，为标准化井下环境温度数值。

30、优选的，步骤s1中，所述分布式测温主机设置采样频率为100hz-200hz，确保捕捉电缆瞬时过热信号，采样周期内采集的拉曼散射原始信号数量不少于100组。

31、优选的，步骤s2中，所述盲去噪卷积自编码器包括编码器和解码器，编码器包含三个卷积层，输入通道数为1，输出通道数依次为16、16、32，卷积核大小为1×3，激活函数采用relu；解码器采用与编码器对应的反卷积层，激活函数和卷积核参数与编码器一致，实现信号的还原与降噪。

32、优选的，所述光纤固有温度标定系数、绝对温度补偿修正常数、环境湿度修正系数、粉尘浓度修正系数、环境温度修正系数，均通过矿山井下多场景试验标定获取，标定过程采用指数拟合算法完成数据拟合运算，拟合计算公式为：

33、

34、式中，为算法预设拟合系数，为试验输入变量，所述试验变量包括环境湿度、粉尘浓度、环境温度中的任意一项，为拟合输出目标值，所述目标值对应匹配湿度修正系数、粉尘浓度修正系数、环境温度修正系数。

35、优选的，步骤s4中，所述正常工作温度阈值根据矿山电缆型号预设，范围为-20℃~90℃；温度骤升阈值预设为5℃/s~10℃/s；早期过热阈值预设为0.5℃~1.5℃。

36、优选的，步骤s5中，所述预警信号分为三级，分别对应早期过热异常、过载过热异常和瞬时过热异常，三级预警信号的报警强度依次递增，且同步反馈异常点位的精准坐标，定位精度≤0.5m。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

38、本发明通过设计缆芯-绝缘层-导热绝缘过渡层-测温模块安装层-保护套的一体化结构，将分布式测温模块嵌入专用安装层，与导热绝缘过渡层紧密贴合，既实现了测温模块与电缆主体的一体化集成，缩短了导热路径，将测温响应时间缩短至3s以内，又避免了破坏电缆原有绝缘结构，导热绝缘过渡层和测温模块安装层均采用高绝缘阻燃材料，确保电缆绝缘性能符合矿山防爆、耐高压标准（20℃时绝缘电阻≥100mω·km），解决了现有技术中集成度低、易损坏、测温滞后及绝缘兼容性差的问题，同时减小了电缆整体直径和重量，便于井下狭窄空间铺设，分支节点的弧形过渡结构避免了测温模块断裂，保证监测连续性。

39、本发明采用适配矿山场景的盲去噪卷积自编码器算法，结合动态标定算法，有效滤除矿山井下粉尘、湿度、温度波动带来的干扰，将测温精度提升至±0.5℃以内，能够捕捉电缆早期轻微过热（差值≥0.5℃），实现早期预警；通过优化信号采样频率和数据处理流程，摒弃传统的大量叠加平均处理，在保证精度的前提下，将监测响应时间缩短至3s以内，能够及时捕捉电缆瞬时过热信号，解决了现有技术中精度与速度的矛盾，参考动态标定校正算法的优化效果，相较于传统方案测温精度提升显著。