一种电力电缆孔洞封堵监测装置及方法与流程

1.本发明涉及封堵监测领域，尤其是涉及一种电力电缆孔洞封堵监测装置及方法。


背景技术：

2.防火封堵，就是用防火封堵材料密封电缆或管道穿过墙体或楼板形成孔洞，它的作用是防止火灾蔓延到起火源相邻的区域，能有效避免事故扩大，达到保护人员和设备安全的目的。国内外由于防火封堵不严导致火灾蔓延事故比比皆是。《电力设备典型消防规程》(dl5027-2015)规定：10.5.3凡穿越墙壁、楼板和电缆沟道而进入控制室、电缆夹层、控制柜及仪表盘、保护盘等处的电缆孔、泪、竖井和进入油区的电缆入口处必须用防火堵料严密封堵。10.5.4在已完成电缆防火措施的电缆孔洞等处新敷设或拆除电缆，必须及时重新做好相应的防火封堵措施。国家电网《十八项反事故措施》规定：13.2.1.6在电缆通道内敷设电缆需经运行部门许可。施工过程中产生的电缆孔洞应加装防火封堵，受损的防火设施应及时恢复，并由运维部门验收。但目前针对电缆孔洞防火封堵状态缺乏专用的监测工具。
3.电缆孔洞防火封堵方面主要存在三个方面问题：第一，封堵材料自然脱落；第二，电缆迁改施工过程中，人为破坏或误入间隔破坏；第三，小动物破坏。
4.目前针对这三个方面问题的解决方法是靠人工巡视，实地观察或测量电缆孔洞封堵参数情况，但人工巡视耗费大量人力物力，且不能实时监测防火封堵状态的变化。


技术实现要素：

5.本发明为了解决现有技术中存在的问题，创新提出了一种电力电缆孔洞封堵监测装置及方法，有效解决由于现有技术造成电缆孔洞封堵监测效率以及可靠性不高的问题，有效地提高了电缆孔洞封堵监测的效率以及可靠性。
6.本发明第一方面提供了一种电力电缆孔洞封堵监测装置，包括：设置在电缆(1)孔洞(2)直径引出线一侧的第一监测传感器，所述第一监测传感器包括中心轴(3)、支撑座(4)、弹性悬臂梁(5)、弹性连接模块(6)、挡板(7)、固定座(8)、第一光纤bragg光栅(9)、第二光纤bragg光栅(10)、波长监测模块(11)；所述中心轴(3)与嵌入墙体(12)内部的固定座(8)固定连接，所述中心轴(3)依次套设挡板(7)、弹性悬臂梁(5)、支撑座(4)，所述挡板(7)与电缆(1)接触连接，所述挡板(7)与弹性悬臂梁(5)通过弹性连接模块(6)弹性连接，弹性悬臂梁(5)与支撑座(4)固定连接，所述支撑座(4)与中心轴(3)固定连接，所述第一光纤bragg光栅(9)、第二光纤bragg光栅(10)分别对称设置于弹性悬臂梁(5)的上下表面，波长监测模块(11)与第一光纤bragg光栅(9)、第二光纤bragg光栅(10)依次通信连接，通过监测第一光纤bragg光栅(9)、第二光纤bragg光栅(10)的中心波长变化，实现对电力电缆孔洞封堵状态监测。
7.可选地，弹性连接模块(6)包括第一弹簧座(61)、第二弹簧座(62)、传动弹簧(63)，所述第一弹簧座(61)与挡板(7)固定连接，所述第二弹簧座(62)与弹性悬臂梁(5)固定连接，所述传动弹簧(63)环绕设置于中心轴(3)外部，用于第一弹簧座(61)、第二弹簧座(62)
的弹性连接。
8.进一步地，第一光纤bragg光栅(9)、第二光纤bragg光栅(10)分别对称设置于弹性悬臂梁(5)的上下表面，且第一光纤bragg光栅(9)、第二光纤bragg光栅(10)不与第二弹簧座(62)接触连接。
9.进一步地，支撑座(4)上部设置有凹槽(411)，所述凹槽(411)用于容纳第二光纤bragg光栅(10)，且凹槽(411)的深度大于第二光纤bragg光栅(10)的厚度。
10.可选地，第一光纤bragg光栅(9)的温度灵敏度系数与第二光纤bragg光栅(10)的温度灵敏度系数相同。
11.可选地，波长检测模块(11)包括光谱仪(111)、光源(112)、耦合器(113)，所述光谱仪(111)的输入端与耦合器(113)的第一输出端连接，所述耦合器(113)的第一输入端与光源(112)输出端连接，所述耦合器(113)的第二输入端、第二输出端均与第一光纤bragg光栅(9)以及第二光纤bragg光栅(10)连接。
12.可选地，设置在电缆(1)孔洞(2)直径引出线另一侧的第二监测传感器，所述第二监测传感器与第一监测传感器关于电缆(1)对称，且第二监测传感器与第一监测传感器共用挡板(7)。
13.进一步地，挡板(7)两侧关于电缆(1)对称，套设与电缆(1)外部，且挡板(7)在第一监测传感器上的压力与在第二监测传感器上的压力大小相等。
14.本发明第二方面提供了一种电力电缆孔洞封堵监测方法，基于本发明第一方面所述的一种电力电缆孔洞封堵监测装置的基础上实现的，包括：
15.获取第一光纤bragg光栅以及第二光纤bragg光栅的中心波长差值之和的实际监测数值与理论数值；
16.如果第一光纤bragg光栅以及第二光纤bragg光栅的中心波长差值之和的实际监测数值与理论数值小于预设误差范围，判断第一光纤bragg光栅以及第二光纤bragg光栅的中心波长差值之和的实际监测数值是否大于预设波长差值，如果大于，则电力电缆孔洞封堵的封堵状态不严密；如果不大于，则电力电缆孔洞封堵的封堵状态严密。
17.可选地，第一光纤bragg光栅以及第二光纤bragg光栅的中心波长差值之和的理论数值的确定方法是：
18.其中，l为弹性悬臂梁长度，h为弹性悬臂梁宽度，f为作用在弹性悬臂梁自由端上的力，e为弹性悬臂梁的杨氏模量，i为弹性悬臂梁x0处截面的惯性矩，λb为窄带反射的峰值波长，p是光纤有效弹光系数。
19.本发明采用的技术方案包括以下技术效果：
20.1、本发明当防火封堵材料脱落或造破坏时，通过弹性连接模块将作用力传递到有光纤bragg光栅的弹性悬臂梁结构上，当弹性悬臂梁受到作用力大小的变化，光纤会产生形变，从而产生不同的反射光谱，通过波长检测模块实时获取中心波长差值，监测电缆孔洞封堵情况，有效解决由于现有技术造成电缆孔洞封堵监测效率以及可靠性不高的问题，有效地提高了电缆孔洞封堵监测的效率以及可靠性。
21.2、本发明技术方案中第一光纤bragg光栅、第二光纤bragg光栅分别对称设置于弹性悬臂梁的上下表面，且第一光纤bragg光栅、第二光纤bragg光栅不与第二弹簧座接触连
接，避免了第二弹簧座对第一光纤bragg光栅、第二光纤bragg光栅的影响，进一步地提高了电缆孔洞封堵监测的可靠性。
22.3、本发明技术方案中第一光纤bragg光栅的温度灵敏度系数与第二光纤bragg光栅的温度灵敏度系数相同，保证了由于温度引起的两个光纤bragg光栅波长变化方向及大小相同，使得波长变化差只受力的变化影响，避免了温度对于光纤bragg光栅波长变化的影响，提高了电缆孔洞封堵监测的可靠性。
23.4、本发明技术方案设置在电缆孔洞直径引出线另一侧的第二监测传感器，所述第二监测传感器与第一监测传感器关于电缆对称，能够对电缆孔洞两侧均进行封堵情况的有效监测，避免了单一监测传感器造成封堵监测遗漏。
24.5，本发明技术方案中挡板两侧关于电缆对称，套设与电缆外部，且挡板在第一监测传感器上的压力与在第二监测传感器上的压力大小相等，不仅能够对电缆孔洞两侧均进行封堵情况的有效监测，而且降低了第一监测传感器与第二监测传感器的相互干扰影响。
25.应当理解的是以上的一般描述以及后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
26.为了更清楚说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见的，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明方案中实施例一装置的结构示意图；
28.图2为本发明方案中实施例一中第一光纤bragg光栅(9)设置在弹性悬臂梁(5)的俯视示意图；
29.图3为本发明方案中实施例一中第一光纤bragg光栅(9)设置在弹性悬臂梁(5)的局部放大示意图；
30.图4为本发明方案中实施例一中包括第一监测传感器以及第二监测传感器时，挡板(7)的示意图(沿电缆延伸方向)；
31.图5为本发明方案中实施例一中波长监测模块(11)的结构示意图；
32.图6为本发明方案中实施例一中包括第一监测传感器以及第二监测传感器时的结构示意图；
33.图7为本发明方案中实施例二方法的流程示意图。
具体实施方式
34.为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
35.实施例一
36.如图1-图4所示，本发明提供了一种电力电缆孔洞封堵监测装置，其特征是，包括：设置在电缆(1)孔洞(2)直径引出线一侧的第一监测传感器，所述第一监测传感器包括中心轴(3)、支撑座(4)、弹性悬臂梁(5)、弹性连接模块(6)、挡板(7)、固定座(8)、第一光纤bragg光栅(9)、第二光纤bragg光栅(10)、波长监测模块(11)；所述中心轴(3)与嵌入墙体(12)内部的固定座(8)固定连接，所述中心轴(3)依次套设挡板(7)、弹性悬臂梁(5)、支撑座(4)，所述挡板(7)与电缆(1)接触连接，所述挡板(7)与弹性悬臂梁(5)通过弹性连接模块(6)弹性连接，弹性悬臂梁(5)与支撑座(4)固定连接，所述支撑座(4)与中心轴(3)固定连接，所述第一光纤bragg光栅(9)、第二光纤bragg光栅(10)分别对称设置于弹性悬臂梁(5)的上下表面，波长监测模块(11)分别与第一光纤bragg光栅(9)、第二光纤bragg光栅(10)通信连接，通过监测第一光纤bragg光栅(9)、第二光纤bragg光栅(10)的中心波长变化，实现对电力电缆孔洞封堵状态监测。
37.其中，中心轴(3)(当墙壁为竖直方向时，中心轴延伸方向与墙体方向平行；当墙壁为水平方向时，中心轴延伸方向与墙体方向垂直；即中心轴为竖直方向设置)可以通过螺丝与与嵌入墙体(12)内部的固定座(8)固定连接，也可以通过其他方式固定连接。支撑座(4)在套设于中心轴(3)后，支撑座(4)内部设置有内螺纹，中心轴(3)与支撑座(4)连接处设置有与内螺纹相对应的外螺纹，可以将支撑座(4)与中心轴(3)固定连接，并提供给弹性悬臂梁(5)一定的预压力。
38.其中，弹性连接模块(6)包括第一弹簧座(61)、第二弹簧座(62)、传动弹簧(63)，第一弹簧座(61)与挡板(7)固定连接，第二弹簧座(62)与弹性悬臂梁(5)固定连接，传动弹簧(63)环绕设置于中心轴(3)外部，用于第一弹簧座(61)、第二弹簧座(62)的弹性连接，实现挡板(7)与弹性悬臂梁(5)之间压力弹性传动。
39.具体地，第一光纤bragg光栅(9)、第二光纤bragg光栅(10)分别对称设置于弹性悬臂梁(5)一侧(优选为外侧，即远离电缆的一侧，以便于波长检测模块的设置)的上下表面，且第一光纤bragg光栅(9)、第二光纤bragg光栅(10)不与第二弹簧座(63)接触连接。优选地，第一光纤bragg光栅(9)、第二光纤bragg光栅(10)可以分别粘贴于弹性悬臂梁(5)的上下表面，实现起来简单方便。
40.进一步地，支撑座(4)上部设置有凹槽(411)，所述凹槽(411)用于容纳第二光纤bragg光栅(10)，且凹槽(411)的深度大于第二光纤bragg光栅(10)的厚度。弹性悬臂梁(5)通过第一螺钉(412)以及第二螺钉(413)固定在支撑座(4)上，其中，第一螺钉(412)位于支撑座(4)上靠近电缆(1)的一侧，第二螺钉(413)位于支撑座(4)上远离电缆(1)的一侧。优选地，凹槽(411)也是关于中心轴(3)对称，即凹槽(411)在中心轴(3)两侧的长度等参数对应相同，以保证中心轴(3)上的弹性悬臂梁(5)每一处的弹性压力均相等，即弹性悬臂梁(5)为等强度弹性悬臂梁。
41.进一步地，第一光纤bragg光栅(9)的温度灵敏度系数与第二光纤bragg光栅(10)的温度灵敏度系数相同。
42.具体地，如图5所示，波长检测模块(11)包括光谱仪(111)、光源(112)、耦合器(113)，所述光谱仪(111)的输入端与耦合器(113)的第一输出端连接，所述耦合器(113)的第一输入端与光源(112)输出端连接，所述耦合器(113)的第二输入端、第二输出端均依次与第一光纤bragg光栅(9)以及第二光纤bragg光栅(10)连接。
43.进一步地，光源(112)可以为宽带光源，耦合器可以为3db耦合器，耦合器(13)的第一输入端会接收光源(112)发出的光，然后耦合器(13)的第二输出端输出的光会依次通过第一光纤bragg光栅(9)以及第二光纤bragg光栅(10)的反射，然后反射回来的光波会通过第二输入端输入至耦合器(13)，然后发送给光谱仪(111).
44.进一步地，如图6所示，设置在电缆(1)孔洞(2)直径引出线另一侧的第二监测传感器，所述第二监测传感器的结构与第一监测传感器结构相同，且与第一监测传感器关于电缆(1)对称，且第二监测传感器与第一监测传感器共用挡板(7)。
45.挡板(7)两侧关于电缆(1)对称，挡板(7)优选与墙体(12)垂直设置，套设与电缆(1)外部，且挡板(7)在第一监测传感器上的压力与在第二监测传感器上的压力大小相等。进一步地，挡板(7)的长度(垂直与电缆延伸方向的左右两侧)至少大于电缆孔洞直径d，已实现电缆孔洞直径区域的覆盖。优选地，挡板(7)的宽度(平行于与电缆延伸方向的两侧)尽量大一些(大于电缆孔洞直径d)，已尽量实现电缆孔洞封堵材料掉落区域区域的覆盖。本发明技术方案中挡板(7)与墙壁(12)间隔一定距离即可，间隔的距离可以中心轴(3)的半径，也可以根据实际情况灵活调整，本发明在此不做限制。
46.工作原理：在电缆(1)孔洞(2)直径引出线两端(以电缆空洞直径上，以空洞圆点为中心对称分布)分别安装一个第一监测传感器以及一个第二监测传感器，挡板(7)与传动弹簧(63)的自身重力m，等强度弹性悬臂梁(5)发生初始形变。当电缆孔洞防火封堵材料损坏时，封堵材料会掉落至挡板(7)上使传动弹簧(63)发生形变，传动弹簧(63)发生形变的作用力f作用在等强度弹性悬臂梁(5)上，从而使等强度弹性悬臂梁(5)发生形变，由于光纤bragg光栅粘贴于等强度弹性悬臂梁(5)的上下表面，弹性悬臂梁(5)上表面受拉，应变为正，下表面受压应变为负，两个温度灵敏度系数相同的上、下两个光纤光栅，由于温度引起的两个bragg光栅波长变化方向及大小相同，所以波长变化差只受力的变化影响，通过测量波长差变化实现电缆孔洞封堵状态的监测。
47.本发明当防火封堵材料脱落或造破坏时，通过弹性连接模块将作用力传递到有光纤bragg光栅的弹性悬臂梁结构上，当弹性悬臂梁受到作用力大小的变化，光纤会产生形变，从而产生不同的反射光谱，通过波长检测模块实时获取中心波长差值，监测电缆孔洞封堵情况，有效解决由于现有技术造成电缆孔洞封堵监测效率以及可靠性不高的问题，有效地提高了电缆孔洞封堵监测的效率以及可靠性。
48.本发明技术方案中第一光纤bragg光栅、第二光纤bragg光栅分别对称设置于弹性悬臂梁的上下表面，且第一光纤bragg光栅、第二光纤bragg光栅不与第二弹簧座接触连接，避免了第二弹簧座对第一光纤bragg光栅、第二光纤bragg光栅的影响，进一步地提高了电缆孔洞封堵监测的可靠性。
49.本发明技术方案中第一光纤bragg光栅的温度灵敏度系数与第二光纤bragg光栅的温度灵敏度系数相同，保证了由于温度引起的两个光纤bragg光栅波长变化方向及大小相同，使得波长变化差只受力的变化影响，避免了温度对于光纤bragg光栅波长变化的影响，提高了电缆孔洞封堵监测的可靠性。
50.本发明技术方案设置在电缆孔洞直径引出线另一侧的第二监测传感器，所述第二监测传感器与第一监测传感器关于电缆对称，能够对电缆孔洞两侧均进行封堵情况的有效监测，避免了单一监测传感器造成封堵监测遗漏。
51.本发明技术方案中挡板两侧关于电缆对称，套设与电缆外部，且挡板在第一监测传感器上的压力与在第二监测传感器上的压力大小相等，不仅能够对电缆孔洞两侧均进行封堵情况的有效监测，而且降低了第一监测传感器与第二监测传感器的相互干扰影响。
52.实施例二
53.如图7所示，本发明技术方案还提供了一种电力电缆孔洞封堵监测方法，基于实施例一中的一种电力电缆孔洞封堵监测装置的基础上实现的，包括：
54.s1，获取第一光纤bragg光栅以及第二光纤bragg光栅的中心波长差值之和的实际监测数值与理论数值；
55.s2，第一光纤bragg光栅以及第二光纤bragg光栅的中心波长差值之和的实际监测数值与理论数值小于预设误差范围，如果判断结果为是，则执行步骤s3；如果判断结果为否，则执行步骤s4；
56.s3，判断第一光纤bragg光栅以及第二光纤bragg光栅的中心波长差值之和的实际监测数值是否大于预设波长差值，如果判断结果为是，则执行步骤s5，如果判断结果为否，执行步骤s6；
57.s4，舍弃当前实际监测数值，继续获取第一光纤bragg光栅以及第二光纤bragg光栅的中心波长差值之和的实际监测数值；
58.s5，则电力电缆孔洞封堵的封堵状态不严密。
59.s6，则电力电缆孔洞封堵的封堵状态严密。
60.其中，在步骤s1中，第一光纤bragg光栅以及第二光纤bragg光栅的中心波长差值之和的理论数值的确定方法是：
61.其中，l为弹性悬臂梁长度，h为弹性悬臂梁宽度，f为作用在弹性悬臂梁自由端上的力，e为弹性悬臂梁的杨氏模量，i为弹性悬臂梁x0处截面的惯性矩，λb为窄带反射的峰值波长，p是光纤有效弹光系数。
62.具体地，以等强度弹性悬臂梁固定端为基点，自由端受力f引起梁上x0处的轴向应变变化量为：
[0063][0064]
其中，l为弹性悬臂梁长度，h为弹性悬臂梁宽度，f为作用在弹性悬臂梁自由端上的力，e为弹性悬臂梁的杨氏模量，i为弹性悬臂梁x0处(即第一光纤bragg光栅以及第二光纤bragg光栅的中心点)截面的惯性矩。
[0065]
光纤bragg光栅的中心反射波长随外界温度和应变的变化关系为：
[0066][0067]
其中，λb为窄带反射的峰值波长，n
eff
为纤芯的有效折射率，ε是弹性悬臂梁在x0处轴向应变变化量，即x；δt为温度的变化量；α和ξ分别是光纤的热膨胀系数和热光常数；p是光纤有效弹光系数。
[0068]
将第一光纤bragg光栅以及第二光纤bragg光栅的中心点均固定在弹性悬臂梁的
x0处：中心波长的偏移量与外界应力的关系为：
[0069][0070]
等强度悬臂梁上表面受拉，应变为正，下表面受压，应变为负，上下表面应变绝对值相等，因此采用2个温度灵敏度系数相同的bragg光栅粘贴于等强度梁上下表面，得到中心波长差为：
[0071][0072]
由公式可知两个bragg光栅的中心波长差只受应变影响，不受温度影响。
[0073]
本发明通过比较第一光纤bragg光栅以及第二光纤bragg光栅的中心波长差值之和的实际监测数值与理论数值的误差，只有误差小于预设误差范围时才会与预设波长差值对比，进一步地提高了电缆孔洞封堵状态监测的可靠性。
[0074]
本发明当防火封堵材料脱落或造破坏时，通过弹性连接模块将作用力传递到有光纤bragg光栅的弹性悬臂梁结构上，当弹性悬臂梁受到作用力大小的变化，光纤会产生形变，从而产生不同的反射光谱，通过波长检测模块实时获取中心波长差值，监测电缆孔洞封堵情况，有效解决由于现有技术造成电缆孔洞封堵监测效率以及可靠性不高的问题，有效地提高了电缆孔洞封堵监测的效率以及可靠性。
[0075]
本发明技术方案中第一光纤bragg光栅、第二光纤bragg光栅分别对称设置于弹性悬臂梁的上下表面，且第一光纤bragg光栅、第二光纤bragg光栅不与第二弹簧座接触连接，避免了第二弹簧座对第一光纤bragg光栅、第二光纤bragg光栅的影响，进一步地提高了电缆孔洞封堵监测的可靠性。
[0076]
本发明技术方案中第一光纤bragg光栅的温度灵敏度系数与第二光纤bragg光栅的温度灵敏度系数相同，保证了由于温度引起的两个光纤bragg光栅波长变化方向及大小相同，使得波长变化差只受力的变化影响，避免了温度对于光纤bragg光栅波长变化的影响，提高了电缆孔洞封堵监测的可靠性。
[0077]
本发明技术方案设置在电缆孔洞直径引出线另一侧的第二监测传感器，所述第二监测传感器与第一监测传感器关于电缆对称，能够对电缆孔洞两侧均进行封堵情况的有效监测，避免了单一监测传感器造成封堵监测遗漏。
[0078]
本发明技术方案中挡板两侧关于电缆对称，套设与电缆外部，且挡板在第一监测传感器上的压力与在第二监测传感器上的压力大小相等，不仅能够对电缆孔洞两侧均进行封堵情况的有效监测，而且降低了第一监测传感器与第二监测传感器的相互干扰影响。
[0079]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。