熱齡跟蹤系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明的實(shí)施例提供跟蹤自我調(diào)節(jié)加熱電纜的熱齡的系統(tǒng)和方法。在一段時(shí)間內(nèi)，收集電纜信號(hào)的電流和電壓數(shù)據(jù)，從中提取頻譜信息。所述頻譜信息具有頻率分量和振幅分量。處理電纜信號(hào)，以提取包括電氣系統(tǒng)的線路電流頻率和其至少一些諧波的線路頻率特征。計(jì)算線路電流頻率的至少兩個(gè)奇次諧波的振幅之比。比較所述比率與指示作為奇次諧波比率的函數(shù)的電纜的熱齡的老化曲線。通過表征使用時(shí)間為0的電纜，可在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中或者在現(xiàn)場(chǎng)獲得所述曲線。所述表征可包括使電纜老化，以確定所述曲線。
【專利說明】熱齡跟蹤系統(tǒng)和方法
【背景技術(shù)】
[0001] 歸因于作為暴露在環(huán)境溫度下的結(jié)果，其材料的逐漸變化，自我調(diào)節(jié)加熱電纜具 有固有的可用壽命。隨著時(shí)間的過去，加熱電纜的功率輸出減小，直到加熱電纜不再如預(yù)期 地高效加熱其周圍環(huán)境且必須被更換為止。加熱電纜的功率輸出相對(duì)于初始功率輸出的減 小被稱為老化，是工業(yè)中的一個(gè)主要關(guān)注事項(xiàng)。所有的使用期暴露(不管是由加熱器本身在 內(nèi)部產(chǎn)生的，還是通過部署點(diǎn)處的環(huán)境條件從外部接收的)都對(duì)加熱器有累積老化效應(yīng)。運(yùn) 些環(huán)境條件包括(但不限于）由在環(huán)境溫度下的正常工作引起的線忍聚合物材料的熱氧化、 電觸點(diǎn)的退化、機(jī)械損傷或者超過額定規(guī)范的會(huì)導(dǎo)致聚合物材料的局部烙化的過度加熱。
[0002] 最重要的老化機(jī)理是線忍聚合物材料的熱氧化，運(yùn)是在任何條件下工作的自我調(diào) 節(jié)加熱器的固有性質(zhì)。運(yùn)里，把運(yùn)種熱氧化機(jī)理描述成"熱老化"?？衫眉訜崞鞯氖Ｓ喙β?輸出相對(duì)于初始功率輸出的百分比，表示熱老化。歸因于運(yùn)種機(jī)理的功率輸出與時(shí)間和暴 露溫度的關(guān)系用阿倫尼烏斯(Arrhenius)定律方程式描述：
[0003] Power = Power〇*exp{(A-B*time*exp(-C/Temperature))},
[0004] 其中A、B和C是某種加熱電纜特有的材料常數(shù)，"Temperature"指的是加熱電纜的 開氏溫度，"time"是在該溫度下的暴露時(shí)間，Power和化wer日分別指的是加熱器在所述暴露 時(shí)間之后和初始安裝時(shí)的功率輸出（單位:瓦）。然而，在許多真實(shí)應(yīng)用中，加熱器并不始終 暴露在恒定溫度下。相反，溫度會(huì)波動(dòng)，從而包括時(shí)間有限的極高溫度，尤其是在工業(yè)應(yīng)用 中。由于隨著時(shí)間變化的曝露溫度可能未知，通常不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)在某種應(yīng)用中的加熱器 的熱老化。于是，重要的是在安裝時(shí)，追蹤加熱電纜的熱齡。熱齡不得與加熱器的實(shí)際使用 年限或安裝年限相混，而是包含隨著時(shí)間的過去，它所暴露于的累積溫度歷史。功率輸出減 小的原因在于由熱老化引起的電纜的電阻率的增大。從而原則上，電阻率或功率的測(cè)量結(jié) 果可W充當(dāng)熱老化的指標(biāo)。然而，如果樣本被切割、拼接、受損或者W其它方式被改變，那么 測(cè)量結(jié)果失去其作為所述指標(biāo)的價(jià)值，因?yàn)樗鰷y(cè)量結(jié)果W進(jìn)行的初始基準(zhǔn)測(cè)量為基準(zhǔn)。 更重要的是，為了能夠利用在部署條件下進(jìn)行的簡(jiǎn)單功率或電阻率測(cè)量來確定加熱電纜的 熱齡，必須知道沿著電纜安裝路線的完整溫度分布，運(yùn)會(huì)違背安裝按照溫度分布，自我調(diào)節(jié) 其功率輸出的自我調(diào)節(jié)加熱電纜的初衷。此外，電阻率測(cè)量只有當(dāng)加熱器功率輸出達(dá)到熱 平衡時(shí)才有意義;浪涌效應(yīng)會(huì)使在使加熱器通電之后立即測(cè)量的電阻率混亂。
[0005] 為了使部署現(xiàn)場(chǎng)處的用戶得W更好地規(guī)劃其更換加熱電纜的時(shí)間表，需要一種改 進(jìn)的基于材料特性的熱齡指標(biāo)，所述指標(biāo)不需要特定的已部署加熱電纜的歷史的具體知 識(shí)。所述指標(biāo)應(yīng)成本低，并且是非侵入式的。特別地，利用出于其它目的，已利用控制器監(jiān)測(cè) 的加熱電纜特性(比如電壓和電流)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果應(yīng)是有益的。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明的一些實(shí)施例提供一種跟蹤加熱電纜的熱齡的方法。所述方法可包括收集 通過使線路電流流過加熱電纜而產(chǎn)生的電纜信號(hào)，然后從電纜信號(hào)中提取頻譜信息。頻譜 信息可包括線路頻率、所述線路頻率的一個(gè)或多個(gè)諧波頻率及線路頻率和諧波頻率中的每 一個(gè)的振幅分量。所述方法還可包括計(jì)算一對(duì)或多對(duì)諧波頻率振幅之間的一個(gè)或多個(gè)測(cè)定 的函數(shù)相關(guān)性，并比較一個(gè)或多個(gè)測(cè)定的函數(shù)相關(guān)性與和熱老化曲線關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)保 存的諧波函數(shù)相關(guān)性，W確定加熱電纜在熱老化曲線上的當(dāng)前位置。
[0007] 本發(fā)明的一些實(shí)施例提供一種跟蹤具有電纜類型的加熱電纜的熱齡的方法。所述 方法可包括收集通過使線路電流流過加熱電纜而產(chǎn)生的電纜信號(hào)，然后從電纜信號(hào)中提取 頻譜信息。頻譜信息可包括線路頻率、所述線路頻率的一個(gè)或多個(gè)諧波頻率及線路頻率和 諧波頻率中的每一個(gè)的振幅分量。所述方法還可包括計(jì)算一對(duì)或多對(duì)諧波頻率振幅的一個(gè) 或多個(gè)測(cè)定的函數(shù)相關(guān)性，和通過比較一個(gè)或多個(gè)測(cè)定的函數(shù)相關(guān)性與所述電纜類型的表 征數(shù)據(jù)，確定加熱電纜的熱齡。
[0008] 本發(fā)明的一些實(shí)施例提供另一種跟蹤具有電纜類型的加熱電纜的熱齡的方法。所 述方法可包括表征所述電纜類型，W獲得熱老化曲線，W及和所述熱老化曲線上的位置相 互關(guān)聯(lián)的諧波頻率振幅的保存的函數(shù)相關(guān)性的子集。所述方法還可包括收集通過使線路電 流流過加熱電纜而產(chǎn)生的電纜信號(hào)，然后從電纜信號(hào)中提取頻譜信息。頻譜信息可包括線 路頻率、所述線路頻率的一個(gè)或多個(gè)諧波頻率及線路頻率和諧波頻率中的每一個(gè)的振幅分 量。所述方法還可包括計(jì)算一對(duì)或多對(duì)諧波頻率振幅的一個(gè)或多個(gè)測(cè)定的函數(shù)相關(guān)性，和 比較一個(gè)或多個(gè)測(cè)定的函數(shù)相關(guān)性與一個(gè)或多個(gè)保存的函數(shù)相關(guān)性，W確定加熱電纜在熱 老化曲線上的當(dāng)前位置。
[0009] 本發(fā)明的一些實(shí)施例提供一種跟蹤部署的具有電纜類型的加熱電纜的熱齡的系 統(tǒng)。所述系統(tǒng)可包括與加熱電纜電通信的檢測(cè)電路。所述檢測(cè)電路可被配置成收集加熱電 纜的電纜信號(hào)，所述電纜信號(hào)是通過使線路電流流過加熱電纜產(chǎn)生的。所述系統(tǒng)還可包括 與檢測(cè)電路電通信的控制單元。所述控制單元可從檢測(cè)電路接收所述電纜信號(hào)，并且可被 配置成從電纜信號(hào)提取頻譜信息。頻譜信息可包括線路頻率、所述線路頻率的一個(gè)或多個(gè) 諧波頻率及線路頻率和諧波頻率中的每一個(gè)的振幅分量?？刂茊卧€可被配置成計(jì)算一對(duì) 或多對(duì)諧波頻率振幅的一個(gè)或多個(gè)測(cè)定的函數(shù)相關(guān)性，并比較一個(gè)或多個(gè)測(cè)定的函數(shù)相關(guān) 性與和熱老化曲線關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)保存的函數(shù)相關(guān)性，W確定加熱電纜在熱老化曲線上 的當(dāng)前位置。
【附圖說明】
[0010] 圖1是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的跟蹤加熱電纜的熱齡的系統(tǒng)的示意圖。
[0011] 圖2是關(guān)于未老化樣本電纜對(duì)老化樣本電纜的自我調(diào)節(jié)加熱器的例證電阻率-電 壓曲線圖。
[001^ 圖視加熱電纜的例證電流頻譜圖。
[0013 ]圖4是表示確定隨自我調(diào)節(jié)加熱電纜的熱齡而變化的諧波特征（S i gna tur e)或指 標(biāo)的方法的流程圖。
[0014] 圖5是附接到主電源的自我調(diào)節(jié)加熱電纜的電纜信號(hào)的10個(gè)諧波分量的振幅的條 形圖。
[0015] 圖6是相對(duì)于電纜的峰值功率輸出的百分比繪制的與環(huán)境溫度弱相關(guān)的諧波比之 值的單一校準(zhǔn)曲線的圖。
[0016] 圖7A是相對(duì)于電纜的峰值功率輸出的百分比繪制的例證電纜類型中的單個(gè)諧波 比之值的3條溫度相關(guān)校準(zhǔn)曲線的圖。
[0017] 圖7B是在不同的環(huán)境溫度下的諧波比值的圖。
[0018] 圖8A是例證電纜中的第一諧波比的校準(zhǔn)曲線的圖，每條校準(zhǔn)曲線表示在某個(gè)環(huán)境 溫度下的第一諧波比值。
[0019]圖8B是在圖8A的曲線圖的環(huán)境溫度下，圖8A的例證電纜中的第二諧波比的校準(zhǔn)曲 線的圖。
[0020] 圖9是帶有預(yù)測(cè)分量的熱老化曲線的線圖。
[0021] 圖10是從電纜的電測(cè)量結(jié)果和輸入信號(hào)提取部署的電纜的熱齡的例證方法的流 程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 在詳細(xì)說明本發(fā)明的任何實(shí)施例之前，應(yīng)明白本發(fā)明就其應(yīng)用來說，并不限于記 載在W下說明中，或者在附圖中例示的各個(gè)組件的構(gòu)成和布置細(xì)節(jié)。本發(fā)明可W有其它實(shí) 施例，可按照各種方式實(shí)踐或?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。另外，應(yīng)明白運(yùn)里使用的措詞和術(shù)語只是用于說 明，不應(yīng)被視為對(duì)本發(fā)明的限制。運(yùn)里使用的"包巧V'包含"或"具有"及其各種變體意味包 含之后列舉的項(xiàng)目和其等同物，W及另外的項(xiàng)目。除非另有規(guī)定或限制，否則用語"安裝"、 "連接"、"支承"和"禪接"及其各種變體是廣義地使用的，包含直接和間接安裝、連接、支承 和禪接。此外，"連接"和"禪接"不限于物理或機(jī)械連接或禪接。
[0023] 為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠產(chǎn)生和使用本發(fā)明的實(shí)施例，給出了 W下討論。對(duì) 本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，例示的實(shí)施例的各種變化將是顯而易見的，運(yùn)里的一般原理可適 用于其它實(shí)施例和應(yīng)用，而不脫離本發(fā)明的實(shí)施例。從而，本發(fā)明的實(shí)施例不限于所示的實(shí) 施例，而是可被賦予與運(yùn)里公開的原理和特征相符的最寬廣范圍。下面的詳細(xì)說明應(yīng)參考 附圖閱讀，附圖中，不同的附圖中的相同元件具有相同的附圖標(biāo)記。不一定按比例繪制的附 圖描述精選的實(shí)施例，并不限制本發(fā)明的實(shí)施例的范圍。有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到運(yùn)里 提供的例子具有許多有益的備選方案，并且在本發(fā)明的實(shí)施例的范圍內(nèi)。
[0024] 圖1圖解說明按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的自我調(diào)節(jié)加熱電纜熱齡跟蹤系統(tǒng)10。系 統(tǒng)10可包括一個(gè)或多個(gè)電路的監(jiān)測(cè)和報(bào)告裝置，每個(gè)電路包括加熱電纜12。適當(dāng)?shù)募訜犭?纜12包括(但不限于)具有用于傳導(dǎo)電流的并行總線線路14、16的區(qū)域電纜(zone cable)、 自我調(diào)節(jié)電纜或其它電纜。在一種實(shí)現(xiàn)中，加熱電纜12是具有半導(dǎo)電聚合物加熱元件18的 實(shí)屯、自我調(diào)節(jié)加熱電纜，加熱元件18實(shí)質(zhì)上包裹總線線路14、16。總線線路14、16可被附接 到交流電源20的對(duì)置端子。電源20為所有電路提供電流(運(yùn)里稱為線路電流）?？砂慈魏芜m 當(dāng)?shù)慕涣黝l率(運(yùn)里稱為線路頻率)產(chǎn)生線路電流。一般，線路頻率為主電源提供的50化或 60Hz，不過歸因于電氣系統(tǒng)中的組件的特性，線路頻率可能顯著偏離其預(yù)期頻率。參照附 圖，運(yùn)里把線路頻率描述為60化，不過顯然描述的系統(tǒng)和方法可W和任意線路頻率或偏離 的線路頻率一起使用。
[0025] 可在電路中的適當(dāng)位置處，比如在第二總線線路16和電源20之間，布置電路監(jiān)測(cè) 器24, W便如下所述監(jiān)測(cè)電纜信號(hào)。電路監(jiān)測(cè)器可包含電流探測(cè)器，比如分流電阻器、霍爾 效應(yīng)探測(cè)器、感應(yīng)線圈或變壓器，W及隨后的調(diào)節(jié)電子器件。可與電源20電通信地布置輸入 電壓監(jiān)測(cè)器26。電壓監(jiān)測(cè)器可由感測(cè)電阻器或任何其它的電壓計(jì)和隨后的調(diào)節(jié)電子器件構(gòu) 成。控制單元28可被配置成接收來自一個(gè)或多個(gè)的電路監(jiān)測(cè)器24和輸入電壓監(jiān)測(cè)器26的輸 入?？刂茊卧?8可W是微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器、或者具有適合于期望的系統(tǒng)10實(shí)現(xiàn)的能 力的另一個(gè)控制設(shè)備或控制設(shè)備的陣列?？刂茊卧?8可被配置成提取存在于線路電流中的 基頻的諧波頻率f :f = n*f0(當(dāng)f0 = 60化時(shí)，f = 120化，180化，240化，...）。運(yùn)些諧波成分 An,或者不同的諧波成分之間的比率Anl/An2,或者包括兩個(gè)或更多諧波的任何其它函數(shù)相關(guān) 性被監(jiān)測(cè)、記錄、傳送給分析單元，或者通過用戶界面示出。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，比較 諧波成分或者不同諧波成分之間的比率與保存在控制單元28中的事先測(cè)量的對(duì)應(yīng)曲線或 查找表，據(jù)此計(jì)算和指示當(dāng)前熱齡或剩余壽命。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，在現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)調(diào) 用之后或者在從控制單元到中央位置的諧波成分或不同諧波成分之間的比率的定期傳輸 之后，非現(xiàn)場(chǎng)地進(jìn)行所述分析。
[0026] 系統(tǒng)10可被配置成按至少Ik化的采集速度，收集時(shí)域中的電流和電壓測(cè)量結(jié)果。 系統(tǒng)10可從收集的數(shù)據(jù)中，提取關(guān)于供給加熱電纜12的線路電流的頻率和振幅的頻譜信 息。輸入電壓監(jiān)測(cè)器26通過在電源20兩端連接到電路，可收集線路電流數(shù)據(jù)。運(yùn)里，該數(shù)據(jù) 流被稱為加熱電纜12的"輸入信號(hào)"，可包含其間收集所述數(shù)據(jù)流的不連續(xù)時(shí)間段的一個(gè)或 多個(gè)電壓測(cè)量結(jié)果，W及包含頻率和振幅分量的頻譜信息。輸入電壓監(jiān)測(cè)器26可把輸入信 號(hào)傳送給控制單元28, W便處理。輸入信號(hào)可提供要用于從電纜信號(hào)中提取諧波分量的線 路頻率和其整數(shù)次諧波（integer harmoniCS) W及它們的振幅的獨(dú)立測(cè)量。當(dāng)線路電流受 加熱電纜12影響時(shí)，電路監(jiān)測(cè)器24可收集線路電流的數(shù)據(jù)流。運(yùn)里，該數(shù)據(jù)流被稱為"電纜 信號(hào)"，可包含其間收集所述數(shù)據(jù)流的不連續(xù)時(shí)間段的一個(gè)或多個(gè)電流測(cè)量結(jié)果W及包含 頻率和振幅分量的頻譜信息。電路監(jiān)測(cè)器24可把電纜信號(hào)傳送給控制單元28, W便處理。
[0027] 盡管上述電路和下述方法是關(guān)于自我調(diào)節(jié)加熱電纜說明的，不過，對(duì)于包含其導(dǎo) 電性源于碳黑、碳納米管或其它導(dǎo)電材料的添加的聚合物基半導(dǎo)電組件的任何自我調(diào)節(jié)電 氣系統(tǒng)，都可實(shí)現(xiàn)所述電路和方法。運(yùn)樣的自我調(diào)節(jié)電氣系統(tǒng)是按照關(guān)于加熱電纜12說明 的原理實(shí)現(xiàn)的，從而可受益于所述的熱齡跟蹤方法。
[0028] 加熱電纜12是一種歸因于有意地把一些線路電流變換成熱能而導(dǎo)致電損耗的固 有噪聲環(huán)境。另外，加熱電纜12具有非線性的電阻率-電壓關(guān)系，相對(duì)于電阻負(fù)載，所述關(guān)系 產(chǎn)生線路頻率的強(qiáng)諧波分量。圖2圖解說明未老化的自我調(diào)節(jié)加熱器的典型電阻率-電壓曲 線42與相同類型的自我調(diào)節(jié)加熱器的老化樣本的電阻率-電壓曲線44(虛線）。當(dāng)電纜12老 化時(shí)，如果線路頻率的諧波分量的演變遵循與線路頻率本身不同的熱齡相關(guān)性，那么諧波 對(duì)電纜信號(hào)的相對(duì)貢獻(xiàn)將變化，從而產(chǎn)生比電阻率或功率輸出的測(cè)量結(jié)果可能更通用（即， 不太依賴于特定的產(chǎn)品樣本）的熱齡測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。特別地，如按照下面說明的算法所證明的， 隨著電纜12的熱齡增大，線路頻率的不同奇次諧波W不同的速率退化，并且退化的速率可 W與電纜12的熱齡關(guān)聯(lián)。
[0029] 圖3圖解說明當(dāng)在工作電壓條件下，使電纜通電時(shí)，在沿著非線性R(V)曲線的某個(gè) 點(diǎn)處的電纜信號(hào)的頻譜信息的例子。較平的基線噪聲電平被振幅峰打斷，除了占優(yōu)勢(shì)的線 路電流頻率之外，振幅峰還包括與在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載中相比，強(qiáng)得多的奇次諧波分量。作為示例， 在圖3中，線路頻率約為60Hz，奇次諧波，180化和300Hz(及420化等等，W線路頻率的2倍為 增量)的振幅占優(yōu)勢(shì)。偶次諧波的增強(qiáng)也是存在的，雖然規(guī)模小得多，并且并不總是在噪聲 電平之上可見。上限頻率至少為線路頻率的幾倍，取決于下面說明的頻率提取方法的采樣 速率和積分窗口。奇次諧波的相對(duì)振幅使奇次諧波頻率的提取和分析更容易。利用和用于 奇次諧波的算法相同的算法，可W提取偶次諧波(盡管在電流頻譜中較不可見）。
[0030] 可直接從加熱電纜12獲得電纜信號(hào)，比如通過在現(xiàn)場(chǎng)在從幾秒到幾分鐘的基準(zhǔn)時(shí) 間尺度內(nèi)如運(yùn)里所述地收集數(shù)據(jù)流并從數(shù)據(jù)流獲得頻譜信息。將基準(zhǔn)電纜信號(hào)及用于熱齡 跟蹤的所有后續(xù)測(cè)量結(jié)果與在現(xiàn)場(chǎng)把運(yùn)里的跟蹤方法應(yīng)用于加熱電纜12之前，通過加熱電 纜12的典型樣本的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試而獲得的一組老化曲線、查找表或者插值函數(shù)或例程相比 較。
[0031] 在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，考慮到比關(guān)注的最高頻率大1個(gè)數(shù)量級(jí)的采樣頻率可 改善采樣的質(zhì)量，可在線路電流通過加熱電纜12之前和之后，用至少為待分析的最大頻率 的2倍的采樣頻率監(jiān)測(cè)線路電流。10曲Z的采樣速率是適當(dāng)?shù)谋Ｊ刂担贿^合理的范圍為4- lOOkHz。其間分析收集的頻譜信息并提取諧波或者不同諧波之間的比率的時(shí)間段可W足夠 大，從而在統(tǒng)計(jì)上是合適的，但是小于加熱電纜發(fā)生變化的典型時(shí)間尺度。例如，取決于應(yīng) 用，時(shí)間段可W為幾秒到幾小時(shí)。
[0032] 運(yùn)里說明的熱齡跟蹤方法可由控制單元進(jìn)行，或者由任何適當(dāng)?shù)挠?jì)算單元或一組 計(jì)算單元進(jìn)行。在一些實(shí)施例中，檢測(cè)方法中的一些步驟可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，而其它步驟可在實(shí) 驗(yàn)室，或者遠(yuǎn)離加熱電纜12的位置的其它數(shù)據(jù)分析位置進(jìn)行。例如，頻譜信息可W用被布置 成與加熱電纜12通信的數(shù)據(jù)記錄器收集，數(shù)據(jù)記錄器可通過有線或無線連接，把收集的數(shù) 據(jù)傳送給中央處理位置。為了易于說明，運(yùn)里把所述方法描述成由控制單元進(jìn)行，不過應(yīng)明 白可W使用其它適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)收集和處理體系結(jié)構(gòu)。電纜12的熱老化曲線取決于電纜12的組 成；于是，在表征電纜 12(例如，Pentair Thermal Management的RAYC皿Μ HWAT-R，T2Red, QTV和LC2加熱電纜)時(shí)，不必獲得相同電纜類型的已部署電纜12的樣本W(wǎng)利用本方法來確 定其年齡。通過表征獲得的曲線提供用于確定已部署電纜12的熱齡的參照，如下所述。
[0033] 圖4圖解說明表征電纜12的例證方法。在新的（即，W前未用過）的一段電纜12上， 開始人工老化處理。電纜的長(zhǎng)度可W是適合于測(cè)試的任意長(zhǎng)度，因?yàn)殡娎|12的熱齡特性并 不取決于其長(zhǎng)度。在該測(cè)試過程中，溫度必須被明確限定，并且在老化樣本的整個(gè)長(zhǎng)度內(nèi)保 持恒定。人工使電纜12老化包括把電纜12加熱到預(yù)定的壓力（stressing)溫度，并持續(xù)期望 的老化時(shí)間，把電纜12保持在該溫度±0.5°C。加熱可在工業(yè)烘爐或其它適當(dāng)?shù)募訜嵩O(shè)備中 進(jìn)行。選擇壓力溫度，W按照適當(dāng)?shù)臏y(cè)試持續(xù)時(shí)間，加速電纜12的熱退化。和電纜12長(zhǎng)度一 樣，壓力溫度的值不影響表示電纜12實(shí)際熱齡的頻譜信息的精確性，只要老化仍然利用上 面的阿倫尼烏斯定律方程式來描述即可。即，電纜12按作為電纜12的功率輸出的函數(shù)的曲 線老化，電纜12的功率輸出取決于構(gòu)成電纜12的聚合物和其它材料。然而，過于接近聚合物 烙化溫度的壓力溫度不再產(chǎn)生諧波和熱齡之間的可重復(fù)并且明確的關(guān)系，從而應(yīng)被避免。 可在對(duì)于相當(dāng)快的老化足夠高的，但是遠(yuǎn)低于聚合物的烙化溫度的任何溫度下，獲得曲線 數(shù)據(jù)，可如下所述在任意溫度下從曲線提取熱齡。按照阿倫尼烏斯定律，通過溫度-暴露時(shí) 間相空間中的任意數(shù)目的軌跡，可獲得相同的熱齡，給定的熱齡可對(duì)應(yīng)于較低溫度下的較 長(zhǎng)暴露，或者較高溫度下的較短暴露：B*t ime 1 *exp (-C/T1) = B*t ime2*exp (-C/T2)。
[0034] 與限制壓力溫度遠(yuǎn)低于電纜12聚合物的烙點(diǎn)相對(duì)照，如果安裝在現(xiàn)場(chǎng)的電纜遭受 運(yùn)樣的高溫，那么本系統(tǒng)傾向于把關(guān)聯(lián)信號(hào)判讀成表示非同尋常地高度老化的電纜12。運(yùn) 樣的高溫會(huì)超出推薦的安全工作規(guī)范，從而高度老化的判讀是理想的結(jié)果，因?yàn)樗捎糜?提供不安全工作條件的報(bào)警。特別地，本系統(tǒng)可把計(jì)算的熱齡與電纜12的實(shí)際部署持續(xù)時(shí) 間、與同時(shí)期安裝的類似熱電纜的熱齡或者與電纜12的相對(duì)可接受的熱老化的另一個(gè)指標(biāo) 比較。如果電纜12熱齡在某個(gè)闊值之上，那么系統(tǒng)可提供報(bào)警，或者采取另外的預(yù)防性或保 護(hù)性措施。
[0035] 老化持續(xù)時(shí)間可W是預(yù)定的特征溫度下的預(yù)定天數(shù)，或者可W是一直持續(xù)到電纜 12的被測(cè)功率輸出減小到"無思'闊值輸出化該"無用'闊值輸出下，如果電纜12被部署，那 么電纜12需要被更換)為止的可變持續(xù)時(shí)間。
[0036] 在步驟32,在電纜12老化的時(shí)候，通過電測(cè)量電纜信號(hào)，并從中提取諧波頻率分 量，定期獲得電纜信號(hào)的線路頻率的諧波的振幅。定期收集的各個(gè)點(diǎn)構(gòu)成熱老化曲線上的 數(shù)據(jù)點(diǎn)。在一些實(shí)施例中，可在電纜12在加熱設(shè)備中老化的時(shí)候，收集電纜信號(hào)。在其它實(shí) 施例中，從加熱設(shè)備中取出電纜12,并轉(zhuǎn)移到另一個(gè)溫度調(diào)節(jié)設(shè)備，比如循環(huán)器或者熱浴， W致可在幾個(gè)溫度下收集電纜信號(hào)。電纜12可被附接到電纜信號(hào)監(jiān)測(cè)電路，比如上面參考 圖1說明的電纜信號(hào)監(jiān)測(cè)電路，通過電纜12的線路電流可被采樣，從而獲得電纜信號(hào)。從電 纜信號(hào)中，可W提取存在于電纜信號(hào)的頻譜信息中的線路頻率特征。線路頻率特征包括基 本線路頻率(一般50或60化），及其一直到一般在0.5和Ik化之間的關(guān)注的最高頻率的諧波 頻率。隨后從線路頻率特征中，獲得期望的諧波的振幅。
[0037] 線路頻率特征的一個(gè)或多個(gè)諧波分量可取決于線路電流被采樣時(shí)的電纜12的環(huán) 境溫度?？稍陔娎|12的環(huán)境溫度被保持在一個(gè)或多個(gè)離散溫度的時(shí)候，對(duì)線路電流采樣。離 散溫度可包括一般低于壓力溫度的一系列溫度，所述一系列溫度可(但并非必須)包括隔開 公共間隔的多個(gè)溫度。在不同溫度下獲得諧波老化曲線可用于通過獲得具有不同的環(huán)境溫 度相關(guān)性的多個(gè)獨(dú)立的諧波測(cè)量結(jié)果，從數(shù)據(jù)的判讀中消除環(huán)境溫度影響。電纜信號(hào)數(shù)據(jù) 可被保存，W便之后進(jìn)行線路頻率和諧波特征提取，或者可W提取并保存線路頻率特征和/ 或諧波分量，電纜信號(hào)中的不需要的頻譜信息被丟棄。
[0038] 可能需要通過利用不同諧波系數(shù)的不同環(huán)境溫度相關(guān)性，消除環(huán)境溫度的影響， 并且同時(shí)提取熱齡，盡管環(huán)境溫度起不太重要的作用，或者在其它情況下，環(huán)境溫度能夠被 相對(duì)容易地確定。圖6、7A-B和8A-B圖解說明環(huán)境溫度和熱齡的同時(shí)提取，然而實(shí)際的方法 會(huì)是更復(fù)雜的算法，包括(但不限于)查找表或外推函數(shù)相關(guān)性。參見下面的關(guān)于環(huán)境溫度 和熱齡兩者的提取的細(xì)節(jié)。
[0039] 可作為剩下的殘存加熱器功率輸出，作為在功率輸出降到某個(gè)闊值W前的基于預(yù) 期的標(biāo)準(zhǔn)部署溫度的殘存壽命，或者作為更高級(jí)判讀的用戶界面信號(hào)（比如在一定時(shí)限內(nèi) 替換安裝的加熱電纜的建議)向用戶報(bào)告熱齡。
[0040] 圖5對(duì)于利用208V線路電源完全加電的例證電纜12,按對(duì)數(shù)mA刻度表示線路頻率 和前9種諧波模式(例如，條1為60化，條2為120Hz，條3為180Hz，等等)的提取的諧波振幅。正 如預(yù)期的那樣，奇次諧波(f=(2N+l)fo，N = 0，l，…）占優(yōu)勢(shì)，并且至少一直到第9個(gè)或第ll 個(gè)諧波都表現(xiàn)一致并且可精確測(cè)量的信號(hào)。圖5中，2個(gè)第一主要諧波的振幅為基波的2- 4%，在不同類型的自我調(diào)節(jié)加熱器中可能更大或更小，不過總是可用標(biāo)準(zhǔn)控制器中的電流 感測(cè)探測(cè)器測(cè)量。從而，奇次諧波將是待測(cè)量和分析的主要信號(hào)。
[0041] 偶次諧波小得多，于是對(duì)噪聲線路電源敏感得多。然而，正如奇次諧波或者不同的 奇次諧波之間的比率一樣，偶次諧波、奇次和偶次諧波之間的比率W及不同的偶次諧波之 間的比率可w是熱齡的指標(biāo)。偶次諧波是在和奇次諧波相同的信號(hào)處理和分析階段內(nèi)提取 的，關(guān)于熱老化曲線的任何分析將遵循相同或相似的算法。
[0042] 在步驟34,對(duì)于獲得諧波振幅的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，計(jì)算并記錄一個(gè)或多個(gè)諧波指標(biāo)。諧 波指標(biāo)是從可用于確定電纜12的熱齡的線路信號(hào)的諧波頻率分量中的信息獲得的測(cè)量結(jié) 果。諧波指標(biāo)可W是一個(gè)或多個(gè)諧波的振幅，W及多個(gè)諧波的計(jì)算的函數(shù)，比如兩個(gè)諧波分 量振幅峰的比率，或者不止兩個(gè)諧波分量振幅峰的函數(shù)。任意兩個(gè)諧波可W是每個(gè)計(jì)算的 比率的分量。在一些實(shí)施例中，相鄰的奇次諧波（即，第一(線路頻率)和第Ξ諧波，第Ξ和第 五，第五和第屯，等等)構(gòu)成每個(gè)比率。可根據(jù)與任何適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)匯編相應(yīng)的保存振幅數(shù)據(jù)， 計(jì)算每對(duì)諧波分量的一個(gè)或多個(gè)比率。在運(yùn)種數(shù)據(jù)匯編的一個(gè)非限制性例子中，在多個(gè)時(shí) 間樣本下，對(duì)于每個(gè)離散的環(huán)境溫度，測(cè)量每個(gè)期望的諧波的振幅峰，可W跨時(shí)間樣本地求 每個(gè)比率的振幅峰的平均值。
[0043] 圖6、7A-B和8A-B圖解說明在特定的論證情況下，不同諧波之間的比率與熱齡的典 型曲線。在圖6中，環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)用的影響可W忽略。在圖7A-B中，利用取決于環(huán)境溫度但是 與熱齡無關(guān)的諧波指標(biāo)，可W容易地確定環(huán)境溫度。圖8A-B圖解說明具有與環(huán)境溫度的不 同相關(guān)性的兩個(gè)獨(dú)立的諧波比率的最一般情況。下面的說明對(duì)于除所示的諧波比率之外的 任何其它諧波比率是相似的，如果代替諧波比率，使用諧波本身或者兩個(gè)或更多諧波之間 的任何其它函數(shù)相關(guān)性，那么下面的說明也是相似的，只要兩個(gè)或更多的不同諧波索引為 分析作出貢獻(xiàn)即可。
[0044] 如圖6中所示，第一校準(zhǔn)曲線60代表第一諧波（即，線路頻率)與第Ξ諧波的比率。 對(duì)于例示的電纜12,第一/第Ξ比率隨著電纜12的功率輸出減小（即，隨著電纜12老化)而減 小，指示第一諧波振幅比第Ξ諧波的振幅更快地降低。不同種類的加熱器電纜中的各個(gè)比 率的校準(zhǔn)曲線的斜率、趨勢(shì)和其它分量可不同。當(dāng)部署時(shí)的環(huán)境溫度類似于在實(shí)驗(yàn)室中獲 得諧波老化曲線的環(huán)境溫度時(shí)，或者如果環(huán)境溫度對(duì)校準(zhǔn)曲線的影響可W忽略，那么該比 率可W直接與電纜12的熱齡相互關(guān)聯(lián)。于是，重新參見圖4,在步驟38,可W產(chǎn)生適當(dāng)?shù)睦匣?比率的子集，所述子集可包括在各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)處的第一/第Ξ諧波比率。根據(jù)該子集，在步驟 40,可W計(jì)算電纜12的熱老化曲線，從而特定的第一 /第Ξ諧波比率與電纜12的熱齡相互關(guān) 聯(lián)。
[0045] 在多數(shù)電纜12中，尤其是在范圍更大地變化的部署溫度下，一對(duì)諧波的比率或者 另一個(gè)單獨(dú)的諧波指標(biāo)可能不足W完全表征電纜12,因?yàn)橹C波中的一個(gè)或多個(gè)諧波可能對(duì) 環(huán)境溫度敏感。例如，如圖7A中所示，例證電纜12的第一諧波和/或第Ξ諧波在不同的環(huán)境 溫度下，達(dá)到不同的振幅，W致第一/第Ξ諧波比率取決于環(huán)境溫度。最后得到的關(guān)于該比 率的溫度敏感校準(zhǔn)曲線62、64、66表明它獨(dú)自不能跟蹤部署的例證電纜12的熱齡，因?yàn)槭占?部署的電纜12的電纜信號(hào)之時(shí)的環(huán)境溫度未知。為了說明溫度敏感性，可通過沿著加熱器 分布的一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立傳感器，測(cè)量環(huán)境溫度。然而，運(yùn)需要系統(tǒng)內(nèi)的額外傳感器。本系統(tǒng) 可改為使用諧波比較方法，其中需要至少另外一對(duì)諧波分量的比率(或者另一個(gè)其它的諧 波指標(biāo)），W便確定測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度，或者通過比率的關(guān)聯(lián)比較，消除由溫度波動(dòng)引起的 不確定性。從而，再次參見圖4,在步驟36,在步驟38產(chǎn)生指標(biāo)的子集之前，可W確定環(huán)境溫 度對(duì)于多個(gè)諧波指標(biāo)(例如，比率)的影響。
[0046] 在其中第一比率對(duì)老化和溫度都敏感的一些實(shí)施例中，第二比率可W是與老化無 關(guān)，或者只與老化弱相關(guān)，但是與溫度強(qiáng)相關(guān)的比率。在一些類型的電纜中，例如，隨著電纜 12的老化，第五諧波和第屯諧波之間在振幅方面的相對(duì)差值保持大體恒定，從而例證電纜 12中的第五/第屯諧波比率在熱老化曲線中幾乎不顯示變化（即，隨著峰值功率輸出的百分 率的減小，As/A7的值保持大體恒定）。然而，如圖7B中的溫度曲線68所示，第五/第屯諧波比 率可具有取決于環(huán)境溫度的顯著不同的值。由于電纜12的年齡對(duì)該比率的影響微不足道， 因此該比率可用于確定測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度。即，在圖7B的圖上，該比率的值(例如，如用例證 的粗黑線指示的0.57)與特定的環(huán)境溫度(例如，Amb.T2)相互關(guān)聯(lián)。該環(huán)境溫度隨后可作為 從圖7A的圖判讀第一/第Ξ諧波比率時(shí)的變量被除去，而不單獨(dú)感測(cè)該溫度，W致可根據(jù)該 比率，確定熱齡。從而，在運(yùn)些實(shí)施例中，在步驟36創(chuàng)建的適當(dāng)比率的子集可包括在每個(gè)數(shù) 據(jù)點(diǎn)處在多個(gè)離散溫度下的第一 /第Ξ諧波比率，和在至少一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)處在多個(gè)離散溫度 下的第五/第屯諧波比率。如果在包含第二個(gè)比率之后，不確定性繼續(xù)存在，那么可W計(jì)算 另外的比率(例如，第屯/第九或第九/第十一諧波比率），并包含在所述子集中。在步驟40創(chuàng) 建的關(guān)聯(lián)熱老化曲線從而會(huì)包括作為把第一個(gè)比率的值鏈接到曲線上的點(diǎn)的參照的額外 比率。
[0047]在其它實(shí)施例中，不同的諧波比率隨著熱齡和環(huán)境溫度兩者增大或減小，W致為 了找出最佳地解釋所有觀察到的諧波比率的熱齡和環(huán)境溫度，需要一種或多種通用優(yōu)化算 法(例如，作為非限制性例子，環(huán)境溫度和部署時(shí)間的二維參數(shù)空間中的線性插值或Ξ次樣 條擬合）。如下參考圖8A和8B，概述例證的算法序列，圖8A和8B分別表示對(duì)于相同的3個(gè)環(huán)境 溫度T1、T2、T3，相同電纜12的Ai/A3 (第一諧波和第Ξ諧波之間的比率)及A3/A5 (第Ξ諧波和 第五諧波之間的比率)與熱齡的校準(zhǔn)曲線82、84、86及相關(guān)的校準(zhǔn)曲線92、94、96:
[004引-通過獲得給定時(shí)間點(diǎn)處的測(cè)量結(jié)果，例如，hlA3 = 12 (圖8A中的水平實(shí)線)和h3/ h5 = 3.6(圖8B中的水平實(shí)線），完全確定環(huán)境溫度和熱齡。
[0049] -根據(jù)保存的諧波比率與熱齡和環(huán)境溫度的校準(zhǔn)曲線，可利用所述測(cè)量結(jié)果提取 容許的熱齡與環(huán)境溫度的函數(shù)關(guān)系，比如函數(shù)相關(guān)性。分別從圖8A和圖8B，確定一種運(yùn)樣的 關(guān)系熱齡(環(huán)境溫度）。對(duì)于該提取，可W使用諸如Ξ次樣條插值的線性插值之類的插值方 案。
[0050] -根據(jù)從圖8A和圖8B提取的熱齡(環(huán)境溫度）的兩個(gè)關(guān)系，通過最速下降迭代優(yōu)化 算法，可確定熱齡和溫度的唯一值，所述最速下降迭代優(yōu)化算法使兩條曲線8A和8B的熱齡 的差異降至最小，并確定使它們降到最小的環(huán)境溫度，所述環(huán)境溫度進(jìn)而給出熱齡。
[0051] 參見圖9,熱老化曲線70從而使比率的相關(guān)子集與電纜12的熱齡相互關(guān)聯(lián)。Y軸是 作為初始額定輸出的百分率的電纜12的功率輸出。X軸是用暴露在標(biāo)稱溫度下的小時(shí)數(shù)測(cè) 量的熱齡，其中在高于或低于標(biāo)稱溫度的溫度下度過的小時(shí)按比例地計(jì)入總小時(shí)數(shù)中，從 而增大或減小熱老化的速率。曲線70和最小功率輸出72(-般約為初始額定輸出的75%)相 交。交點(diǎn)74于是表示"無用"電纜12。每個(gè)選擇的比率與離散的熱齡相互關(guān)聯(lián)，從而與曲線70 上的點(diǎn)相互關(guān)聯(lián)。
[0052] 一旦電纜12已被表征，包括熱老化曲線70和保存的比率計(jì)算結(jié)果的表征數(shù)據(jù)就可 被提供給監(jiān)測(cè)部署的電纜12的控制單元。特別地，控制單元可保存或訪問熱老化曲線70,可 進(jìn)一步保存或訪問描述包含在步驟38創(chuàng)建的子集中的比率的列表或其它記錄?？刂茊卧?被配置成收集電纜信號(hào)，比如在監(jiān)測(cè)電路中，并進(jìn)行諧波分量振幅提取和比率計(jì)算?？刂茊?元可W只計(jì)算相關(guān)比率，如果它知道哪些比率被用于創(chuàng)建熱老化曲線70的話?；蛘撸刂茊?元可W計(jì)算一直到適當(dāng)?shù)闹C波級(jí)次的一些或所有諧波比率。根據(jù)測(cè)量和計(jì)算的比率及熱老 化曲線70,通過比較測(cè)量的比率和保存的比率，控制單元確定電纜12的當(dāng)前熱齡。控制單元 可不斷地，按預(yù)定的時(shí)間間隔，或者應(yīng)人類或計(jì)算機(jī)控制器的請(qǐng)求，進(jìn)行運(yùn)些數(shù)據(jù)收集、提 取、計(jì)算和比較步驟。
[0053] 控制單元可進(jìn)一步向用戶提供預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)可包括W測(cè)得的比率和電纜12 在曲線70上的當(dāng)前位置80為基礎(chǔ)的電纜12的剩余可用壽命的估計(jì)。控制單元可實(shí)現(xiàn)一種或 多種方法來估計(jì)電纜12的剩余壽命。在一個(gè)實(shí)施例中，控制單元可從電纜12的最大額定壽 命中，減去由電纜12的當(dāng)前位置80表示的小時(shí)數(shù)，從而產(chǎn)生估計(jì)的剩余小時(shí)數(shù)。然而，運(yùn)種 方法未考慮到例如歸因于不同的環(huán)境溫度，電纜12歷史上比典型速率更快或更慢地老化。 在另一個(gè)實(shí)施例中，控制單元可訪問電纜12的實(shí)際使用年限。實(shí)際使用年限是電纜12已被 部署的小時(shí)數(shù)?？刂茊卧扇』厮鰧?shí)際小時(shí)數(shù)，或者可取回電纜12的安裝日期，并根據(jù)所 述日期，計(jì)算實(shí)際使用年限。根據(jù)實(shí)際使用年限，控制單元可判定電纜12是否比正常情況更 快或更慢地老化，W及按什么比例速率老化。根據(jù)所述比例速率和電纜12的額定壽命，控制 單元可估計(jì)剩余可用壽命曲線，及其與最小功率輸出72的交點(diǎn)。另外，根據(jù)該數(shù)據(jù)，控制單 元可確定在其使用期限內(nèi)電纜12工作的平均溫度，并可把該信息提供給用戶?？刂茊卧?進(jìn)一步提供備選的可用壽命情形，比如估計(jì)更長(zhǎng)壽命的省電曲線76,如果電纜12的平均溫 度能夠被降低的話，和估計(jì)更短壽命的極端使用曲線78,如果電纜12的平均溫度增大的話。 在另一個(gè)實(shí)施例中，控制單元可根據(jù)用戶輸入，估計(jì)剩余的可用壽命。例如，用戶可通過接 口，訪問控制單元，并提供電纜12的剩余壽命內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)預(yù)測(cè)的平均工作溫度。根據(jù)計(jì) 算的當(dāng)前位置80和輸入的溫度，控制單元可向用戶提供一個(gè)或更多情形曲線76、78。在其它 實(shí)施例中，從W上數(shù)據(jù)獲得的更高級(jí)的指示信號(hào)或報(bào)警可建議在一定的時(shí)限內(nèi)替換或檢修 電纜。
[0054] 圖10圖解說明定期提取部署的電纜12的熱齡、剩余功率輸出和預(yù)期壽命的例證方 法。在步驟50,可從電源20或者從加熱電纜12獲得輸入信號(hào)，可從加熱電纜12獲得電纜信 號(hào)。輸入信號(hào)包括線路電流的頻率和振幅分量。線路頻率為50化或60化，取決于管轄區(qū)域， 不過電流的波動(dòng)會(huì)不斷使線路頻率偏離理論頻率高達(dá)5Hz或者更大，尤其是如果電力供應(yīng) 來自諸如發(fā)電機(jī)之類的本地電源的話。為了精確地識(shí)別和提取諧波分量，在步驟52,控制單 元可確定實(shí)際的實(shí)時(shí)線路頻率。隨后在步驟54,控制單元可提取實(shí)際的線路頻率及其諧波。 控制單元可利用任何適當(dāng)?shù)念l譜分析和頻率提取方法，包括(但不限于）：通過迭代優(yōu)化步 驟，提取線路電壓的主頻率和加熱器電流的諧波分量的自適應(yīng)跟蹤算法;提取峰值基頻和 諧波系數(shù)的頻域方法，比如離散傅里葉變換(DFT);或者從數(shù)據(jù)流中提取各個(gè)頻率分量的 Goertzel變換，如果只需要提取少許諧波頻率，那么Goertzel變換比DFT更高效?？蒞提取 奇次諧波頻率(f = (2化1) f 0，N=0，1，…）和偶次諧波頻率(f = 2Nf 0，N=0，1，…）。
[0055] 可為運(yùn)種應(yīng)用設(shè)計(jì)特殊的自適應(yīng)跟蹤器，所述自適應(yīng)跟蹤器有利地滿足W下4個(gè) 標(biāo)準(zhǔn):作為具有少量系數(shù)(n?10)的無限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器的表現(xiàn);在少許線路循環(huán)N· (1/60HZ)內(nèi)的線路波動(dòng)的情況下的反應(yīng)時(shí)間，它等同于lOkHz的采樣頻率下的<1000個(gè)樣 本；同時(shí)跟蹤所有諧波分量的能力；和"過擬合"（即利用自適應(yīng)擬合把噪聲擬合到諧波項(xiàng)） 的避免。
[0056] 如果存在較少的諧波頻率，那么自適應(yīng)跟蹤算法往往更快地收斂。在一個(gè)實(shí)施例 中實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)跟蹤濾波器因此可W使用混合方法:首先對(duì)具有弱的較高諧波分量的輸入 信號(hào)應(yīng)用穩(wěn)定的快速收斂濾波器，W確定線路頻率，隨后把運(yùn)樣獲得的線路頻率應(yīng)用于電 纜信號(hào)，W提取基波振幅和諧波振幅。
[0057] 在一個(gè)實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)的確定基頻的跟蹤濾波器應(yīng)用通過使輸入信號(hào)函數(shù)V(t)和 諧波函數(shù)y(t)之間的差分e(t)降至最?。?br>[005引 e(t) = I V(t)-y(t) I
[0化9]使輸入電壓信號(hào)函數(shù)Wt)與諧波函數(shù)y(t)、q>(t)匹配的濾波算法：
[0060] φ(?)=ω(?)?+δ(?)
[0061 ] y(t)=A(t)sin((p(t))
[0062] 控制單元可不斷地或者每隔一定時(shí)間，重新計(jì)算e(t)并使e(t)最小化，W便跟蹤 線路頻率ω、振幅A和相位幫。殘差e(t)的最小化可W利用梯度下降，或者為本領(lǐng)域的技術(shù) 人員所知的任何其它優(yōu)化方法進(jìn)行。
[0063] 作為基頻的確定的結(jié)果，通過對(duì)于各個(gè)諧波項(xiàng)η使殘差en(t)最小化，也從信號(hào)中 提取后續(xù)的各個(gè)諧波。
[0064] 在電纜信號(hào)中，歐姆(基波）電流將遵循和線路電壓相同的頻率行為，然而不強(qiáng)制 或假定相同的相位。電流在不同諧波上的分布事先未知，需要被確定。借助來自輸入信號(hào)的 已知基頻，通過把該問題用公式表示成另一個(gè)優(yōu)化問題，可W同時(shí)確定更高次的諧波(f = Nfo,N〉l)，差別在于此時(shí)各個(gè)頻率是事先已知的。
[0065] 在各個(gè)測(cè)量時(shí)間點(diǎn)t處，進(jìn)行W下迭代序列，然而需要作出關(guān)于在不同頻率處的諧 波貢獻(xiàn)In的任意開始假設(shè)。從第一個(gè)諧波開始，并遍歷所有的高次諧波，直到關(guān)屯、的最大迭 代次數(shù)(一般10-20)為止，通過計(jì)算總的測(cè)量電流Imeas(t)和一直到當(dāng)前迭代m的所有諧波 貢獻(xiàn)之和之間的偏差ei(t)，得到每種諧波電流模式的振幅貢獻(xiàn)In:
[0066]
[0067] 根據(jù)運(yùn)些計(jì)算的殘差，按照使殘差em(t)降至最小的方式，在每個(gè)時(shí)間步驟之后， 更新對(duì)于電纜電流的諧波貢獻(xiàn)。和自我調(diào)節(jié)加熱電纜的物理學(xué)一致，不同的諧波被假定彼 此同相，W致電流(振幅)貢獻(xiàn)是唯一的未知數(shù)。
[0068] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過求二階微分方程式的積分，更新諧波電流貢 獻(xiàn)，所述二階微分方程式)^,|；/；^把正弦或余弦函數(shù)的函數(shù)形式用于各個(gè)諧波貢獻(xiàn)。運(yùn)在數(shù)值 上等同于具有兩個(gè)遞歸IIR系數(shù)的濾波器。利用后者，濾波器的計(jì)算效率要求被很好地滿 足。即使在最壞的情形下，即使對(duì)于提取的大量諧波，優(yōu)化已在不到幾個(gè)電源線周期內(nèi)達(dá)到 穩(wěn)態(tài)，指示優(yōu)化問題的解決。
[0069] 對(duì)自適應(yīng)濾波器進(jìn)行密集的測(cè)試。0.2化或更大的基頻的突然變化在5個(gè)基波周期 內(nèi)被匹配(對(duì)于常規(guī)電網(wǎng)運(yùn)行，線路頻率的變化速率一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于o.omz/周期）。正如預(yù)期 的那樣，和突然出現(xiàn)的另外的諧波分量一樣，振幅的突然變化被更快地匹配。
[0070] 在一個(gè)實(shí)施例中，控制單元使關(guān)于所部署類型的電纜的與熱齡和環(huán)境溫度相關(guān)的 一組諧波曲線被保存，并在消除環(huán)境溫度的影響的同時(shí)，利用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)分析技術(shù)提取熱 齡。在另一個(gè)實(shí)施例中，控制單元把數(shù)據(jù)傳送給附近或遠(yuǎn)處的外部位置，在所述位置，數(shù)據(jù) 被分析。在另一個(gè)實(shí)施例中，利用數(shù)據(jù)記錄器或其它測(cè)量設(shè)備，在現(xiàn)場(chǎng)檢修干預(yù)期間收集數(shù) 據(jù)，并在遠(yuǎn)程位置分析所述數(shù)據(jù)。在任何實(shí)施例中，方法可包括在步驟56,計(jì)算將用于產(chǎn)生 諧波曲線的指標(biāo)。選擇的待計(jì)算的指標(biāo)可W已在校準(zhǔn)期間被確定，于是可W是特定于加熱 電纜12類型的。在步驟58,按照上述實(shí)施例之一，處理計(jì)算的指標(biāo)(例如，控制單元可原地確 定熱齡，或者可把計(jì)算的指標(biāo)傳送給遠(yuǎn)程處理器）。在步驟59,可向用戶報(bào)告熱齡。運(yùn)種報(bào)告 可包括電纜12將達(dá)到或者已達(dá)到其預(yù)期可用壽命的極限的報(bào)警。
[0071] 如運(yùn)里所述，不同諧波之間（比如偶次諧波與奇次諧波)或者不同的奇次諧波之間 的關(guān)系是加熱電纜12的熱老化的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，可用于幫助系統(tǒng)所有者或工程師規(guī)劃加熱電纜 的更換時(shí)間表。與僅僅進(jìn)行電阻率測(cè)量相比，諧波特征的W下性質(zhì)等等使諧波監(jiān)測(cè)成為較 好的熱齡指標(biāo)。
[0072] -它提供加熱器的熱齡或剩余功率輸出的最真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，因?yàn)橛捎谳敵?取決于不能精確已知的沿著加熱器的溫度分布，因此僅僅測(cè)量加熱器的功率消耗不能提供 足夠的信息。
[0073] -奇次電流諧波的相對(duì)權(quán)重就加電/浪涌對(duì)功率平衡來說是穩(wěn)定的，即，存在很大 程度上與加熱電纜的工作狀態(tài)無關(guān)的熱老化的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)；
[0074] -在相同產(chǎn)品類型的電纜12內(nèi)，加熱器電流中的諧波含量可W是一致的，使熱齡測(cè) 量變得與特定電纜12的任何基準(zhǔn)測(cè)量無關(guān)；
[0075] -加熱器電流中的不同諧波的分布與其總電阻率無關(guān)，于是與長(zhǎng)度無關(guān)，從而對(duì)部 署的電纜12的更改，比如切割或拼接不會(huì)歪曲熱齡測(cè)量結(jié)果；
[0076] -與電阻率情況下的單個(gè)測(cè)量相對(duì)，歸因于大量的可用諧波，存在可進(jìn)行的多個(gè)派 生測(cè)量;和
[0077] -描述的跟蹤方法足夠魯棒和計(jì)算上成本低，可W作為附加物部署到現(xiàn)有控制器 上，或者可W部署在低成本的額外電路中。
[0078] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)意識(shí)到，盡管上面結(jié)合特定實(shí)施例和例子，說明了本發(fā)明，不 過本發(fā)明不一定局限于此，所附的權(quán)利要求包含實(shí)施例、例子和使用的眾多其它實(shí)施例、例 子、使用、變形和更改。通過引用并入運(yùn)里列舉的各個(gè)專利和出版物，仿佛每個(gè)所述專利或 出版物是通過引用單獨(dú)地并入本文一樣。在W下的權(quán)利要求中記載了本發(fā)明的各個(gè)特征和 優(yōu)點(diǎn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種跟蹤加熱電纜的熱齡的方法，所述方法包括： 收集通過使線路電流流過加熱電纜而產(chǎn)生的電纜信號(hào)； 從電纜信號(hào)中提取頻譜信息，所述頻譜信息包含線路頻率、所述線路頻率的一個(gè)或多 個(gè)諧波頻率及線路頻率和諧波頻率中的每一個(gè)的振幅分量； 計(jì)算一對(duì)或多對(duì)諧波頻率振幅之間的一個(gè)或多個(gè)測(cè)量的函數(shù)相關(guān)性；以及 比較一個(gè)或多個(gè)測(cè)量的函數(shù)相關(guān)性與和熱老化曲線關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)保存的諧波函 數(shù)相關(guān)性，以確定加熱電纜在熱老化曲線上的當(dāng)前位置。2. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其中從電纜信號(hào)中提取頻譜信息包括： 在線路電流流過加熱電纜之前，根據(jù)線路電流確定線路頻率;和 把自適應(yīng)跟蹤濾波器應(yīng)用于電纜信號(hào)，所述自適應(yīng)跟蹤濾波器被配置成利用線路頻率 來獲得諧波頻率。3. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其中所述一個(gè)或多個(gè)諧波頻率對(duì)應(yīng)于線路頻率的奇次 諧波。4. 按照權(quán)利要求3所述的方法，其中每對(duì)諧波頻率振幅對(duì)應(yīng)于相鄰的奇次諧波。5. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其中所收集的測(cè)量的函數(shù)相關(guān)性包含多個(gè)測(cè)量的比率， 并且所保存的諧波函數(shù)相關(guān)性包含多個(gè)保存的比率，并且其中比較測(cè)量的比率和保存的比 率包括： 比較測(cè)量的比率中的第一比率與一個(gè)或多個(gè)保存的比率，以確定在收集電纜信號(hào)時(shí)加 熱電纜的溫度； 選擇測(cè)量的比率中的與所確定的溫度對(duì)應(yīng)的第二比率；以及 比較測(cè)量的第二比率與一個(gè)或多個(gè)保存的比率，以確定加熱電纜在熱老化曲線上的當(dāng) 前位置。6. 按照權(quán)利要求5所述的方法，其中比較測(cè)量的比率和保存的比率還包括:選擇測(cè)量的 一個(gè)或多個(gè)第三比率，并比較測(cè)量的一個(gè)或多個(gè)第三比率與一個(gè)或多個(gè)保存的比率。7. 按照權(quán)利要求1所述的方法，還包括:從溫度傳感器獲得收集電纜信號(hào)時(shí)加熱電纜的 溫度，其中比較一個(gè)或多個(gè)測(cè)量的函數(shù)相關(guān)性與一個(gè)或多個(gè)保存的諧波函數(shù)相關(guān)性包含： 選擇測(cè)量的函數(shù)相關(guān)性中的與獲得的溫度對(duì)應(yīng)的第一函數(shù)相關(guān)性，并比較測(cè)量的第一函數(shù) 相關(guān)性與一個(gè)或多個(gè)保存的諧波函數(shù)相關(guān)性，以確定加熱電纜在熱老化曲線上的當(dāng)前位 置。8. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其中保存的函數(shù)相關(guān)性和熱老化曲線是通過表征加熱 電纜而獲得的。9. 按照權(quán)利要求8所述的方法，其中加熱電纜具有類型，并且表征加熱電纜包括表征所 述類型。10. 按照權(quán)利要求9所述的方法，其中表征加熱電纜的類型包括： 對(duì)于加熱電纜的所述類型的例證電纜，開始熱老化處理； 在熱老化處理期間的時(shí)間上離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)處，收集通過使線路電流流過加熱電纜而產(chǎn) 生的電纜信號(hào)； 從在各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)處收集的電纜信號(hào)中提取頻譜信息，所述頻譜信息包含線路頻率、所 述線路頻率的一個(gè)或多個(gè)諧波頻率及線路頻率和諧波頻率中的每一個(gè)的振幅分量； 對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，計(jì)算一對(duì)或多對(duì)諧波頻率振幅的一個(gè)或多個(gè)比率； 把每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的至少一個(gè)比率保存為包含所保存的函數(shù)諧波相關(guān)性的子集；以及 使所述子集中的各個(gè)比率與熱老化曲線上的位置相互關(guān)聯(lián)。11. 按照權(quán)利要求1所述的方法，還包括利用熱老化曲線和加熱電纜在熱老化曲線上的 當(dāng)前位置來預(yù)測(cè)加熱電纜的剩余可用壽命。12. 按照權(quán)利要求11所述的方法，還包括利用來自用戶的輸入預(yù)測(cè)剩余可用壽命。13. 按照權(quán)利要求1所述的方法，還包括利用熱老化曲線和加熱電纜在熱老化曲線上的 當(dāng)前位置來檢測(cè)對(duì)于加熱電纜的損傷。14. 一種跟蹤具有電纜類型的加熱電纜的熱齡的方法，所述方法包括： 收集通過使線路電流流過加熱電纜而產(chǎn)生的電纜信號(hào)； 從電纜信號(hào)中提取頻譜信息，所述頻譜信息包含線路頻率、所述線路頻率的一個(gè)或多 個(gè)諧波頻率及線路頻率和諧波頻率中的每一個(gè)的振幅分量； 計(jì)算一對(duì)或多對(duì)諧波頻率振幅的一個(gè)或多個(gè)測(cè)量的函數(shù)相關(guān)性；以及 通過比較一個(gè)或多個(gè)測(cè)量的函數(shù)相關(guān)性與所述電纜類型的表征數(shù)據(jù)，確定加熱電纜的 熱齡。15. 按照權(quán)利要求14所述的方法，其中所述表征數(shù)據(jù)包含諧波頻率振幅的一個(gè)或多個(gè) 保存的函數(shù)相關(guān)性，和具有保存的函數(shù)相關(guān)性與之關(guān)聯(lián)的位置的熱老化曲線。16. 按照權(quán)利要求15所述的方法，其中一個(gè)或多個(gè)測(cè)量的函數(shù)相關(guān)性是與溫度有關(guān)的 函數(shù)相關(guān)性，并且其中確定加熱電纜的熱齡包括： 確定在收集電纜信號(hào)時(shí)加熱電纜的環(huán)境溫度;和 比較與溫度有關(guān)的函數(shù)相關(guān)性與它的和所確定的環(huán)境溫度關(guān)聯(lián)的保存的關(guān)聯(lián)比率。17. 按照權(quán)利要求14所述的方法，其中在環(huán)境溫度下收集電纜信號(hào)，所述方法還包括根 據(jù)多個(gè)測(cè)量的函數(shù)相關(guān)性確定環(huán)境溫度。18. -種跟蹤具有電纜類型的加熱電纜的熱齡的方法，所述方法包括： 表征所述電纜類型，以獲得熱老化曲線以及與所述熱老化曲線上的位置關(guān)聯(lián)的諧波頻 率振幅的保存的函數(shù)相關(guān)性的子集； 收集通過使線路電流流過加熱電纜而產(chǎn)生的電纜信號(hào)； 從電纜信號(hào)中提取頻譜信息，所述頻譜信息包含線路頻率、所述線路頻率的一個(gè)或多 個(gè)諧波頻率及線路頻率和諧波頻率中的每一個(gè)的振幅分量； 計(jì)算一對(duì)或多對(duì)諧波頻率振幅的一個(gè)或多個(gè)測(cè)量的函數(shù)相關(guān)性；以及 比較一個(gè)或多個(gè)測(cè)量的函數(shù)相關(guān)性與一個(gè)或多個(gè)保存的函數(shù)相關(guān)性，以確定加熱電纜 在熱老化曲線上的當(dāng)前位置。19. 按照權(quán)利要求18所述的方法，其中表征電纜類型包括： 人為地使所述電纜類型的樣本電纜熱老化； 在使樣本電纜熱老化時(shí)，按離散的時(shí)間間隔： 收集通過使線路電流流過樣本電纜而產(chǎn)生的測(cè)試電纜信號(hào)； 從測(cè)試電纜信號(hào)中提取頻譜信息，所述頻譜信息包含線路頻率、所述線路頻率的一個(gè) 或多個(gè)諧波頻率及線路頻率和諧波頻率中的每一個(gè)的振幅分量;以及 根據(jù)測(cè)試電纜信號(hào)計(jì)算諧波頻率振幅的一個(gè)或多個(gè)保存的函數(shù)相關(guān)性，比如比率；以 及 繪制一個(gè)或多個(gè)保存的函數(shù)相關(guān)性對(duì)收集測(cè)試電纜信號(hào)時(shí)樣本電纜的熱齡的關(guān)系曲 線，從而獲得熱老化曲線。20. 按照權(quán)利要求19所述的方法，其中在一個(gè)或多個(gè)已知的環(huán)境溫度下收集測(cè)試電纜 信號(hào)。21. -種跟蹤部署的具有電纜類型的加熱電纜的熱齡的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括： 與加熱電纜電通信的檢測(cè)電路，所述檢測(cè)電路被配置成收集加熱電纜的電纜信號(hào)，所 述電纜信號(hào)是通過使線路電流流過加熱電纜而產(chǎn)生的； 與檢測(cè)電路電通信的控制單元，所述控制單元從檢測(cè)電路接收所述電纜信號(hào)，并被配 置成： 從所述電纜信號(hào)提取頻譜信息，所述頻譜信息包含線路頻率、所述線路頻率的一個(gè)或 多個(gè)諧波頻率及線路頻率和諧波頻率中的每一個(gè)的振幅分量； 計(jì)算一對(duì)或多對(duì)諧波頻率振幅的一個(gè)或多個(gè)測(cè)量的函數(shù)相關(guān)性；以及 比較一個(gè)或多個(gè)測(cè)量的函數(shù)相關(guān)性與和熱老化曲線關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)保存的函數(shù)相 關(guān)性，以確定加熱電纜在熱老化曲線上的當(dāng)前位置。22. 按照權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中控制單元物理上位于加熱電纜附近。23. 按照權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中控制單元位于遠(yuǎn)離加熱電纜之處。24. 按照權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中控制單元還被配置成:如果所確定的加熱電纜在 熱老化曲線上的位置在閾值位置之外，那么產(chǎn)生報(bào)警。
【文檔編號(hào)】H02H3/00GK105874670SQ201480071743
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2014年11月12日
【發(fā)明人】J·J·扎克, J·F·貝雷斯, E·奧爾森
【申請(qǐng)人】濱特爾熱能管理有限責(zé)任公司