基于分布式光纖傳感技術(shù)的高壓海底電纜外力損壞仿真

陸 瑩 黃 輝

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣州 510663；2.五邑大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020）

隨著海上風(fēng)力發(fā)電等海上能源的大力發(fā)展，高壓海底電纜的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛，一旦海底電纜發(fā)生故障而停止運(yùn)行，就會(huì)造成非常大的經(jīng)濟(jì)損失。統(tǒng)計(jì)資料表明，95%的海纜損壞是由于人類(lèi)進(jìn)行漁業(yè)、航運(yùn)等活動(dòng)造成的，主要為捕撈漁具、船錨等造成的外力損壞，同時(shí)，海洋地質(zhì)活動(dòng)也會(huì)給海纜運(yùn)行帶來(lái)不確定性，因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海底電纜的運(yùn)行狀況是非常必要的。高壓海底電纜在線監(jiān)測(cè)方法有分布式光纖測(cè)量法、直流成分法、接地線電流法和在線 tanδ法等，其中分布式光纖傳感器測(cè)量法是目前最先進(jìn)，最有發(fā)展前景的一類(lèi)測(cè)量方法。本文運(yùn)用 ANSYS仿真軟件，模擬海底高壓電纜發(fā)生外力損害故障時(shí)的情況，研究分布式光纖測(cè)量法監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵物理量、海底高壓電纜在故障情況下的運(yùn)行狀態(tài)以及故障定位的可行性[1-5]。

1 海底電纜分布式光纖傳感技術(shù)

1.1 分布式光纖傳感器的定義和特點(diǎn)

分布式光纖傳感器是利用光波在光纖中傳輸?shù)奶匦?，可沿光纖長(zhǎng)度方向連續(xù)地傳感被測(cè)量（溫度、應(yīng)變等）的信號(hào)傳輸系統(tǒng)。此時(shí)，光纖既是傳感介質(zhì)，又是被測(cè)量的傳輸介質(zhì)。傳感光纖的長(zhǎng)度從一千米達(dá)上百千米，很適合應(yīng)用在海底電纜的檢測(cè)中。分布式光纖傳感器除具有一般光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)外，它還具有以下特點(diǎn)：

1）空間范圍大。分布式光纖傳感器可在大空間范圍連續(xù)進(jìn)行傳感，這是相對(duì)于其他傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)。

2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。傳感和傳光為同一根光纖，有時(shí)僅為一般的通信光纖，所以傳感部分結(jié)果簡(jiǎn)單，使用時(shí)也只要將此傳感光纖鋪設(shè)到被測(cè)量處即可。

3）性?xún)r(jià)比高。由于分布式光纖傳感器可在大空間連續(xù)、實(shí)時(shí)進(jìn)行測(cè)量，因此可在沿光纖長(zhǎng)度范圍內(nèi)獲得大量信息。所以，與點(diǎn)式傳感器相比，其單位長(zhǎng)度內(nèi)信息獲取的成本大大降低。

圖1 分布式光纖傳感器的系統(tǒng)原理圖

1.2 海底電纜中基于不同散射光的分布式光纖傳感器

海底電纜其光纖中光傳播時(shí)散射光有 3種成分：①由光纖折射率的微小變化引起的瑞利（RayLeigh）散射，其頻率與入射光相同；②由光子與光聲子相互作用而引起的拉曼（Raman）散射，其頻率與入射光相差幾十太赫茲；③由光子與光纖內(nèi)彈性聲波場(chǎng)低頻聲子相互作用而引起的布里淵（Brillouin）散射，其頻率與入射光相差幾十吉赫茲。

因此，對(duì)海底電纜的時(shí)域分布光纖檢測(cè)系統(tǒng)按光的載體可分為三種形式：基于拉曼散射的分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)、基于布里淵散射的分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)和瑞利散射的分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)前，前二種形式的研究和在海纜中的應(yīng)用較多，后一種形式由于其自身的限制而很少單獨(dú)運(yùn)用在海纜的監(jiān)測(cè)中。

1）基于拉曼散射分布式光纖傳感器測(cè)量系統(tǒng)

拉曼散射分布式光纖傳感器（Raman Optical Time Domain Reflectometer, ROTDR）是利用拉曼散射和散射介質(zhì)、溫度等參量之間的關(guān)系進(jìn)行傳感，利用光時(shí)域反射技術(shù)進(jìn)行定位，以構(gòu)成拉曼散射分布式光纖傳感器。

拉曼散射光的波長(zhǎng)與注入光的波長(zhǎng)相差很大，易于分離，而且基于該原理的海纜傳感系統(tǒng)產(chǎn)品相對(duì)較多，技術(shù)較為成熟。但是拉曼后向散射系數(shù)太小，因此必須采用高輸入功率且對(duì)探測(cè)到的后向散射光信號(hào)取較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的平均值，這樣有可能降低對(duì)溫度監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和精確性，而且拉曼散射只對(duì)溫度敏感，無(wú)法對(duì)海纜應(yīng)力的變化進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)。

2）基于布里淵散射的光纖傳感器測(cè)量系統(tǒng)

基于布里淵散射的分布式光纖傳感器不僅可測(cè)量海纜的溫度分布，還可以測(cè)量海纜應(yīng)變場(chǎng)。目前，基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)海纜主要有兩個(gè)研究方案：基于布里淵光時(shí)域反射（BOTDR）技術(shù)的分布式光纖傳感技術(shù)；基于布里淵光時(shí)域分析（BOTDA）技術(shù)的分布式光纖傳感技術(shù)。時(shí)域方法檢測(cè)的是布里淵散射光的時(shí)域波形，傳感距離比較長(zhǎng)，可達(dá)到幾十千米以上。BOTDR利用的是自發(fā)布里淵散射，只需要對(duì)海纜進(jìn)行單側(cè)測(cè)量，實(shí)際使用起來(lái)比較方便；而 BOTDA利用的是受激布里淵散射，需要在海纜的雙端測(cè)量，系統(tǒng)比較復(fù)雜，但是測(cè)量精度高。

布里淵散射與拉曼散射的一個(gè)明顯的不同之處是布里淵散射的波長(zhǎng)非常接近注入光波長(zhǎng)，因此將布里淵光分離出來(lái)是實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一個(gè)關(guān)鍵因素。

在長(zhǎng)距離海底高壓電纜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)中，基于布里淵散射技術(shù)的分布式光纖傳感器存在優(yōu)勢(shì)。

2 海底高壓電纜仿真

本文利用ANSYS仿真軟件建立220kV三芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜仿真模型。電纜的型號(hào)為：TKRA 245kV 3×1×4mm2。電纜物理結(jié)構(gòu)及其參數(shù)如表1～3所示。用于仿真的圖形工作站的電腦配置為：IBM System x3620 M3服務(wù)器，內(nèi)存16G（限于硬件條件的限制，電纜的軸向長(zhǎng)度我們?nèi)∮邢薜拈L(zhǎng)度100m，與實(shí)際的長(zhǎng)度有所區(qū)別）。

表1 TKRA型XLPE海底電纜各層尺寸

表2 TKRA型XLPE海底電纜電力參數(shù)

表3 電纜各層材料物理屬性。

通過(guò)添加電壓邊界條件，使得海底高壓電纜處于滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，再對(duì)周?chē)h(huán)境施加溫度邊界條件，假定海底高壓電纜處于30m深的海底，此處海水散熱系數(shù)為 350W/（m2/℃）。仿真得到的海底高壓電纜內(nèi)部溫度和電場(chǎng)分布如圖2所示。

圖2 電纜正常運(yùn)行時(shí)溫度和電場(chǎng)分布圖

從仿真結(jié)果可以看到，海底高壓電纜滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)內(nèi)部最高溫度為75℃，最高場(chǎng)強(qiáng)為11.4MV/m，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，電纜正常運(yùn)行時(shí)內(nèi)部最高溫度不超過(guò)90℃，最高場(chǎng)強(qiáng)不超過(guò)35MV/m。

2.1 海底高壓電纜受壓仿真

模擬海底高壓電纜受到船錨等外力擠壓，通過(guò)仿真得到海底電纜所受到的壓強(qiáng)和內(nèi)部光纖傳感器檢測(cè)得到的壓強(qiáng)分布曲線，如圖3所示。

圖3 電纜受壓時(shí)壓強(qiáng)分布圖和軸向沿線壓強(qiáng)曲線圖

表4 電纜受壓（船錨擠壓）時(shí)壓力場(chǎng)及光纖傳感器檢測(cè)到的壓強(qiáng)

從仿真結(jié)果可以看到：當(dāng)海底高壓電纜受到外力擠壓時(shí)，電纜內(nèi)部壓強(qiáng)也發(fā)生了變化，由軸向沿線壓強(qiáng)曲線圖可以看到，海底高壓電纜受壓位置的壓強(qiáng)比其他沒(méi)有受壓位置要高，因此，可以利用分布式光纖應(yīng)變傳感器，監(jiān)測(cè)海底高壓電纜內(nèi)部出現(xiàn)變化的應(yīng)變，由此定位到電纜受壓的位置。

2.2 電纜纜鎧裝層損傷故障仿真

當(dāng)海底電纜受到外力作用持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，或者是外力瞬間超過(guò)了電纜鎧裝層極限，就容易造成鎧裝損傷，對(duì)電纜的絕緣產(chǎn)生影響。

我們模擬海底電纜在鎧裝層損傷、鎧裝層+填充層、鎧裝層+填充層+絕緣層3種情況下，其內(nèi)部溫度場(chǎng)以及電場(chǎng)的變化，如圖4所示。

圖4 海底電纜鎧裝不同損傷程度的溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)

表5 海底電纜鎧裝不同損傷程度的壓力場(chǎng)

由圖4和表5可知，海底電纜受到不同程度損傷，電纜內(nèi)部溫度場(chǎng)和電場(chǎng)均會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)海底電纜鎧裝層受到損傷但沒(méi)有傷透時(shí)，海底電纜內(nèi)部的溫度場(chǎng)和電場(chǎng)與正常情況下并沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明海底電纜在鎧裝層沒(méi)有破損的情況下，還能維持正常運(yùn)行一段時(shí)間。如果破損達(dá)到填充層，海底電纜內(nèi)部溫度場(chǎng)和電場(chǎng)強(qiáng)度也幾乎沒(méi)有變化，但是因?yàn)樘畛鋵拥膭傂圆蛔阋猿惺苌钏畨毫?，海底電纜會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生短路故障。最嚴(yán)重的是損傷直達(dá)絕緣層，絕緣層不但剛性遠(yuǎn)不如鎧裝層，更嚴(yán)重的是海底電纜內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)急劇升高，使得電纜絕緣層由于高場(chǎng)強(qiáng)而發(fā)生擊穿。

3 結(jié)論

本文針對(duì)海底高壓電纜的外力損壞故障，利用ANSYS進(jìn)行了仿真，當(dāng)海底電纜受到外力擠壓時(shí)，電纜外部和內(nèi)部的壓力都將發(fā)生變化，如果壓力持續(xù)或者增大，都會(huì)對(duì)海底電纜的安全運(yùn)行造成威脅。通過(guò)仿真研究我們發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)海纜內(nèi)部光纖傳感器反映出海底電纜壓力場(chǎng)的變化，并監(jiān)測(cè)到故障發(fā)生的位置，為快速排除故障提供依據(jù)。

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