海上風(fēng)電場海底高壓電纜故障監(jiān)測方法的研究

黃 輝 鄭 明 李 迪 藍(lán)錦標(biāo)

（1.五邑大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020；2.廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣州 510663）

隨著海上風(fēng)力發(fā)電的大力發(fā)展，海底高壓電纜的應(yīng)用將越來越廣泛，但是由于運(yùn)行和海底環(huán)境的不確定性，海底電纜很容易出現(xiàn)絕緣損壞、錨傷等各類故障。一旦海底高壓電纜發(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。因此，為保障海底高壓電纜的安全運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)測海底高壓電纜的運(yùn)行狀況是非常必要的。海底高壓電纜在線監(jiān)測方法有分布式光纖測量法、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量法是目前最先進(jìn)，最有發(fā)展前景的一類測量方法。本文運(yùn)用 ANSYS仿真軟件，模擬海底高壓電纜發(fā)生故障時(shí)的情況，研究分布式光纖測量法監(jiān)測的關(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[1-4]。

1 XLPE海底高壓電纜

XLPE海底高壓電纜的總體結(jié)構(gòu)分為單芯和三芯兩種，其結(jié)構(gòu)分別如圖1所示。三芯結(jié)構(gòu)相對于單芯結(jié)構(gòu)損耗較小，而單芯結(jié)構(gòu)由于三相分開排列，相對于三芯結(jié)構(gòu)有利于散熱。三芯結(jié)構(gòu)的電纜由于三相之間的填充層有相對充裕的空間，便于在其中加入光纖通道[1]，本文主要針對三芯海纜進(jìn)行分析。

圖1 XLPE海底高壓電纜單芯結(jié)構(gòu)與三芯結(jié)構(gòu)

2 分布式光纖傳感技術(shù)

分布式光纖傳感技術(shù)能夠連續(xù)不間斷地監(jiān)測到光纖所在位置的一些物理量，例如溫度、壓力等。同時(shí)由于光纖本身即是傳感器，因此不需要破壞電纜的整體結(jié)構(gòu)即可以起到監(jiān)測的作用，非常有利于海底高壓電纜對電纜防水、防壓的特殊需求。

分布式光纖傳感技術(shù)原理如圖2所示，高功率激光脈沖入射到光纖中，在傳播過程中與光纖分子相互作用產(chǎn)生3種散射光，即瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射[2-6]。

圖2 分布式光纖傳感器原理

拉曼散射式光纖傳感器目前主要是用于監(jiān)測電纜的內(nèi)部溫度，但是由于拉曼散射光的波長較短，能量也較弱，使得其監(jiān)測的距離較短，所以拉曼散射式光纖傳感器測量出來的電纜內(nèi)部溫度信息相對簡單。而布里淵散射式的光纖傳感最大的特點(diǎn)是能夠同時(shí)測量電纜內(nèi)部溫度和應(yīng)變，同時(shí)由于布里淵散射光能量比較強(qiáng)，所以光信號的衰減和色散都很小，因此監(jiān)測距離可以長達(dá)幾十千米，所以在長距離海底高壓電纜在線監(jiān)測技術(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。

3 海底高壓電纜仿真

3.1 海底高壓電纜故障常見的故障

海底高壓電纜的設(shè)計(jì)、制造、鋪設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)的過程中，都存在可能導(dǎo)致海底高壓電纜出現(xiàn)故障的隱患。

1）由于質(zhì)量缺陷和不當(dāng)運(yùn)行而導(dǎo)致海底高壓電纜故障，一般概率比較低。

2）當(dāng)海底地質(zhì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，很容易對海底高壓電纜產(chǎn)生擠壓、拉扯作用，對海底高壓電纜的傷害是致命的。同時(shí)還由于海面船只拋錨，重而尖銳的船錨也有可能對海底電纜造成破壞，所以海底高壓電纜主要的故障來自于外力的破壞[7-11]。

3.2 海底高壓電纜正常運(yùn)行仿真

利用ANSYS仿真軟件建立220kV交流海底高壓電纜模型，海底高壓電纜各層尺寸見表 3。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，電纜的軸向長度我們?nèi)∮邢薜拈L度100m，與實(shí)際的長度有所區(qū)別）。

表1 海底高壓電纜各層尺寸

通過添加電壓邊界條件，使得海底高壓電纜處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，再對周圍環(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)部溫度和電場分布如圖3所示。

從仿真結(jié)果可以看到，海底高壓電纜滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)內(nèi)部最高溫度為75℃，最高場強(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90℃，最高場強(qiáng)不超過35MV/m。

3.3 海底高壓電纜絕緣老化仿真

假設(shè)海底高壓電纜中間段 0.5m范圍內(nèi)海底電纜的絕緣發(fā)生老化。假定電纜絕緣性能從損耗10%逐漸發(fā)展到損耗60%。其中電纜單相主絕緣10%和40%損耗的溫度場和電場的結(jié)果如圖4所示。

圖3 電纜正常運(yùn)行時(shí)溫度和電場分布圖

從表2可以知道，因?yàn)殡娎|絕緣發(fā)生了老化，使得電纜內(nèi)部溫度升高；而電纜內(nèi)部溫度升高又會(huì)加快電纜絕緣老化的速度，如此惡性循環(huán)。為了防止故障范圍擴(kuò)大，就必須在電纜絕緣老化開始的時(shí)候檢測出來，并且實(shí)時(shí)監(jiān)控其絕緣性能，當(dāng)監(jiān)測出電纜絕緣損耗達(dá)到一定程度，可以方便的找出電纜絕緣損壞的地方，這就要依靠電纜內(nèi)部的光纖進(jìn)行監(jiān)測，因此我們選取光纖經(jīng)過的位置的溫度，來觀察光纖所監(jiān)測到的溫度值。圖 5所示為絕緣損耗60%的溫度曲線圖。

表2 電纜單相絕緣老化溫度場和電場

由圖5所示的從海底電纜軸向沿線溫度曲線可以看出，海底高壓電纜中間段發(fā)生老化的絕緣溫度比其他部分明顯要高。因此，可以通過分布式光纖溫度傳感器監(jiān)測海底高壓電纜溫度發(fā)生變化的點(diǎn)，定位到絕緣老化位置。同時(shí)結(jié)合電場的監(jiān)測，我們還可以判斷出絕緣老化的程度。

圖4 電纜絕緣老化運(yùn)行時(shí)溫度場和電場分布圖

3.4 海底高壓電纜絕緣雜質(zhì)仿真

通過在絕緣層中添加材料來模擬絕緣層出現(xiàn)雜質(zhì)，來觀察當(dāng)出現(xiàn)這類情況時(shí)有哪些參變量發(fā)生變化。

圖5 電纜絕緣老化運(yùn)行時(shí)溫度分布圖和軸向沿線溫度曲線圖

圖6 雜質(zhì)距離導(dǎo)體1.6mm電纜絕緣雜質(zhì)運(yùn)行時(shí)溫度場和電場分布圖

從圖6和表3仿真結(jié)果看到：雜質(zhì)距離導(dǎo)體越近，絕緣層發(fā)生畸變的電場強(qiáng)度越高，由于畸變的電場只與雜質(zhì)的位置和大小有關(guān)系，所以其影響的范圍也僅限于雜質(zhì)附近。原溫度場并沒有隨畸變電場發(fā)生顯著的變化，而電場變化明顯。如果可以利用分布式光纖電場傳感器，監(jiān)測海底高壓電纜絕緣發(fā)生變化的電場，由此可以定位到雜質(zhì)的位置。

表3 雜質(zhì)存在不同位置時(shí)的溫度場和電場

3.5 海底高壓電纜受壓仿真

模擬海底高壓電纜受到船錨、鵝卵石等外力擠壓，通過仿真得到的結(jié)果如圖7所示。

圖7 電纜受壓時(shí)壓強(qiáng)分布圖和軸向沿線壓強(qiáng)曲線圖

從圖7和表4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)比其他沒有受壓位置要高，因此，利用分布式光纖應(yīng)變傳感器，監(jiān)測海底高壓電纜內(nèi)部出現(xiàn)變化的應(yīng)變，由此定位到電纜受壓的位置。

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

4 結(jié)論

根據(jù)本文的仿真計(jì)算，海底220kV及以下高壓電纜，同軸鋪設(shè)6芯復(fù)合光纖。這個(gè)用來作為傳感器使用的傳感光纜，通過傳感單元，進(jìn)行光纖干涉信號的解調(diào)分離。再通過信號電纜將解調(diào)的信號，傳遞到中控計(jì)算機(jī)。進(jìn)行信號的實(shí)時(shí)處理。

圖8 分布式光纖測量原理

通過實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度場、壓力場和電場，最后可以將前文中介紹的這幾類故障進(jìn)行區(qū)分和提高故障定位的精度。在目前的研究過程中，所分析的樣本和海底電纜參數(shù)主要參照中天海纜公司的220kV的三芯高壓海底電纜，所設(shè)置的故障也是針對 220kV的海纜結(jié)構(gòu)來設(shè)置。尚沒有廣泛的涉及其他電壓等級與結(jié)構(gòu)的海底電纜，準(zhǔn)備下一步繼續(xù)研究。但從ANSYS的場函數(shù)有限元結(jié)構(gòu)分析來看，本次研究的結(jié)果也適用于其他電壓等級和結(jié)構(gòu)的海底電纜。

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