充油海底電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的原理與實現(xiàn)

嚴有祥，黃杰，林智雄，陳朝暉

（國網(wǎng)廈門供電公司，廈門361000）

0 引言

充油海纜是一種適合高電壓、大容量輸送的電纜，在國內(nèi)外高壓輸電工程中得到了廣泛而成熟的應用。充油海纜投入使用后，需要對其運行狀態(tài)進行監(jiān)測以防止電纜事故的發(fā)生。最初的電纜安全監(jiān)測方法主要是絕緣電阻比較法和示波器法[1-2]。這兩種方法可以對電纜故障點進行定位，但是不能對電纜進行在線監(jiān)測，也無法實現(xiàn)故障預警。針對這兩個問題，國內(nèi)外學者展開了大量的研究，先后出現(xiàn)了差分法、局部放電在線監(jiān)測法、接地電流法、雙端行波測距法等[3]，這些方法雖能實現(xiàn)在線監(jiān)測，但是存在信號識別差、監(jiān)測距離短、實際應用效果不理想等缺陷。近年來，隨著分布式光纖測溫技術(shù)的不斷發(fā)展與應用，溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)成為海纜監(jiān)測的主要方式。目前主要的分布式光纖測溫技術(shù)有基于瑞利散射、拉曼散射以及布里淵散射的光纖測溫技術(shù)[4]。其中基于布里淵散射的BOTDA技術(shù)在實現(xiàn)分布式測溫的同時，還具有測量精度高、抗干擾能力強、空間分辨率高的優(yōu)點，是海纜溫度監(jiān)測的首選技術(shù)[5]。光纖測溫技術(shù)只能測量電纜表面或者絕緣層以外的溫度，而導體溫度才是監(jiān)測電纜運行狀態(tài)的關鍵因素，因此還需要通過一定的方法由光纖溫度反推導體溫度[6]。目前計算實時導體溫度的方法主要有熱路模型法和有限元溫度場建模技術(shù)[7]。相對于熱路模型法，有限元溫度場建模技術(shù)適用于多種計算場合，求解結(jié)果更加接近實際[8]。

有限元溫度場建模技術(shù)在XPLE電纜、光電復合電纜以及地下直埋電纜群的溫度監(jiān)測上得到良好的應用[9-12]，但是該技術(shù)在充油海底電纜溫度監(jiān)測方面的應用較為少見。本文針對常見的充油海纜工程，結(jié)合BOTDA技術(shù)和有限元溫度場建模技術(shù)，詳細論述了溫度監(jiān)測系統(tǒng)的原理和實現(xiàn)。通過溫度監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)海纜運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，保證海纜的安全有效運行。

1 溫度監(jiān)測系統(tǒng)的概述

1.1 溫度監(jiān)測系統(tǒng)的基本框架

充油海底電纜的溫度監(jiān)測系統(tǒng)的基本框架如圖1所示：

圖1 溫度監(jiān)測系統(tǒng)框架圖

溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用基于布里淵散射的BOTDA設備實時采集充油海纜中內(nèi)置光纖的溫度數(shù)據(jù)。BOTDA設備通過以太網(wǎng)交換機將溫度數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)分析服務器，該服務器通過有限元溫度場建模技術(shù)完成光纖溫度到導體溫度的計算，實現(xiàn)海纜線芯溫度的實時監(jiān)測。

1.2 BOTDA技術(shù)的基本原理

BOTDA技術(shù)是基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)。光在光纖中傳播時，在反方向產(chǎn)生散射光，包括了瑞利（Rayleigh）散射、布里淵（Brillouin）散射和拉曼（Raman）散射。布里淵散射是指入射到介質(zhì)的光波與介質(zhì)內(nèi)的彈性聲波發(fā)生相互作用而產(chǎn)生的光散射現(xiàn)象。布里淵頻移與光纖應變、環(huán)境溫度成線性關系：

式中ΔVB為布里淵頻移變化量；Δε為光纖軸向應變；ΔTR為光纖溫度。Cε和CT分別為布里淵散射頻移的應變和溫度系數(shù)。

2 有限元溫度場建模技術(shù)

有限元法熱分析的基本原理是將處理的對象劃分為有限個單元，每個單元都包含若干個節(jié)點，再根據(jù)能量守恒原理求解給定邊界條件和初始條件下每個節(jié)點處的熱平衡方程，得出各節(jié)點的溫度值后再求解出其他的相關量。熱場建模的求解精度取決于：海纜的幾何建模，網(wǎng)格劃分技術(shù)，有限元求解算法，海纜的熱性能參數(shù)，環(huán)境參數(shù)等。

有限元熱分析功能可通過大型有限元建模軟件ANSYS實現(xiàn)。該軟件熱分析建模流程包含如下三個主要步驟：（1）前處理：幾何建模；（2）求解：施加荷載并求解；（3）后處理：查看結(jié)果。其中前處理又包括：定義單元類型、單元實常數(shù)、材料屬性以及建立幾何實體（幾何建模）。海纜溫度場可以按照圖2所示流程圖進行求解。

3 溫度監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵技術(shù)分析

3.1 實時導體溫度的計算

BOTDA設備采集的是光纖溫度，而對海纜運行狀態(tài)進行評估的關鍵因素是導體溫度，因此需要通過有限元溫度場建模技術(shù)完成光纖溫度到導體溫度的推導。計算實時導體溫度需已知的條件包括電流載荷、光纖溫度、海纜結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)以及鋪設海域環(huán)境參數(shù)。實際工程中的海域環(huán)境參數(shù)是動態(tài)變化的，需要通過有限元建模獲得準確的環(huán)境參數(shù)?；谏鲜鲆阎獥l件，實時導體溫度的計算主要分以下兩個步驟進行，如圖3所示：

圖2 海纜溫度場建模求解流程圖

圖3 實時導體溫度求解步驟

（1）獲取海纜敷設的環(huán)境邊界條件

在求解海纜的實時導體溫度時，首先要獲取正確的海纜敷設環(huán)境邊界參數(shù)。海域鋪設環(huán)境參數(shù)包括環(huán)境溫度和環(huán)境導熱系數(shù)，雖然可通過查詢鋪設海域的水文數(shù)據(jù)獲得大致數(shù)據(jù)范圍，但準確的參數(shù)是隨著不同鋪設環(huán)境（包括埋深）和不同時間（月份季節(jié)）的變化而變化的。因此需要根據(jù)已知條件計算出準確的環(huán)境參數(shù)。由IEC60287標準計算得到海纜的損耗（導體損耗、金屬套損耗、絕緣損耗、鎧裝層損耗）之后，通過有限元溫度場建模技術(shù)可以獲得準確的環(huán)境邊界條件，其原理圖如圖4所示，其修正流程圖如圖5所示。

圖4 環(huán)境邊界條件獲取原理圖

圖5 環(huán)境邊界條件修正流程圖

（2）有限元建模求解海纜實時導體溫度

獲取正確的環(huán)境邊界條件參數(shù)后，結(jié)合光纖溫度數(shù)據(jù)，即可利用有限元溫度場建模技術(shù)計算實時導體溫度。導體溫度計算如圖6所示：

圖6 導體溫度計算步驟

4 實例驗證與分析

本文以廈門圍里變電站春圍Ⅱ路的220kV充油海底電纜工程為例，通過有限元溫度場建模技術(shù)計算海纜實時導體溫度。海纜主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料導熱系數(shù)如表1和表2所示。

在ANSYS中選擇8節(jié)點的二維實體單元進行建模求解海纜的溫度云圖。首先根據(jù)表2建立海纜材料特性模型，然后根據(jù)表1建立電纜的幾何模型并進行交疊運算。海纜的幾何實體如圖7所示：

表1 充油海纜結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 充油海纜材料導熱系數(shù)

圖7 海纜幾何實體

幾何實體建立完成后，根據(jù)海纜每個結(jié)構(gòu)層的材料種類，將材料模型與幾何實體進行匹配，選擇自適應的網(wǎng)格化分技術(shù)進行全區(qū)域的網(wǎng)格劃分，如圖8所示：

圖8 全區(qū)域網(wǎng)格劃分

最后進行有限元溫度云圖的求解。定義模型求解類型為穩(wěn)態(tài)熱分析，輸入環(huán)境邊界參數(shù)值和模型的熱載荷。其中熱載荷值是由海纜的損耗轉(zhuǎn)換而來的，其轉(zhuǎn)換公式為：

圖9 有限元模型溫度云圖

其中Φ表示生熱率（J/m2）,Q 表示損耗（J），S表示損耗所在結(jié)構(gòu)層的橫截面積（m2）。模型求解的溫度云圖如圖9，由導體到環(huán)境邊界的電纜徑向溫度曲線如圖10所示。

4.2 實驗結(jié)果及分析

通過有限元溫度場建模技術(shù)，獲取不同電流和光纖溫度對應的環(huán)境邊界條件，并制作成環(huán)境邊界條件表以供查閱。針對本項目的220kV充油海底電纜，采集不通電流下的光纖溫度，查閱環(huán)境邊界條件表獲取準確的環(huán)境參數(shù)，再次通過有限元建模求解實時導體溫度，實驗結(jié)果如表3所示：

表3 海纜實時導體溫度

圖10 海纜徑向溫度曲線圖

通過充油海纜的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)導體溫度的實時在線監(jiān)測。根據(jù)導體實時溫度曲線，可以進行合理的海纜載荷調(diào)整。當導體溫度偏高時，應適當減小負載電流，使得導體溫度不超過最高工作溫度，保證海纜的安全運行。當導體溫度偏低時，可以適當加大傳輸電流，充分利用海纜的負載裕度，提高海纜運行的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)語

本文以廈門圍里變電站春圍Ⅱ路的220kV充油海纜工程為例，詳細論述了充油海纜的溫度監(jiān)測系統(tǒng)的原理以及具體的實現(xiàn)過程。溫度監(jiān)測系統(tǒng)的核心是分布式光纖傳感技術(shù)與有限元溫度場建模技術(shù)的結(jié)合，內(nèi)容概述如下：

（1）采用基于布里淵散射的BOTDA技術(shù)實時采集海纜內(nèi)置光纖的溫度；

（2）由已知的實時電流及采集的光纖溫度，通過有限元建模獲取準確的環(huán)境邊界條件；

（3）由實時電流、光纖溫度以及建模求解的環(huán)境邊界條件，通過有限元建模求解導體的實時溫度。

充油海纜的溫度監(jiān)測系統(tǒng)為海纜負荷的調(diào)度提供依據(jù)，根據(jù)實時的溫度曲線調(diào)整傳輸電流的大小，既能保證海纜的安全運行，又能提高海纜的工作效率。