基于分布式光纖傳感技術的高壓海底電纜外力損壞仿真

陸 瑩 黃 輝

（1.中國能源建設集團廣東省電力設計研究院，廣州 510663；2.五邑大學信息工程學院，廣東 江門 529020）

隨著海上風力發電等海上能源的大力發展，高壓海底電纜的應用將越來越廣泛，一旦海底電纜發生故障而停止運行，就會造成非常大的經濟損失。統計資料表明，95%的海纜損壞是由于人類進行漁業、航運等活動造成的，主要為捕撈漁具、船錨等造成的外力損壞，同時，海洋地質活動也會給海纜運行帶來不確定性，因此，實時監測海底電纜的運行狀況是非常必要的。高壓海底電纜在線監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，最有發展前景的一類測量方法。本文運用 ANSYS仿真軟件，模擬海底高壓電纜發生外力損害故障時的情況，研究分布式光纖測量法監測的關鍵物理量、海底高壓電纜在故障情況下的運行狀態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

1.1 分布式光纖傳感器的定義和特點

分布式光纖傳感器是利用光波在光纖中傳輸的特性，可沿光纖長度方向連續地傳感被測量（溫度、應變等）的信號傳輸系統。此時，光纖既是傳感介質，又是被測量的傳輸介質。傳感光纖的長度從一千米達上百千米，很適合應用在海底電纜的檢測中。分布式光纖傳感器除具有一般光纖傳感器的優點外，它還具有以下特點：

1）空間范圍大。分布式光纖傳感器可在大空間范圍連續進行傳感，這是相對于其他傳感器的突出優點。

2）結構簡單，使用方便。傳感和傳光為同一根光纖，有時僅為一般的通信光纖，所以傳感部分結果簡單，使用時也只要將此傳感光纖鋪設到被測量處即可。

3）性價比高。由于分布式光纖傳感器可在大空間連續、實時進行測量，因此可在沿光纖長度范圍內獲得大量信息。所以，與點式傳感器相比，其單位長度內信息獲取的成本大大降低。

圖1 分布式光纖傳感器的系統原理圖

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由光子與光纖內彈性聲波場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，對海底電纜的時域分布光纖檢測系統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系統、基于布里淵散射的分布式光纖檢測系統和瑞利散射的分布式光纖監測系統。當前，前二種形式的研究和在海纜中的應用較多，后一種形式由于其自身的限制而很少單獨運用在海纜的監測中。

1）基于拉曼散射分布式光纖傳感器測量系統

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、溫度等參量之間的關系進行傳感，利用光時域反射技術進行定位，以構成拉曼散射分布式光纖傳感器。

拉曼散射光的波長與注入光的波長相差很大，易于分離，而且基于該原理的海纜傳感系統產品相對較多，技術較為成熟。但是拉曼后向散射系數太小，因此必須采用高輸入功率且對探測到的后向散射光信號取較長時間內的平均值，這樣有可能降低對溫度監測的實時性和精確性，而且拉曼散射只對溫度敏感，無法對海纜應力的變化進行相應的檢測。

2）基于布里淵散射的光纖傳感器測量系統

基于布里淵散射的分布式光纖傳感器不僅可測量海纜的溫度分布，還可以測量海纜應變場。目前，基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術來監測海纜主要有兩個研究方案：基于布里淵光時域反射（BOTDR）技術的分布式光纖傳感技術；基于布里淵光時域分析（BOTDA）技術的分布式光纖傳感技術。時域方法檢測的是布里淵散射光的時域波形，傳感距離比較長，可達到幾十千米以上。BOTDR利用的是自發布里淵散射，只需要對海纜進行單側測量，實際使用起來比較方便；而 BOTDA利用的是受激布里淵散射，需要在海纜的雙端測量，系統比較復雜，但是測量精度高。

布里淵散射與拉曼散射的一個明顯的不同之處是布里淵散射的波長非常接近注入光波長，因此將布里淵光分離出來是實現測量的一個關鍵因素。

在長距離海底高壓電纜在線監測技術中，基于布里淵散射技術的分布式光纖傳感器存在優勢。

2 海底高壓電纜仿真

本文利用ANSYS仿真軟件建立220kV三芯交聯聚乙烯絕緣電力電纜仿真模型。電纜的型號為：TKRA 245kV 3×1×4mm2。電纜物理結構及其參數如表1～3所示。用于仿真的圖形工作站的電腦配置為：IBM System x3620 M3服務器，內存16G（限于硬件條件的限制，電纜的軸向長度我們取有限的長度100m，與實際的長度有所區別）。

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

表3 電纜各層材料物理屬性。

通過添加電壓邊界條件，使得海底高壓電纜處于滿負荷運行狀態，再對周圍環境施加溫度邊界條件，假定海底高壓電纜處于30m深的海底，此處海水散熱系數為 350W/（m2/℃）。仿真得到的海底高壓電纜內部溫度和電場分布如圖2所示。

圖2 電纜正常運行時溫度和電場分布圖

從仿真結果可以看到，海底高壓電纜滿負荷運行時內部最高溫度為75℃，最高場強為11.4MV/m，根據運行經驗，電纜正常運行時內部最高溫度不超過90℃，最高場強不超過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，通過仿真得到海底電纜所受到的壓強和內部光纖傳感器檢測得到的壓強分布曲線，如圖3所示。

圖3 電纜受壓時壓強分布圖和軸向沿線壓強曲線圖

表4 電纜受壓（船錨擠壓）時壓力場及光纖傳感器檢測到的壓強

從仿真結果可以看到：當海底高壓電纜受到外力擠壓時，電纜內部壓強也發生了變化，由軸向沿線壓強曲線圖可以看到，海底高壓電纜受壓位置的壓強比其他沒有受壓位置要高，因此，可以利用分布式光纖應變傳感器，監測海底高壓電纜內部出現變化的應變，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

當海底電纜受到外力作用持續時間長，或者是外力瞬間超過了電纜鎧裝層極限，就容易造成鎧裝損傷，對電纜的絕緣產生影響。

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，其內部溫度場以及電場的變化，如圖4所示。

圖4 海底電纜鎧裝不同損傷程度的溫度場和壓力場

表5 海底電纜鎧裝不同損傷程度的壓力場

由圖4和表5可知，海底電纜受到不同程度損傷，電纜內部溫度場和電場均會發生變化。當海底電纜鎧裝層受到損傷但沒有傷透時，海底電纜內部的溫度場和電場與正常情況下并沒有明顯變化，說明海底電纜在鎧裝層沒有破損的情況下，還能維持正常運行一段時間。如果破損達到填充層，海底電纜內部溫度場和電場強度也幾乎沒有變化，但是因為填充層的剛性不足以承受深水壓力，海底電纜會在很短的時間內發生短路故障。最嚴重的是損傷直達絕緣層，絕緣層不但剛性遠不如鎧裝層，更嚴重的是海底電纜內部的電場強度會急劇升高，使得電纜絕緣層由于高場強而發生擊穿。

3 結論

本文針對海底高壓電纜的外力損壞故障，利用ANSYS進行了仿真，當海底電纜受到外力擠壓時，電纜外部和內部的壓力都將發生變化，如果壓力持續或者增大，都會對海底電纜的安全運行造成威脅。通過仿真研究我們發現，可以通過海纜內部光纖傳感器反映出海底電纜壓力場的變化，并監測到故障發生的位置，為快速排除故障提供依據。

[1] 李小峰,唐興佳.高壓交聯聚乙烯絕緣海底電纜載流量分析[J].實用技術與管理, 2010(6)： 39-42.

[2] 李榮偉,李永倩.高壓電纜用分布式光纖傳感器檢測系統[J].光纖與電纜及其應用技術, 2010(1)： 38-42.

[3] 龍望成,高炎輝,關根志.交叉互聯接線的交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜絕緣在線監測理論分析[J]電力自動化設備, 2008(3), 59-63.

[4] 蔣奇,張建,楊黎鵬.海底高壓動力電纜在線監測技術與實驗研究.[J]高電壓技術, 2007, 33(8)： 198-202.

[5] 吳廣寧、電氣設備狀態監測的理論與實踐[M].清華大學出版社, 2005.