海南聯網系統500 kV海底電纜溫度在線監測研究

黃小衛， 臧源源， 王劍英

（中國南方電網超高壓輸電公司廣州局，廣東廣州510405）

海南聯網系統500 kV海底電纜溫度在線監測研究

黃小衛， 臧源源， 王劍英

（中國南方電網超高壓輸電公司廣州局，廣東廣州510405）

導體溫度是電纜運行非常重要的參數之一，討論了海南聯網系統500 kV海底電纜溫度在線監測方式，介紹了利用布里淵散射分布式測量海底電纜表面溫度的原理，結合IEC 60287標準中的內容，對熱阻計算進行了優化，從而依據海纜表面的溫度推導出導體的溫度，實現海底電纜導體溫度的實時分布式監測。

海底電纜；載流量；溫度；布里淵散射；分布式監測

0 引 言

海南聯網系統是國內第一個超高壓、長距離、較大容量的跨海電力聯網系統。聯網系統500 kV海底電纜路由北起廣東省湛江市徐聞縣角尾鄉南嶺村，過海跨越瓊州海峽，南至海南省澄邁縣橋頭鎮林詩村。海底電纜正常運行時，導體的溫度是一個非常重要的參數，導體實時溫度決定了海底電纜當前的載流量。另外，若海底電纜工作溫度過高，將導致絕緣材料老化加速，海纜壽命縮短，嚴重時甚至會出現故障［1］；在海纜內部微小缺陷發展過程中，會伴隨著異常發熱，缺陷點溫度會升高，嚴重時絕緣老化加速，導致熱擊穿［2-3］。因此，對海底電纜的導體溫度進行實時監控，對控制海底電纜的載流量，提高其運行可靠性，防止事故發生非常有必要。

海南聯網系統采用交流500 kV自容式充油電纜，每根海纜捆綁一根光纜，單根海底電纜長度約為31 km，其結構如圖1所示。由于海底電纜過長，所處環境復雜多樣，通常情況下無法直接檢測得到電纜導體的溫度，因此可以通過監測海底電纜捆綁光纜的溫度得到海纜外表面的溫度，然后通過熱傳遞的相關原理計算分析得到電纜導體的溫度。

1 海底電纜表層溫度的分布式監測

海南聯網系統海底電纜表面溫度的監測可以通過監測捆綁光纜的溫度來實現，目前，光纜溫度的監測一般采用的是分布式光纖傳感技術。

光在光纖中傳輸，主要有瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射三種散射光，其中布里淵散射是一種非彈性散射，散射的過程中會發生頻移，而且布里淵散射信號最明顯的一個優點就是較大、易檢測，適合較長距離的檢測［3］。布里淵散射光實際上是泵浦入射光和光學聲子相互作用的結果，泵浦入射光吸收或釋放聲子使得散射光頻移，該散射光頻移的大小決定于聲波速度，而光纖中聲波的速度又受光纖溫度的影響，因此光纖溫度會直接影響到布里淵頻移的大小。從理論上來說，測量出布里淵頻移的大小即可計算出光纖的溫度。

布里淵頻移的計算式為［4］：

式中：υB為布里淵頻移；υa為光纖中聲波速度；n為折射率；λ為入射光波波長。

圖1 海南聯網系統500 kV海底電纜結構圖

海南聯網系統海底光纜所用光纖為普通硅玻璃單模光纖，對于波長為1 550 nm的入射光，在20℃的參考溫度下，光纖的折射率為1.468，光纖中聲波速度為5 945 m/s［4］，則可以計算出20℃時的布里淵頻移為11.2 GHz。

溫度監測需要使用捆綁光纜中的兩根光纖，這兩根光纖在海底電纜的另一端通過終端盒連接在一起，形成一個回路，如圖2所示。

圖2 分布式光纖測溫原理圖

在兩根光纖的兩端分別注入一脈沖光（泵浦光）與一連續的探測光，當泵浦光和探測光的頻差與光纖中某區域的布里淵頻移相等時，就會產生受激布里淵散射，兩光束之間發生能量轉移，通過檢測光纖一端耦合出來的連續光的功率，就可以確定光纖各小段區域上能量轉移達到最大時所對應的頻率差，從而得到溫度應變信息，實現溫度的分布式測量。圖2中光信號處理器用來產生泵浦光和連續光，波分復用過濾裝置是用來將連續光和泵浦光區分開來并分別注入光纖，光電探測器用來檢測散射光的頻移。

Toshio Kurashima等人通過大量研究，發現布里淵頻移溫度和應變之間近似成線性關系，建立的表達式如下［5］：

式中：υB（t）為布里淵頻移；t為光纖溫度；tr為參考溫度；Ct為溫度應變系數（GHz/℃）。

對于特定波長的入射光在普通單模光纖中，溫度應變系數是可以計算出來的確定值，對于海南聯網海底光纜所屬類型的單模光纖，當入射波波長為1 550 nm時，其溫度應變系數 Ct=1.18×10-4GHz/℃［6］。參考溫度取20℃，此時的頻移通過式（1）的計算得到為11.2GHz，則只要測出光纖沿線各點的頻移大小，就可以由式（2）求得光纖的分布式溫度信息，由于光纜是捆綁在海底電纜的表面，此溫度即可認為是海底電纜表層的溫度。

2 海底電纜導體溫度計算

由分布式光纖測溫裝置（DTS）可以測出海底電纜表面的溫度，結合當前海底電纜的負荷情況、電壓電流參數、海纜各層熱阻及周圍環境的熱阻等相關數據，以及電纜發熱特性、載流量計算以及熱力學傳導的相關理論，逆向推導，就可以計算出海底電纜導體的溫度。

根據IEC 60287，可以建立海底電纜發熱的熱路模型，如圖3所示［7］。

圖3中，Wc為導體發熱，Wc=I2R；Wd為介質損耗，Wd=ωCU2tanδ；λ1Wc為鉛護套損耗，λ1為鉛合金護套損耗系數；λ2Wc為鎧裝損耗，λ2為鎧裝損耗系數；T1、T2及T3分別為導體與鉛合金護套之間、鉛合金護套與鎧裝之間以及外被層的熱阻，T4為海底電纜周圍環境的熱阻；θc為海底電纜導體的溫度，θa為海纜表面的溫度。其中海纜電容 C= 0.24×10-6μF/km=0.24×10-12F/km；海纜介損tanδ=0.002 8。

圖3 海底電纜熱路圖

根據熱路模型可以得到，海底電纜導體與海纜表面溫度差為［8］：

即海底電纜導體溫度表達式為：

對于單芯電纜，式（3）、式（4）中n=1。

在IEC 60287標準中，電纜結構較為簡單，在導體與鉛合金護套之間只計算絕緣層的熱阻，在鉛合金護套與鎧裝之間也只計算內襯層的熱阻。但是海南聯網系統海底電纜在這三層金屬層之間各分布有4層其他非金屬層，為了使結果更準確，可以將導體與鉛合金護套之間及鉛合金護套與鎧裝之間的熱阻分別看作由4層非金屬層熱阻串聯而成。

導體與鉛合金護套之間的熱阻T1可以看作四層非金屬層的熱阻T1i的串聯，則

式中：T1i為導體與鉛合金護套之間第i層的熱阻；ρT1i為該層的熱阻系數；t1i為該層的厚度；D1i為該層內徑。

鉛護套和鎧裝之間的加強層、防蛀層為金屬部分，相對于非金屬部分來說，其熱阻要小得多，可以忽略不計，因此，同樣可以得到

按照上面的方法，得到海南聯網系統海底電纜相關參數及計算出的熱阻等參數，見表1。

表1 海底電纜結構參數及熱阻計算值

式（3）中T4為海底電纜外部熱阻，與海底電纜所處環境特點有關，海南聯網系統500 kV海底電纜從廣東側燈樓角入海，跨越瓊州海峽，在海南側玉包角登陸上岸，并且海底電纜軸向間距及掩埋深度也并不是完全相同，因此其外部熱阻在不同的地方也不盡相同。海南聯網系統海底電纜在兩側終端下方直接裸露在空氣中；在南嶺登陸段，掩埋于土壤之中；在海洋之中也通過沖埋、拋石保護等掩埋于海床之上，在林詩島登陸段則是通過挖溝槽回填方式掩埋。根據海纜的沿線環境的特點，可以將海纜分為深海段、淺灘區、南嶺登陸段、林詩島溝槽段及裸露空氣段五個區段分別計算其外部熱阻。其中，海床熱阻系數為0.8 K·m/W，為了方便計算，統一按照設計時的埋深2 m來計算；淺灘區、登陸段及空氣裸露段海纜間距為7.5 m，登陸段海纜埋深均約1 m，其中林詩島登陸段用混凝土包和挖出的淤泥回填［9］，土壤熱阻系數為1.0 K·m/W，空氣裸露段海纜由地底出來，直接上終端頭處，不與日光直接接觸，因此可以不考慮日照的影響。外部熱阻的計算按照IEC 60287的要求進行，計算結果如表2所示。

λ1、λ2分別為鉛合金護套損耗系數及鎧裝損耗系數。海南聯網系統500 kV海底電纜鎧裝層為銅鎧裝，屬于非磁性鎧裝。為了防止運行中護套中各層的電壓過高，在生產制造時，海纜內部的鉛護套與鎧裝層每隔8 km就短接一次［10］，海纜兩端金屬護套均有接地，因此，可以將鉛合金護套與金屬鎧裝的損耗合并在一起進行計算，通過確認損耗比來計算出λ1及λ2，計算方法為IEC 60287中規定的方法，損耗的計算與海底電纜間距有關，計算結果見表2。

表2 海底電纜損耗系數及外部熱阻結算結果［10］

由于在海床上的海底電纜其間距約為水深的2倍，因此水深不同的地方海纜間距也不同，表2中僅計算出水深10 m處的熱阻和損耗，在海底其他地方的熱阻及損耗按同樣的方法計算。

式（4）中各參數計算出來后，通過分布式光纖測溫裝置測出的海纜表面的溫度θa，就可以計算得到海纜導體的溫度。圖4所示為海南聯網系統500 kV海底電纜某一時刻監測到的沿線導體溫度分布。

圖4 海底電纜實時溫度分布圖

另外，按照同樣的方法，參照熱路圖3，根據熱傳導的原理，也可以計算出鉛合金護套層的溫度θ鉛和鎧裝層的溫度θ鎧如下：

3 結束語

海南聯網系統每根海底電纜都捆綁有一根光纜，通過基于布里淵散射的原理，分布式監測得到光纖的溫度，得到海纜表面的溫度，依據IEC 60287標準中的熱路模型，推導計算出500 kV海底電纜的導體的溫度。光在光纖中的布里淵散射會產生頻移，頻移的大小與溫度成近似線性關系，因此，測量出頻移的大小就可以反推出光纖的溫度，將此溫度作為海纜表面的溫度，通過計算海纜內部各層的熱阻、損耗，依據熱傳導的原理，就可以從海纜表面的溫度逆推出海纜內部鎧裝、鉛合金護套、導體的溫度。在計算熱阻的過程中，如果嚴格按照IEC 60287標準的方法，15層的海纜有很多層將會被忽略，誤差將會很大，本文的方法是將金屬層之間各層熱阻分別計算出來，將每兩層金屬層中間的非金屬層熱阻并聯，從理論上來說將會大大提高準確度。

［1］ 牛海清，周 鑫，王曉兵，等.外皮溫度監測的單芯電纜暫態溫度計算與試驗［J］.高電壓技術，2009，35（9）：2138-2143.

［2］ 李 勇.基于分布式光纖溫度傳感器的高壓電纜在線監測系統設計［J］.電工技術，2011（1）：51-52.

［3］ 楊黎鵬，楊連殿，張 俊，等.分布式光纖XLPE電纜溫度在線監測技術［J］.電力設備，2008，9（12）：40-42.

［4］ 沈逸銘.高性能布里淵光時域分析分布式傳感的研究［D］.杭州：浙江大學，2013.

［5］ 楊黎鵬.基于光纖布里淵散射的分布式傳感海底電纜在線監測技術研究［J］.船海工程，2019，38（3）：133-136.

［6］ Tsuneo Horiguchi，Kaoru Shimizu，Toshio Kurashima，etal.Development of a distributed sensing technique using brillouin scattering［J］.Journal of lightwave technology，1995，13（7），1296-1302.

［7］ 劉迪仁.長距離分布式布里淵散射光纖傳感技術研究［D］.杭州：浙江大學，2005.

［8］ 劉子玉.電氣絕緣結構設計原理（上冊）---電力電纜［M］.北京：機械工業出版社，1988：187-188.

［9］ IEC 60287-1-1：2006 Electric cables-Calculation of the current rating-Part1 1：Current rating equations（100%load factor）and calculation of losses-General［S］.

［10］ 陳凱華.海南聯網海纜敷設施工與防護［J］.南方電網技術，2009，3（5）：25-26.

［11］ 中南電力設計院.南方主網與海南聯網跨越瓊州海峽500k海底電纜工程初步設計（綜合部分）［R］.武漢：中南電力設計院，2007.

［12］ 王 星，尚 濤，黃賢球，等.海南聯網海底電纜護套絕緣監測方法［J］.南方電網技術，2009，3（1）：62-65.

Study on 500kV Submarine Cable Tem perature On-Line M onitoring of Hainan Grid Interconnection System

HUANG Xiao-wei，ZANG Yuan-yuan，WANG Jian-ying
（Guangzhou Bureau，EHV，China Southern Power Grid，Guangzhou 510405，China）

The conductor temperature of the cable is an extremely important parameterwhen it is being running.It is presented the principle of the distributedmeasurementof the surface temperature of the submarine cablewith the theory of Brillouin scattering；and then it references the standard of IEC60287，optimizes the computing method of the thermal resistance，and then deduces the conductor temperature by the surface one，so to achieve distributedmonitoring of the conductor temperature of the submarine cable in real time.

submarine cable；ampacity；temperature；brillouin scattering；distributed measurement

TN818

A

1672-6901（2014）06-0024-04

2014-07-27

黃小衛（1985-），男，助理工程師.

作者地址：海南海口市濱海大道103號財富廣場14樓BCD［570105］.