海底電纜在線監測技術方案研究

李璇 安曉龍 劉建申 徐建東 杜銀昌

摘要：就海底電纜常見問題進行了分析，對兩種主要的監測技術進行了對比，并結合工程項目應用實例，得出適用于海洋石油工程的海底電纜監測技術方案。

關鍵詞：海底電纜;在線監測;分布式光纖法;局部放電法

0? ? 引言

隨著海洋油氣田規模逐步增大，海上平臺數量逐年增多，海上油氣田電力系統出現了復雜化的趨勢，區塊電力系統間電力組網越來越多，海底電纜數量及敷設長度逐年增加。海底電纜將主電站的電能輸送到各個井口平臺，是不同主電站、不同區塊電網間連接的紐帶，關系到海上油、氣田的穩定運行。

為提高海上油氣田電網的可靠性，如何提高海底電纜運行狀態的可控性，對可能存在的問題進行預警和故障判斷，降低海底電纜維修及緊急停產的風險，成為我們亟待解決的課題。

1? ? 海底電纜常見問題分析

海底電纜在海上石油平臺間進行電力供應及通信聯絡，海纜路由長度一般從幾千米到幾十千米不等。據不完全統計，國內海油工程中在用海底電纜100余條，總敷設長度超過800 km。

經調研，收集到國內海油工程中海底電纜出現的問題事件共11例，事件原因統計如表1所示。

由表1可見，由作業船/漁船錨害或漁網拖拉引起的事件占比極大，約為82%;敷設或生產、運輸中引起海纜受損的事件占比約18%。

本文也是著重針對此類問題，對基于光纖傳感和基于局部放電的海底電纜監測技術進行研究。

2? ? 基于光纖傳感的海底電纜監測技術研究

光纖傳感的工作原理是在光纖中注入一束窄激光脈沖，并產生背向散射光，通過耦合器耦合到光電探測器中。

背向散射光有3種成分：瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。

2.1? ? 光纖傳感溫度監測原理

拉曼散射光中含反斯托克斯光，其強度隨溫度變化而改變。拉曼散射僅對溫度敏感，因此最適合用來測量溫度。通常利用拉曼散射原理和光時域反射傳感技術進行溫度監測。

2.2? ? 光纖傳感應變監測原理

布里淵散射光的頻率與光纖受到的應變和溫度有關：

ΔVB=CνTΔT+CνεΔε? ? ? ? ? （1）

布里淵頻移變化量ΔVB是應變變化量Δε和溫度變化量ΔT的函數;CνT和Cνε分別為溫度系數和應變系數，這兩個系數是事先可以測得的，從而可以確定傳感光纖溫度和應變的變化。

2.3? ? 光纖傳感擾動監測原理

光在光纖中傳播，受到外界干擾時，該處的折射率會發生改變，該處的光相位也隨之變化。這將導致后向瑞利散射相互干涉，受擾動處的散射光返回探測器的過程中相位是周期性變化的。

2.4? ? 光纖傳感監測數據后處理

通過光纖傳感技術直接測出的光纖本體相關量，不便于直接應用。通過有限元分析等方法可計算分析在不同工作溫度或載流量、外力等因素影響下，海纜導體、絕緣或鎧裝層、護套的狀態，以及不同條件下光纖的應變和溫度與海纜狀態之間的關系，得到導體溫度、海纜整體應變等可直接用于工程預警的數據，核實海底電纜中導體是否過熱、過載，是否受到外部影響。

3? ? 基于局部放電的海底電纜監測技術研究

局部放電簡稱“局放”，其形成受電介質所處的場強和電纜絕緣老化程度影響。電力電纜絕緣性能的好壞很大程度上與其局部放電量有關，局部放電量的改變可對電纜絕緣存在的安全隱患提前預警。

3.1? ? 電容耦合傳感器局放監測

電容耦合傳感器采用電測法，從局放信號的電場中獲取能量，直接獲得電信號。電容耦合法采用安裝金屬薄片或利用電纜和接頭中現有的金屬結構構成容性電極，可直接耦合放電過程中的脈沖電流信號。

3.2? ? 電感耦合傳感器局放監測

局部放電產生的電流信號是高頻信號，在其傳播過程中，同時向四周空間傳播電磁波能量，Rogowski線圈傳感器接收電信號的途徑就是利用電磁耦合來實現的。

此外，還有超聲傳感器和光學傳感器局放監測技術。前者主要應用于電纜接頭周圍的局放檢測，檢測方法有固定安裝傳感器在線監測方法和移動傳感器便攜式檢測法。

4? ? 適用于海洋石油工程的海底電纜監測技術方案

4.1? ? 光纖傳感監測技術應用效果

海洋石油工程中所用海底電纜通常為光電復合海纜，便于光纖傳感監測技術的應用，無需改變海纜結構。隨著海纜長度的增長，分布式光纖傳感器在數據采集和處理方面優勢突顯，單位信息量的采集成本隨測量點數的不斷增加大幅降低;通過改善信號處理方式，參數測量和故障定位精度顯著提高，可實現真正意義上的分布式、準確實時測量。

目前光纖傳感監測技術在海油工程、海上風力發電及海島供電等領域已有了較為廣泛的應用，為工程中海纜的安全運行提供了一定的保障。

4.2? ? 局部放電監測技術應用效果

比較上述幾種檢測方法，內置電容傳感器雖然具有高靈敏度、抗干擾等優點，但在其安裝過程中由于電纜附件受到損壞，電纜附件防水性能等問題亟待解決;電感耦合傳感器具有高可靠性，安裝便捷，不損壞電纜附件結構，但由于國外技術壟斷，其應用推廣成本較高;超聲傳感器目前在局放監測和定位中已有許多成熟應用，但受信號衰減制約，該方法對監測局放信號無法實現定量計算分析;光學傳感器作為一種新型產品目前正處于研究中，離實際應用還有一定的距離。

經與相關設備廠家交流，了解到目前國內局部放電監測設備應用主要針對陸地電力電纜，監測范圍主要是電纜中間接頭以及距離較短的電力電纜，監測電纜長度從幾十米到幾百米，不能滿足海纜的長距離要求。國外某廠家設備可以對10 km長度范圍內的電力電纜進行局部放電監測，但不能對故障點進行準確定位，且對監測數據沒有成型的系統或標準進行分析判斷，需通過專家人為給出判斷。因此，目前局放監測技術在海纜監測中應用的可行性較小。

4.3? ? 海洋石油工程的海底電纜監測推薦方案

通過上述章節的研究分析可知，基于光纖傳感的監測技術應用相對比較成熟，可適用于海洋石油工程中海底電纜的監測;基于局部放電的監測技術應用還存在比較大的局限性。

在目前技術水平的基礎上，建議在海洋石油工程的海底電纜監測方面推廣基于光纖傳感的監測技術方案。針對海油工程中海纜故障絕大多數是由于漁船、工程船的錨害/拖拉引起的，建議將船舶自動識別系統（簡稱“AIS系統”）納入監測系統，以便于在海底電纜受到錨害或拖拉之前或初期，識別出相關風險后，及時通過AIS系統對相關船只的動態進行跟蹤，通過有效措施及時聯系相關船只，避免故障的發生或加重。

受試驗條件限制，海底電纜驗收試驗時，通常采用直流耐壓試驗進行絕緣測試，但這種方法存在許多缺陷。目前可替代的試驗方法雖然能有效地反映電纜絕緣問題，但要求其試驗裝置具有很高的容量。建議在海底電纜驗收試驗時，選用更為有效的檢驗方法，進一步降低海底電纜帶絕緣缺陷投入運行的風險。

5? ? 結語

本文通過對基于光纖傳感和基于局部放電的海底電纜在線監測技術的原理和應用效果進行分析，結合海洋石油工程中海纜常見問題，提煉出了適合于海洋石油工程的海底電纜在線監測系統方案，有利于提高海上油氣田電網的可靠性，提高海底電纜運行狀態的可控性，對可能存在的問題進行預警和故障判斷，降低海底電纜維修及緊急停產的風險，為今后工程項目海底電纜在線監測系統的設計提供了參考。

[參考文獻]

[1] 鄭新龍，李世強，敬強，等.海底電力電纜的損傷分析與防護[J].電氣技術，2013（12）：86-88.

[2] 李毅.復合海底電纜在線狀態監測系統應用研究[D].保定：華北電力大學，2015.

收稿日期：2019-12-24

作者簡介：李璇（1988—），女，河北人，電氣工程師，主要從事海洋平臺電力系統設計及研究工作。