基于分布式光纤传感技术的高压海底电缆外力损坏仿真

陆 莹 黄 辉

（1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院，广州 510663；2.五邑大学信息工程学院，广东 江门 529020）

随着海上风力发电等海上能源的大力发展，高压海底电缆的应用将越来越广泛，一旦海底电缆发生故障而停止运行，就会造成非常大的经济损失。统计资料表明，95%的海缆损坏是由于人类进行渔业、航运等活动造成的，主要为捕捞渔具、船锚等造成的外力损坏，同时，海洋地质活动也会给海缆运行带来不确定性，因此，实时监测海底电缆的运行状况是非常必要的。高压海底电缆在线监测方法有分布式光纤测量法、直流成分法、接地线电流法和在线 tanδ法等，其中分布式光纤传感器测量法是目前最先进，最有发展前景的一类测量方法。本文运用 ANSYS仿真软件，模拟海底高压电缆发生外力损害故障时的情况，研究分布式光纤测量法监测的关键物理量、海底高压电缆在故障情况下的运行状态以及故障定位的可行性[1-5]。

1 海底电缆分布式光纤传感技术

1.1 分布式光纤传感器的定义和特点

分布式光纤传感器是利用光波在光纤中传输的特性，可沿光纤长度方向连续地传感被测量（温度、应变等）的信号传输系统。此时，光纤既是传感介质，又是被测量的传输介质。传感光纤的长度从一千米达上百千米，很适合应用在海底电缆的检测中。分布式光纤传感器除具有一般光纤传感器的优点外，它还具有以下特点：

1）空间范围大。分布式光纤传感器可在大空间范围连续进行传感，这是相对于其他传感器的突出优点。

2）结构简单，使用方便。传感和传光为同一根光纤，有时仅为一般的通信光纤，所以传感部分结果简单，使用时也只要将此传感光纤铺设到被测量处即可。

3）性价比高。由于分布式光纤传感器可在大空间连续、实时进行测量，因此可在沿光纤长度范围内获得大量信息。所以，与点式传感器相比，其单位长度内信息获取的成本大大降低。

图1 分布式光纤传感器的系统原理图

1.2 海底电缆中基于不同散射光的分布式光纤传感器

海底电缆其光纤中光传播时散射光有 3种成分：①由光纤折射率的微小变化引起的瑞利（RayLeigh）散射，其频率与入射光相同；②由光子与光声子相互作用而引起的拉曼（Raman）散射，其频率与入射光相差几十太赫兹；③由光子与光纤内弹性声波场低频声子相互作用而引起的布里渊（Brillouin）散射，其频率与入射光相差几十吉赫兹。

因此，对海底电缆的时域分布光纤检测系统按光的载体可分为三种形式：基于拉曼散射的分布式光纤检测系统、基于布里渊散射的分布式光纤检测系统和瑞利散射的分布式光纤监测系统。当前，前二种形式的研究和在海缆中的应用较多，后一种形式由于其自身的限制而很少单独运用在海缆的监测中。

1）基于拉曼散射分布式光纤传感器测量系统

拉曼散射分布式光纤传感器（Raman Optical Time Domain Reflectometer, ROTDR）是利用拉曼散射和散射介质、温度等参量之间的关系进行传感，利用光时域反射技术进行定位，以构成拉曼散射分布式光纤传感器。

拉曼散射光的波长与注入光的波长相差很大，易于分离，而且基于该原理的海缆传感系统产品相对较多，技术较为成熟。但是拉曼后向散射系数太小，因此必须采用高输入功率且对探测到的后向散射光信号取较长时间内的平均值，这样有可能降低对温度监测的实时性和精确性，而且拉曼散射只对温度敏感，无法对海缆应力的变化进行相应的检测。

2）基于布里渊散射的光纤传感器测量系统

基于布里渊散射的分布式光纤传感器不仅可测量海缆的温度分布，还可以测量海缆应变场。目前，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术来监测海缆主要有两个研究方案：基于布里渊光时域反射（BOTDR）技术的分布式光纤传感技术；基于布里渊光时域分析（BOTDA）技术的分布式光纤传感技术。时域方法检测的是布里渊散射光的时域波形，传感距离比较长，可达到几十千米以上。BOTDR利用的是自发布里渊散射，只需要对海缆进行单侧测量，实际使用起来比较方便；而 BOTDA利用的是受激布里渊散射，需要在海缆的双端测量，系统比较复杂，但是测量精度高。

布里渊散射与拉曼散射的一个明显的不同之处是布里渊散射的波长非常接近注入光波长，因此将布里渊光分离出来是实现测量的一个关键因素。

在长距离海底高压电缆在线监测技术中，基于布里渊散射技术的分布式光纤传感器存在优势。

2 海底高压电缆仿真

本文利用ANSYS仿真软件建立220kV三芯交联聚乙烯绝缘电力电缆仿真模型。电缆的型号为：TKRA 245kV 3×1×4mm2。电缆物理结构及其参数如表1～3所示。用于仿真的图形工作站的电脑配置为：IBM System x3620 M3服务器，内存16G（限于硬件条件的限制，电缆的轴向长度我们取有限的长度100m，与实际的长度有所区别）。

表1 TKRA型XLPE海底电缆各层尺寸

表2 TKRA型XLPE海底电缆电力参数

表3 电缆各层材料物理属性。

通过添加电压边界条件，使得海底高压电缆处于满负荷运行状态，再对周围环境施加温度边界条件，假定海底高压电缆处于30m深的海底，此处海水散热系数为 350W/（m2/℃）。仿真得到的海底高压电缆内部温度和电场分布如图2所示。

图2 电缆正常运行时温度和电场分布图

从仿真结果可以看到，海底高压电缆满负荷运行时内部最高温度为75℃，最高场强为11.4MV/m，根据运行经验，电缆正常运行时内部最高温度不超过90℃，最高场强不超过35MV/m。

2.1 海底高压电缆受压仿真

模拟海底高压电缆受到船锚等外力挤压，通过仿真得到海底电缆所受到的压强和内部光纤传感器检测得到的压强分布曲线，如图3所示。

图3 电缆受压时压强分布图和轴向沿线压强曲线图

表4 电缆受压（船锚挤压）时压力场及光纤传感器检测到的压强

从仿真结果可以看到：当海底高压电缆受到外力挤压时，电缆内部压强也发生了变化，由轴向沿线压强曲线图可以看到，海底高压电缆受压位置的压强比其他没有受压位置要高，因此，可以利用分布式光纤应变传感器，监测海底高压电缆内部出现变化的应变，由此定位到电缆受压的位置。

2.2 电缆缆铠装层损伤故障仿真

当海底电缆受到外力作用持续时间长，或者是外力瞬间超过了电缆铠装层极限，就容易造成铠装损伤，对电缆的绝缘产生影响。

我们模拟海底电缆在铠装层损伤、铠装层+填充层、铠装层+填充层+绝缘层3种情况下，其内部温度场以及电场的变化，如图4所示。

图4 海底电缆铠装不同损伤程度的温度场和压力场

表5 海底电缆铠装不同损伤程度的压力场

由图4和表5可知，海底电缆受到不同程度损伤，电缆内部温度场和电场均会发生变化。当海底电缆铠装层受到损伤但没有伤透时，海底电缆内部的温度场和电场与正常情况下并没有明显变化，说明海底电缆在铠装层没有破损的情况下，还能维持正常运行一段时间。如果破损达到填充层，海底电缆内部温度场和电场强度也几乎没有变化，但是因为填充层的刚性不足以承受深水压力，海底电缆会在很短的时间内发生短路故障。最严重的是损伤直达绝缘层，绝缘层不但刚性远不如铠装层，更严重的是海底电缆内部的电场强度会急剧升高，使得电缆绝缘层由于高场强而发生击穿。

3 结论

本文针对海底高压电缆的外力损坏故障，利用ANSYS进行了仿真，当海底电缆受到外力挤压时，电缆外部和内部的压力都将发生变化，如果压力持续或者增大，都会对海底电缆的安全运行造成威胁。通过仿真研究我们发现，可以通过海缆内部光纤传感器反映出海底电缆压力场的变化，并监测到故障发生的位置，为快速排除故障提供依据。

[1] 李小峰,唐兴佳.高压交联聚乙烯绝缘海底电缆载流量分析[J].实用技术与管理, 2010(6)： 39-42.

[2] 李荣伟,李永倩.高压电缆用分布式光纤传感器检测系统[J].光纤与电缆及其应用技术, 2010(1)： 38-42.

[3] 龙望成,高炎辉,关根志.交叉互联接线的交联聚乙烯(XLPE)电力电缆绝缘在线监测理论分析[J]电力自动化设备, 2008(3), 59-63.

[4] 蒋奇,张建,杨黎鹏.海底高压动力电缆在线监测技术与实验研究.[J]高电压技术, 2007, 33(8)： 198-202.

[5] 吴广宁、电气设备状态监测的理论与实践[M].清华大学出版社, 2005.