海底电缆在线监测技术方案研究

李璇 安晓龙 刘建申 徐建东 杜银昌

摘要：就海底电缆常见问题进行了分析，对两种主要的监测技术进行了对比，并结合工程项目应用实例，得出适用于海洋石油工程的海底电缆监测技术方案。

关键词：海底电缆;在线监测;分布式光纤法;局部放电法

0    引言

随着海洋油气田规模逐步增大，海上平台数量逐年增多，海上油气田电力系统出现了复杂化的趋势，区块电力系统间电力组网越来越多，海底电缆数量及敷设长度逐年增加。海底电缆将主电站的电能输送到各个井口平台，是不同主电站、不同区块电网间连接的纽带，关系到海上油、气田的稳定运行。

为提高海上油气田电网的可靠性，如何提高海底电缆运行状态的可控性，对可能存在的问题进行预警和故障判断，降低海底电缆维修及紧急停产的风险，成为我们亟待解决的课题。

1    海底电缆常见问题分析

海底电缆在海上石油平台间进行电力供应及通信联络，海缆路由长度一般从几千米到几十千米不等。据不完全统计，国内海油工程中在用海底电缆100余条，总敷设长度超过800 km。

经调研，收集到国内海油工程中海底电缆出现的问题事件共11例，事件原因統计如表1所示。

由表1可见，由作业船/渔船锚害或渔网拖拉引起的事件占比极大，约为82%;敷设或生产、运输中引起海缆受损的事件占比约18%。

本文也是着重针对此类问题，对基于光纤传感和基于局部放电的海底电缆监测技术进行研究。

2    基于光纤传感的海底电缆监测技术研究

光纤传感的工作原理是在光纤中注入一束窄激光脉冲，并产生背向散射光，通过耦合器耦合到光电探测器中。

背向散射光有3种成分：瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。

2.1    光纤传感温度监测原理

拉曼散射光中含反斯托克斯光，其强度随温度变化而改变。拉曼散射仅对温度敏感，因此最适合用来测量温度。通常利用拉曼散射原理和光时域反射传感技术进行温度监测。

2.2    光纤传感应变监测原理

布里渊散射光的频率与光纤受到的应变和温度有关：

ΔVB=CνTΔT+CνεΔε          （1）

布里渊频移变化量ΔVB是应变变化量Δε和温度变化量ΔT的函数;CνT和Cνε分别为温度系数和应变系数，这两个系数是事先可以测得的，从而可以确定传感光纤温度和应变的变化。

2.3    光纤传感扰动监测原理

光在光纤中传播，受到外界干扰时，该处的折射率会发生改变，该处的光相位也随之变化。这将导致后向瑞利散射相互干涉，受扰动处的散射光返回探测器的过程中相位是周期性变化的。

2.4    光纤传感监测数据后处理

通过光纤传感技术直接测出的光纤本体相关量，不便于直接应用。通过有限元分析等方法可计算分析在不同工作温度或载流量、外力等因素影响下，海缆导体、绝缘或铠装层、护套的状态，以及不同条件下光纤的应变和温度与海缆状态之间的关系，得到导体温度、海缆整体应变等可直接用于工程预警的数据，核实海底电缆中导体是否过热、过载，是否受到外部影响。

3    基于局部放电的海底电缆监测技术研究

局部放电简称“局放”，其形成受电介质所处的场强和电缆绝缘老化程度影响。电力电缆绝缘性能的好坏很大程度上与其局部放电量有关，局部放电量的改变可对电缆绝缘存在的安全隐患提前预警。

3.1    电容耦合传感器局放监测

电容耦合传感器采用电测法，从局放信号的电场中获取能量，直接获得电信号。电容耦合法采用安装金属薄片或利用电缆和接头中现有的金属结构构成容性电极，可直接耦合放电过程中的脉冲电流信号。

3.2    电感耦合传感器局放监测

局部放电产生的电流信号是高频信号，在其传播过程中，同时向四周空间传播电磁波能量，Rogowski线圈传感器接收电信号的途径就是利用电磁耦合来实现的。

此外，还有超声传感器和光学传感器局放监测技术。前者主要应用于电缆接头周围的局放检测，检测方法有固定安装传感器在线监测方法和移动传感器便携式检测法。

4    适用于海洋石油工程的海底电缆监测技术方案

4.1    光纤传感监测技术应用效果

海洋石油工程中所用海底电缆通常为光电复合海缆，便于光纤传感监测技术的应用，无需改变海缆结构。随着海缆长度的增长，分布式光纤传感器在数据采集和处理方面优势突显，单位信息量的采集成本随测量点数的不断增加大幅降低;通过改善信号处理方式，参数测量和故障定位精度显著提高，可实现真正意义上的分布式、准确实时测量。

目前光纤传感监测技术在海油工程、海上风力发电及海岛供电等领域已有了较为广泛的应用，为工程中海缆的安全运行提供了一定的保障。

4.2    局部放电监测技术应用效果

比较上述几种检测方法，内置电容传感器虽然具有高灵敏度、抗干扰等优点，但在其安装过程中由于电缆附件受到损坏，电缆附件防水性能等问题亟待解决;电感耦合传感器具有高可靠性，安装便捷，不损坏电缆附件结构，但由于国外技术垄断，其应用推广成本较高;超声传感器目前在局放监测和定位中已有许多成熟应用，但受信号衰减制约，该方法对监测局放信号无法实现定量计算分析;光学传感器作为一种新型产品目前正处于研究中，离实际应用还有一定的距离。

经与相关设备厂家交流，了解到目前国内局部放电监测设备应用主要针对陆地电力电缆，监测范围主要是电缆中间接头以及距离较短的电力电缆，监测电缆长度从几十米到几百米，不能满足海缆的长距离要求。国外某厂家设备可以对10 km长度范围内的电力电缆进行局部放电监测，但不能对故障点进行准确定位，且对监测数据没有成型的系统或标准进行分析判断，需通过专家人为给出判断。因此，目前局放监测技术在海缆监测中应用的可行性较小。

4.3    海洋石油工程的海底電缆监测推荐方案

通过上述章节的研究分析可知，基于光纤传感的监测技术应用相对比较成熟，可适用于海洋石油工程中海底电缆的监测;基于局部放电的监测技术应用还存在比较大的局限性。

在目前技术水平的基础上，建议在海洋石油工程的海底电缆监测方面推广基于光纤传感的监测技术方案。针对海油工程中海缆故障绝大多数是由于渔船、工程船的锚害/拖拉引起的，建议将船舶自动识别系统（简称“AIS系统”）纳入监测系统，以便于在海底电缆受到锚害或拖拉之前或初期，识别出相关风险后，及时通过AIS系统对相关船只的动态进行跟踪，通过有效措施及时联系相关船只，避免故障的发生或加重。

受试验条件限制，海底电缆验收试验时，通常采用直流耐压试验进行绝缘测试，但这种方法存在许多缺陷。目前可替代的试验方法虽然能有效地反映电缆绝缘问题，但要求其试验装置具有很高的容量。建议在海底电缆验收试验时，选用更为有效的检验方法，进一步降低海底电缆带绝缘缺陷投入运行的风险。

5    结语

本文通过对基于光纤传感和基于局部放电的海底电缆在线监测技术的原理和应用效果进行分析，结合海洋石油工程中海缆常见问题，提炼出了适合于海洋石油工程的海底电缆在线监测系统方案，有利于提高海上油气田电网的可靠性，提高海底电缆运行状态的可控性，对可能存在的问题进行预警和故障判断，降低海底电缆维修及紧急停产的风险，为今后工程项目海底电缆在线监测系统的设计提供了参考。

[参考文献]

[1] 郑新龙，李世强，敬强，等.海底电力电缆的损伤分析与防护[J].电气技术，2013（12）：86-88.

[2] 李毅.复合海底电缆在线状态监测系统应用研究[D].保定：华北电力大学，2015.

收稿日期：2019-12-24

作者简介：李璇（1988—），女，河北人，电气工程师，主要从事海洋平台电力系统设计及研究工作。