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基于分布式光纖傳感技術(shù)的高壓海底電纜外力損壞仿真

2012-09-22 02:45:52
電氣技術(shù) 2012年12期
關(guān)鍵詞:布里淵鎧裝海纜

陸 瑩 黃 輝

(1.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院,廣州 510663;2.五邑大學(xué)信息工程學(xué)院,廣東 江門 529020)

隨著海上風(fēng)力發(fā)電等海上能源的大力發(fā)展,高壓海底電纜的應(yīng)用將越來越廣泛,一旦海底電纜發(fā)生故障而停止運(yùn)行,就會造成非常大的經(jīng)濟(jì)損失。統(tǒng)計(jì)資料表明,95%的海纜損壞是由于人類進(jìn)行漁業(yè)、航運(yùn)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(shí),海洋地質(zhì)活動也會給海纜運(yùn)行帶來不確定性,因此,實(shí)時(shí)監(jiān)測海底電纜的運(yùn)行狀況是非常必要的。高壓海底電纜在線監(jiān)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(jìn),最有發(fā)展前景的一類測量方法。本文運(yùn)用 ANSYS仿真軟件,模擬海底高壓電纜發(fā)生外力損害故障時(shí)的情況,研究分布式光纖測量法監(jiān)測的關(guān)鍵物理量、海底高壓電纜在故障情況下的運(yùn)行狀態(tài)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(shù)

1.1 分布式光纖傳感器的定義和特點(diǎn)

分布式光纖傳感器是利用光波在光纖中傳輸?shù)奶匦裕裳毓饫w長度方向連續(xù)地傳感被測量(溫度、應(yīng)變等)的信號傳輸系統(tǒng)。此時(shí),光纖既是傳感介質(zhì),又是被測量的傳輸介質(zhì)。傳感光纖的長度從一千米達(dá)上百千米,很適合應(yīng)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(yōu)點(diǎn)外,它還具有以下特點(diǎn):

1)空間范圍大。分布式光纖傳感器可在大空間范圍連續(xù)進(jìn)行傳感,這是相對于其他傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)。

2)結(jié)構(gòu)簡單,使用方便。傳感和傳光為同一根光纖,有時(shí)僅為一般的通信光纖,所以傳感部分結(jié)果簡單,使用時(shí)也只要將此傳感光纖鋪設(shè)到被測量處即可。

3)性價(jià)比高。由于分布式光纖傳感器可在大空間連續(xù)、實(shí)時(shí)進(jìn)行測量,因此可在沿光纖長度范圍內(nèi)獲得大量信息。所以,與點(diǎn)式傳感器相比,其單位長度內(nèi)信息獲取的成本大大降低。

圖1 分布式光纖傳感器的系統(tǒng)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(shí)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(nèi)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(shí)域分布光纖檢測系統(tǒng)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(tǒng)、基于布里淵散射的分布式光纖檢測系統(tǒng)和瑞利散射的分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)。當(dāng)前,前二種形式的研究和在海纜中的應(yīng)用較多,后一種形式由于其自身的限制而很少單獨(dú)運(yùn)用在海纜的監(jiān)測中。

1)基于拉曼散射分布式光纖傳感器測量系統(tǒng)

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(zhì)、溫度等參量之間的關(guān)系進(jìn)行傳感,利用光時(shí)域反射技術(shù)進(jìn)行定位,以構(gòu)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(tǒng)產(chǎn)品相對較多,技術(shù)較為成熟。但是拉曼后向散射系數(shù)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(shí)間內(nèi)的平均值,這樣有可能降低對溫度監(jiān)測的實(shí)時(shí)性和精確性,而且拉曼散射只對溫度敏感,無法對海纜應(yīng)力的變化進(jìn)行相應(yīng)的檢測。

2)基于布里淵散射的光纖傳感器測量系統(tǒng)

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(yīng)變場。目前,基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)來監(jiān)測海纜主要有兩個(gè)研究方案:基于布里淵光時(shí)域反射(BOTDR)技術(shù)的分布式光纖傳感技術(shù);基于布里淵光時(shí)域分析(BOTDA)技術(shù)的分布式光纖傳感技術(shù)。時(shí)域方法檢測的是布里淵散射光的時(shí)域波形,傳感距離比較長,可達(dá)到幾十千米以上。BOTDR利用的是自發(fā)布里淵散射,只需要對海纜進(jìn)行單側(cè)測量,實(shí)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(tǒng)比較復(fù)雜,但是測量精度高。

布里淵散射與拉曼散射的一個(gè)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(shí)現(xiàn)測量的一個(gè)關(guān)鍵因素。

在長距離海底高壓電纜在線監(jiān)測技術(shù)中,基于布里淵散射技術(shù)的分布式光纖傳感器存在優(yōu)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(lián)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(jié)構(gòu)及其參數(shù)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(wù)器,內(nèi)存16G(限于硬件條件的限制,電纜的軸向長度我們?nèi)∮邢薜拈L度100m,與實(shí)際的長度有所區(qū)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(shù)

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(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),再對周圍環(huán)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(shù)為 350W/(m2/℃)。仿真得到的海底高壓電纜內(nèi)部溫度和電場分布如圖2所示。

圖2 電纜正常運(yùn)行時(shí)溫度和電場分布圖

從仿真結(jié)果可以看到,海底高壓電纜滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)內(nèi)部最高溫度為75℃,最高場強(qiáng)為11.4MV/m,根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),電纜正常運(yùn)行時(shí)內(nèi)部最高溫度不超過90℃,最高場強(qiáng)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(qiáng)和內(nèi)部光纖傳感器檢測得到的壓強(qiáng)分布曲線,如圖3所示。

圖3 電纜受壓時(shí)壓強(qiáng)分布圖和軸向沿線壓強(qiáng)曲線圖

表4 電纜受壓(船錨擠壓)時(shí)壓力場及光纖傳感器檢測到的壓強(qiáng)

從仿真結(jié)果可以看到:當(dāng)海底高壓電纜受到外力擠壓時(shí),電纜內(nèi)部壓強(qiáng)也發(fā)生了變化,由軸向沿線壓強(qiáng)曲線圖可以看到,海底高壓電纜受壓位置的壓強(qiáng)比其他沒有受壓位置要高,因此,可以利用分布式光纖應(yīng)變傳感器,監(jiān)測海底高壓電纜內(nèi)部出現(xiàn)變化的應(yīng)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(dāng)海底電纜受到外力作用持續(xù)時(shí)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(chǎn)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(nèi)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(nèi)部溫度場和電場均會發(fā)生變化。當(dāng)海底電纜鎧裝層受到損傷但沒有傷透時(shí),海底電纜內(nèi)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(yùn)行一段時(shí)間。如果破損達(dá)到填充層,海底電纜內(nèi)部溫度場和電場強(qiáng)度也幾乎沒有變化,但是因?yàn)樘畛鋵拥膭傂圆蛔阋猿惺苌钏畨毫?,海底電纜會在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生短路故障。最嚴(yán)重的是損傷直達(dá)絕緣層,絕緣層不但剛性遠(yuǎn)不如鎧裝層,更嚴(yán)重的是海底電纜內(nèi)部的電場強(qiáng)度會急劇升高,使得電纜絕緣層由于高場強(qiáng)而發(fā)生擊穿。

3 結(jié)論

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

[1] 李小峰,唐興佳.高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣海底電纜載流量分析[J].實(shí)用技術(shù)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(tǒng)[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù), 2010(1): 38-42.

[3] 龍望成,高炎輝,關(guān)根志.交叉互聯(lián)接線的交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電力電纜絕緣在線監(jiān)測理論分析[J]電力自動化設(shè)備, 2008(3), 59-63.

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

[5] 吳廣寧、電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的理論與實(shí)踐[M].清華大學(xué)出版社, 2005.

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