海上风电场海底高压电缆故障监测方法的研究

黄 辉 郑 明 李 迪 蓝锦标

（1.五邑大学信息工程学院，广东 江门 529020；2.广东省电力设计研究院，广州 510663）

随着海上风力发电的大力发展，海底高压电缆的应用将越来越广泛，但是由于运行和海底环境的不确定性，海底电缆很容易出现绝缘损坏、锚伤等各类故障。一旦海底高压电缆发生故障而停止运行，就会造成非常大的经济损失。因此，为保障海底高压电缆的安全运行，实时监测海底高压电缆的运行状况是非常必要的。海底高压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[1-4]。

1 XLPE海底高压电缆

XLPE海底高压电缆的总体结构分为单芯和三芯两种，其结构分别如图1所示。三芯结构相对于单芯结构损耗较小，而单芯结构由于三相分开排列，相对于三芯结构有利于散热。三芯结构的电缆由于三相之间的填充层有相对充裕的空间，便于在其中加入光纤通道[1]，本文主要针对三芯海缆进行分析。

图1 XLPE海底高压电缆单芯结构与三芯结构

2 分布式光纤传感技术

分布式光纤传感技术能够连续不间断地监测到光纤所在位置的一些物理量，例如温度、压力等。同时由于光纤本身即是传感器，因此不需要破坏电缆的整体结构即可以起到监测的作用，非常有利于海底高压电缆对电缆防水、防压的特殊需求。

分布式光纤传感技术原理如图2所示，高功率激光脉冲入射到光纤中，在传播过程中与光纤分子相互作用产生3种散射光，即瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射[2-6]。

图2 分布式光纤传感器原理

拉曼散射式光纤传感器目前主要是用于监测电缆的内部温度，但是由于拉曼散射光的波长较短，能量也较弱，使得其监测的距离较短，所以拉曼散射式光纤传感器测量出来的电缆内部温度信息相对简单。而布里渊散射式的光纤传感最大的特点是能够同时测量电缆内部温度和应变，同时由于布里渊散射光能量比较强，所以光信号的衰减和色散都很小，因此监测距离可以长达几十千米，所以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。

3 海底高压电缆仿真

3.1 海底高压电缆故障常见的故障

海底高压电缆的设计、制造、铺设、运行和维护的过程中，都存在可能导致海底高压电缆出现故障的隐患。

1）由于质量缺陷和不当运行而导致海底高压电缆故障，一般概率比较低。

2）当海底地质发生运动，很容易对海底高压电缆产生挤压、拉扯作用，对海底高压电缆的伤害是致命的。同时还由于海面船只抛锚，重而尖锐的船锚也有可能对海底电缆造成破坏，所以海底高压电缆主要的故障来自于外力的破坏[7-11]。

3.2 海底高压电缆正常运行仿真

利用ANSYS仿真软件建立220kV交流海底高压电缆模型，海底高压电缆各层尺寸见表 3。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 海底高压电缆各层尺寸

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3所示。

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。

3.3 海底高压电缆绝缘老化仿真

假设海底高压电缆中间段 0.5m范围内海底电缆的绝缘发生老化。假定电缆绝缘性能从损耗10%逐渐发展到损耗60%。其中电缆单相主绝缘10%和40%损耗的温度场和电场的结果如图4所示。

图3 电缆正常运行时温度和电场分布图

从表2可以知道，因为电缆绝缘发生了老化，使得电缆内部温度升高；而电缆内部温度升高又会加快电缆绝缘老化的速度，如此恶性循环。为了防止故障范围扩大，就必须在电缆绝缘老化开始的时候检测出来，并且实时监控其绝缘性能，当监测出电缆绝缘损耗达到一定程度，可以方便的找出电缆绝缘损坏的地方，这就要依靠电缆内部的光纤进行监测，因此我们选取光纤经过的位置的温度，来观察光纤所监测到的温度值。图 5所示为绝缘损耗60%的温度曲线图。

表2 电缆单相绝缘老化温度场和电场

由图5所示的从海底电缆轴向沿线温度曲线可以看出，海底高压电缆中间段发生老化的绝缘温度比其他部分明显要高。因此，可以通过分布式光纤温度传感器监测海底高压电缆温度发生变化的点，定位到绝缘老化位置。同时结合电场的监测，我们还可以判断出绝缘老化的程度。

图4 电缆绝缘老化运行时温度场和电场分布图

3.4 海底高压电缆绝缘杂质仿真

通过在绝缘层中添加材料来模拟绝缘层出现杂质，来观察当出现这类情况时有哪些参变量发生变化。

图5 电缆绝缘老化运行时温度分布图和轴向沿线温度曲线图

图6 杂质距离导体1.6mm电缆绝缘杂质运行时温度场和电场分布图

从图6和表3仿真结果看到：杂质距离导体越近，绝缘层发生畸变的电场强度越高，由于畸变的电场只与杂质的位置和大小有关系，所以其影响的范围也仅限于杂质附近。原温度场并没有随畸变电场发生显著的变化，而电场变化明显。如果可以利用分布式光纤电场传感器，监测海底高压电缆绝缘发生变化的电场，由此可以定位到杂质的位置。

表3 杂质存在不同位置时的温度场和电场

3.5 海底高压电缆受压仿真

模拟海底高压电缆受到船锚、鹅卵石等外力挤压，通过仿真得到的结果如图7所示。

图7 电缆受压时压强分布图和轴向沿线压强曲线图

从图7和表4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，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。

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

4 结论

根据本文的仿真计算，海底220kV及以下高压电缆，同轴铺设6芯复合光纤。这个用来作为传感器使用的传感光缆，通过传感单元，进行光纤干涉信号的解调分离。再通过信号电缆将解调的信号，传递到中控计算机。进行信号的实时处理。

图8 分布式光纤测量原理

通过实时监测温度场、压力场和电场，最后可以将前文中介绍的这几类故障进行区分和提高故障定位的精度。在目前的研究过程中，所分析的样本和海底电缆参数主要参照中天海缆公司的220kV的三芯高压海底电缆，所设置的故障也是针对 220kV的海缆结构来设置。尚没有广泛的涉及其他电压等级与结构的海底电缆，准备下一步继续研究。但从ANSYS的场函数有限元结构分析来看，本次研究的结果也适用于其他电压等级和结构的海底电缆。

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