海上風電場海底高壓電纜的故障監測方法

海底高壓電纜是海上風電場傳輸電能的重要組成組成部分，因此海底高壓電纜的安全運行對海上風電電力系統至關重要。

作者針對分布式光纖傳感器在線監測海底高壓電纜運行狀況的方法，利用有限元軟體ANSYS建立XLPE海底高壓電纜模型，仿真分析海底高壓電纜在不同故障形式下，海底高壓電纜內部物理量的變化，為分布式光纖傳感器在線監測海底高壓電纜運行狀態提供參考。最後，根據這些仿真結果提出了一個信息融合的模型，以方便綜合利用這些特徵量和提高定位精度。

隨著海上風力發電的大力發展，海底高壓電纜的應用將越來越廣泛，但是由於運行和海底環境的不確定性，海底電纜很容易出現絕緣損壞、錨傷等各類故障。一旦海底高壓電纜發生故障而停止運行，就會造成非常大的經濟損失。因此，為保障海底高壓電纜的安全運行，實時監測海底高壓電纜的運行狀況是非常必要的。

海底高壓電纜在線監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法等，其中分布式光纖傳感器測量法是目前最先進，最有發展前景的一類測量方法。

本文運用ANSYS仿真軟體，模擬海底高壓電纜發生故障時的情況，研究分布式光纖測量法監測的關鍵物理量、海底高壓電纜在故障情況下的運行狀態以及故障定位的可行性。

1 XLPE海底高壓電纜

XLPE海底高壓電纜的總體結構分為單芯和三芯兩種，其結構分別如圖1所示。三芯結構相對於單芯結構損耗較小，而單芯結構由於三相分開排列，相對於三芯結構有利於散熱。三芯結構的電纜由於三相之間的填充層有相對充裕的空間，便於在其中加入光纖通道,本文主要針對三芯海纜進行分析。

圖1 XLPE海底電纜單芯結構與三芯結構

2 分布式光纖傳感技術

分布式光纖傳感技術能夠連續不間斷地監測到光纖所在位置的一些物理量，例如溫度、壓力等。同時由於光纖本身即是傳感器，因此不需要破壞電纜的整體結構即可以起到監測的作用，非常有利於海底高壓電纜對電纜防水、防壓的特殊需求。

分布式光纖傳感技術原理見圖2，高功率雷射脈衝入射到光纖中，在傳播過程中與光纖分子相互作用產生3種散射光，即瑞利散射、拉曼散射、布裡淵散射。

圖2 分布式光纖傳感器原理

拉曼散射式光纖傳感器目前主要是用於監測電纜的內部溫度，但是由於拉曼散射光的波長較短，能量也較弱，使得其監測的距離較短，所以拉曼散射式光纖傳感器測量出來的電纜內部溫度信息相對簡單。

而布裡淵散射式的光纖傳感最大的特點是能夠同時測量電纜內部溫度和應變，同時由於布裡淵散射光能量比較強，所以光信號的衰減和色散都很小，因此監測距離可以長達幾十千米，所以在長距離海底高壓電纜在線監測技術中，基於布裡淵散射技術的分布式光纖傳感器存在優勢。

3 海底高壓電纜仿真

3.1 海底高壓電纜故障常見的故障

海底高壓電纜的設計、製造、鋪設、運行和維護的過程中，都存在可能導致海底高壓電纜出現故障的隱患：

1）由於質量缺陷和不當運行而導致海底高壓電纜故障，一般概率比較低。

2）當海底地質發生運動，很容易對海底高壓電纜產生擠壓、拉扯作用，對海底高壓電纜的傷害是致命的。同時還由於海面船隻拋錨，重而尖銳的船錨也有可能對海底電纜造成破壞，所以海底高壓電纜主要的故障來自於外力的破壞。

3.2 海底高壓電纜正常運行仿真

利用ANSYS仿真軟體建立220kV交流海底高壓電纜模型，海底高壓電纜各層尺寸如表3所示。用於仿真的圖形工作站的電腦配置為：IBM System x3620 M3伺服器，內存16G（限於硬體條件的限制，電纜的軸向長度我們取有限的長度100m，與實際的長度有所區別）。

表1 海底高壓電纜各層尺寸

圖3 電纜正常運行時溫度和電場分布圖

通過添加電壓邊界條件，使得海底高壓電纜處於滿負荷運行狀態，再對周圍環境施加溫度邊界條件，假定海底高壓電纜處於30米深的海底，仿真得到的海底高壓電纜內部溫度和電場分布如圖3所示。

從仿真結果可以看到，海底高壓電纜滿負荷運行時內部最高溫度為75℃，最高場強為11.4MV/m，根據運行經驗，電纜正常運行時內部最高溫度不超過90℃，最高場強不超過35MV/m。

3.3 海底高壓電纜絕緣老化仿真

假設海底高壓電纜中間段0.5米範圍內海底電纜的絕緣發生老化。假定電纜絕緣性能從損耗10%逐漸發展到損耗60%。其中電纜單相主絕緣10%和40%損耗的溫度場（左圖）和電場（右圖）的結果如圖4所示。

圖4 電纜絕緣老化運行時溫度場和電場

表2 電纜單相絕緣老化溫度場和電場

從表2可以知道，因為電纜絕緣發生了老化，使得電纜內部溫度升高；而電纜內部溫度升高又會加快電纜絕緣老化的速度，如此惡性循環。

為了防止故障範圍擴大，就必須在電纜絕緣老化開始的時候檢測出來，並且實時監控其絕緣性能，當監測出電纜絕緣損耗達到一定程度，可以方便的找出電纜絕緣損壞的地方，這就要依靠電纜內部的光纖進行監測，因此我們選取光纖經過的位置的溫度，來觀察光纖所監測到的溫度值，如圖5為絕緣損耗60%的溫度曲線圖：

圖5 絕緣老化運行時溫度和軸向沿線溫度

由圖5從海底電纜軸向沿線溫度曲線可以看出，海底高壓電纜中間段發生老化的絕緣溫度比其他部分明顯要高。因此，可以通過分布式光纖溫度傳感器監測海底高壓電纜溫度發生變化的點，定位到絕緣老化位置。同時結合電場的監測，我們同時還可以判斷出絕緣老化的程度。

3.4 海底高壓電纜絕緣雜質仿真

通過在絕緣層中添加材料來模擬絕緣層出現雜質，來觀察當出現這類情況時有哪些參變量發生變化：

圖6 雜質距離導體1.6mm時溫度場和電場

表3 雜質存在不同位置時溫度場和電場

從圖6和表3仿真結果看到：雜質距離導體越近，絕緣層發生畸變的電場強度越高，由於畸變的電場只與雜質的位置和大小有關係，所以其影響的範圍也僅限於雜質附近。原溫度場並沒有隨畸變電場發生顯著的變化，而電場變化明顯。如果可以利用分布式光纖電場傳感器，監測海底高壓電纜絕緣發生變化的電場，由此可以定位到雜質的位置。

3.5 海底高壓電纜受壓仿真

模擬海底高壓電纜受到船錨、鵝卵石等外力擠壓，通過仿真得到的結果如圖7所示。

圖7 電纜受壓時壓強和軸向沿線壓強

表4 受壓時壓力場及傳感器檢測到的壓強

從圖7和表4仿真結果可以看到：當海底高壓電纜受到外力擠壓時，電纜內部壓強也發生了變化，由軸向沿線壓強曲線圖可以看到，海底高壓電纜受壓位置的壓強比其他沒有受壓位置要高，因此，利用分布式光纖應變傳感器，監測海底高壓電纜內部出現變化的應變，由此定位到電纜受壓的位置。

4 總結

根據本文的仿真計算，海底220kV及以下高壓電纜，同軸鋪設6芯複合光纖。這個用來作為傳感器使用的傳感光纜，通過傳感單元，進行光纖幹涉信號的解調分離。再通過信號電纜將解調的信號，傳遞到中控計算機。進行信號的實時處理。

圖8 分布式光纖測量原理

通過實時監測溫度場、壓力場和電場，最後可以將本文3.1中的這幾類故障進行區分和提高故障定位的精度。在目前的研究過程中，所分析的樣本和海底電纜參數主要參照中天海纜公司的220kV的三芯高壓海底電纜，所設置的故障也是針對220 kV的海纜結構來設置。

尚沒有廣泛的涉及其它電壓等級與結構的海底電纜，準備下一步繼續研究。但從ANSYS的場函數有限元結構分析來看，本次研究的結果也適用於其它電壓等級和結構的海底電纜。

（編自《電氣技術》，標題為「海上風電場海底高壓電纜故障監測方法的研究」，作者為黃輝、鄭明 等。）