嚴(yán)有祥，黃杰，林智雄，陳朝暉

（國(guó)網(wǎng)廈門(mén)供電公司，廈門(mén)361000）

0 引言

充油海纜是一種適合高電壓、大容量輸送的電纜，在國(guó)內(nèi)外高壓輸電工程中得到了廣泛而成熟的應(yīng)用。充油海纜投入使用后，需要對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)以防止電纜事故的發(fā)生。最初的電纜安全監(jiān)測(cè)方法主要是絕緣電阻比較法和示波器法[1-2]。這兩種方法可以對(duì)電纜故障點(diǎn)進(jìn)行定位，但是不能對(duì)電纜進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警。針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了大量的研究，先后出現(xiàn)了差分法、局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)法、接地電流法、雙端行波測(cè)距法等[3]，這些方法雖能實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，但是存在信號(hào)識(shí)別差、監(jiān)測(cè)距離短、實(shí)際應(yīng)用效果不理想等缺陷。近年來(lái)，隨著分布式光纖測(cè)溫技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，溫度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為海纜監(jiān)測(cè)的主要方式。目前主要的分布式光纖測(cè)溫技術(shù)有基于瑞利散射、拉曼散射以及布里淵散射的光纖測(cè)溫技術(shù)[4]。其中基于布里淵散射的BOTDA技術(shù)在實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)溫的同時(shí)，還具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、空間分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，是海纜溫度監(jiān)測(cè)的首選技術(shù)[5]。光纖測(cè)溫技術(shù)只能測(cè)量電纜表面或者絕緣層以外的溫度，而導(dǎo)體溫度才是監(jiān)測(cè)電纜運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵因素，因此還需要通過(guò)一定的方法由光纖溫度反推導(dǎo)體溫度[6]。目前計(jì)算實(shí)時(shí)導(dǎo)體溫度的方法主要有熱路模型法和有限元溫度場(chǎng)建模技術(shù)[7]。相對(duì)于熱路模型法，有限元溫度場(chǎng)建模技術(shù)適用于多種計(jì)算場(chǎng)合，求解結(jié)果更加接近實(shí)際[8]。

有限元溫度場(chǎng)建模技術(shù)在XPLE電纜、光電復(fù)合電纜以及地下直埋電纜群的溫度監(jiān)測(cè)上得到良好的應(yīng)用[9-12]，但是該技術(shù)在充油海底電纜溫度監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用較為少見(jiàn)。本文針對(duì)常見(jiàn)的充油海纜工程，結(jié)合BOTDA技術(shù)和有限元溫度場(chǎng)建模技術(shù)，詳細(xì)論述了溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理和實(shí)現(xiàn)。通過(guò)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)海纜運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證海纜的安全有效運(yùn)行。

1 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的概述

1.1 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本框架

充油海底電纜的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本框架如圖1所示：

圖1 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架圖

溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用基于布里淵散射的BOTDA設(shè)備實(shí)時(shí)采集充油海纜中內(nèi)置光纖的溫度數(shù)據(jù)。BOTDA設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)將溫度數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)分析服務(wù)器，該服務(wù)器通過(guò)有限元溫度場(chǎng)建模技術(shù)完成光纖溫度到導(dǎo)體溫度的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)海纜線(xiàn)芯溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.2 BOTDA技術(shù)的基本原理

BOTDA技術(shù)是基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)。光在光纖中傳播時(shí)，在反方向產(chǎn)生散射光，包括了瑞利（Rayleigh）散射、布里淵（Brillouin）散射和拉曼（Raman）散射。布里淵散射是指入射到介質(zhì)的光波與介質(zhì)內(nèi)的彈性聲波發(fā)生相互作用而產(chǎn)生的光散射現(xiàn)象。布里淵頻移與光纖應(yīng)變、環(huán)境溫度成線(xiàn)性關(guān)系：

式中ΔVB為布里淵頻移變化量；Δε為光纖軸向應(yīng)變；ΔTR為光纖溫度。Cε和CT分別為布里淵散射頻移的應(yīng)變和溫度系數(shù)。

2 有限元溫度場(chǎng)建模技術(shù)

有限元法熱分析的基本原理是將處理的對(duì)象劃分為有限個(gè)單元，每個(gè)單元都包含若干個(gè)節(jié)點(diǎn)，再根據(jù)能量守恒原理求解給定邊界條件和初始條件下每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的熱平衡方程，得出各節(jié)點(diǎn)的溫度值后再求解出其他的相關(guān)量。熱場(chǎng)建模的求解精度取決于：海纜的幾何建模，網(wǎng)格劃分技術(shù)，有限元求解算法，海纜的熱性能參數(shù)，環(huán)境參數(shù)等。

有限元熱分析功能可通過(guò)大型有限元建模軟件ANSYS實(shí)現(xiàn)。該軟件熱分析建模流程包含如下三個(gè)主要步驟：（1）前處理：幾何建模；（2）求解：施加荷載并求解；（3）后處理：查看結(jié)果。其中前處理又包括：定義單元類(lèi)型、單元實(shí)常數(shù)、材料屬性以及建立幾何實(shí)體（幾何建模）。海纜溫度場(chǎng)可以按照?qǐng)D2所示流程圖進(jìn)行求解。

3 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 實(shí)時(shí)導(dǎo)體溫度的計(jì)算

BOTDA設(shè)備采集的是光纖溫度，而對(duì)海纜運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估的關(guān)鍵因素是導(dǎo)體溫度，因此需要通過(guò)有限元溫度場(chǎng)建模技術(shù)完成光纖溫度到導(dǎo)體溫度的推導(dǎo)。計(jì)算實(shí)時(shí)導(dǎo)體溫度需已知的條件包括電流載荷、光纖溫度、海纜結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)以及鋪設(shè)海域環(huán)境參數(shù)。實(shí)際工程中的海域環(huán)境參數(shù)是動(dòng)態(tài)變化的，需要通過(guò)有限元建模獲得準(zhǔn)確的環(huán)境參數(shù)?；谏鲜鲆阎獥l件，實(shí)時(shí)導(dǎo)體溫度的計(jì)算主要分以下兩個(gè)步驟進(jìn)行，如圖3所示：

圖2 海纜溫度場(chǎng)建模求解流程圖

圖3 實(shí)時(shí)導(dǎo)體溫度求解步驟

（1）獲取海纜敷設(shè)的環(huán)境邊界條件

在求解海纜的實(shí)時(shí)導(dǎo)體溫度時(shí)，首先要獲取正確的海纜敷設(shè)環(huán)境邊界參數(shù)。海域鋪設(shè)環(huán)境參數(shù)包括環(huán)境溫度和環(huán)境導(dǎo)熱系數(shù)，雖然可通過(guò)查詢(xún)鋪設(shè)海域的水文數(shù)據(jù)獲得大致數(shù)據(jù)范圍，但準(zhǔn)確的參數(shù)是隨著不同鋪設(shè)環(huán)境（包括埋深）和不同時(shí)間（月份季節(jié)）的變化而變化的。因此需要根據(jù)已知條件計(jì)算出準(zhǔn)確的環(huán)境參數(shù)。由IEC60287標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到海纜的損耗（導(dǎo)體損耗、金屬套損耗、絕緣損耗、鎧裝層損耗）之后，通過(guò)有限元溫度場(chǎng)建模技術(shù)可以獲得準(zhǔn)確的環(huán)境邊界條件，其原理圖如圖4所示，其修正流程圖如圖5所示。

圖4 環(huán)境邊界條件獲取原理圖

圖5 環(huán)境邊界條件修正流程圖

（2）有限元建模求解海纜實(shí)時(shí)導(dǎo)體溫度

獲取正確的環(huán)境邊界條件參數(shù)后，結(jié)合光纖溫度數(shù)據(jù)，即可利用有限元溫度場(chǎng)建模技術(shù)計(jì)算實(shí)時(shí)導(dǎo)體溫度。導(dǎo)體溫度計(jì)算如圖6所示：

圖6 導(dǎo)體溫度計(jì)算步驟

4 實(shí)例驗(yàn)證與分析

本文以廈門(mén)圍里變電站春圍Ⅱ路的220kV充油海底電纜工程為例，通過(guò)有限元溫度場(chǎng)建模技術(shù)計(jì)算海纜實(shí)時(shí)導(dǎo)體溫度。海纜主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料導(dǎo)熱系數(shù)如表1和表2所示。

在ANSYS中選擇8節(jié)點(diǎn)的二維實(shí)體單元進(jìn)行建模求解海纜的溫度云圖。首先根據(jù)表2建立海纜材料特性模型，然后根據(jù)表1建立電纜的幾何模型并進(jìn)行交疊運(yùn)算。海纜的幾何實(shí)體如圖7所示：

表1 充油海纜結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 充油海纜材料導(dǎo)熱系數(shù)

圖7 海纜幾何實(shí)體

幾何實(shí)體建立完成后，根據(jù)海纜每個(gè)結(jié)構(gòu)層的材料種類(lèi)，將材料模型與幾何實(shí)體進(jìn)行匹配，選擇自適應(yīng)的網(wǎng)格化分技術(shù)進(jìn)行全區(qū)域的網(wǎng)格劃分，如圖8所示：

圖8 全區(qū)域網(wǎng)格劃分

最后進(jìn)行有限元溫度云圖的求解。定義模型求解類(lèi)型為穩(wěn)態(tài)熱分析，輸入環(huán)境邊界參數(shù)值和模型的熱載荷。其中熱載荷值是由海纜的損耗轉(zhuǎn)換而來(lái)的，其轉(zhuǎn)換公式為：

圖9 有限元模型溫度云圖

其中Φ表示生熱率（J/m2）,Q 表示損耗（J），S表示損耗所在結(jié)構(gòu)層的橫截面積（m2）。模型求解的溫度云圖如圖9，由導(dǎo)體到環(huán)境邊界的電纜徑向溫度曲線(xiàn)如圖10所示。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)有限元溫度場(chǎng)建模技術(shù)，獲取不同電流和光纖溫度對(duì)應(yīng)的環(huán)境邊界條件，并制作成環(huán)境邊界條件表以供查閱。針對(duì)本項(xiàng)目的220kV充油海底電纜，采集不通電流下的光纖溫度，查閱環(huán)境邊界條件表獲取準(zhǔn)確的環(huán)境參數(shù)，再次通過(guò)有限元建模求解實(shí)時(shí)導(dǎo)體溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示：

表3 海纜實(shí)時(shí)導(dǎo)體溫度

圖10 海纜徑向溫度曲線(xiàn)圖

通過(guò)充油海纜的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體溫度的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。根據(jù)導(dǎo)體實(shí)時(shí)溫度曲線(xiàn)，可以進(jìn)行合理的海纜載荷調(diào)整。當(dāng)導(dǎo)體溫度偏高時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減小負(fù)載電流，使得導(dǎo)體溫度不超過(guò)最高工作溫度，保證海纜的安全運(yùn)行。當(dāng)導(dǎo)體溫度偏低時(shí)，可以適當(dāng)加大傳輸電流，充分利用海纜的負(fù)載裕度，提高海纜運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以廈門(mén)圍里變電站春圍Ⅱ路的220kV充油海纜工程為例，詳細(xì)論述了充油海纜的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理以及具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心是分布式光纖傳感技術(shù)與有限元溫度場(chǎng)建模技術(shù)的結(jié)合，內(nèi)容概述如下：

（1）采用基于布里淵散射的BOTDA技術(shù)實(shí)時(shí)采集海纜內(nèi)置光纖的溫度；

（2）由已知的實(shí)時(shí)電流及采集的光纖溫度，通過(guò)有限元建模獲取準(zhǔn)確的環(huán)境邊界條件；

（3）由實(shí)時(shí)電流、光纖溫度以及建模求解的環(huán)境邊界條件，通過(guò)有限元建模求解導(dǎo)體的實(shí)時(shí)溫度。

充油海纜的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為海纜負(fù)荷的調(diào)度提供依據(jù)，根據(jù)實(shí)時(shí)的溫度曲線(xiàn)調(diào)整傳輸電流的大小，既能保證海纜的安全運(yùn)行，又能提高海纜的工作效率。