覃 華， 徐志鈕， 袁柏秋， 甘涌泉

(1.廣西電網公司 電網規(guī)劃研究中心， 南寧 530000；2.華北電力大學 電氣與電子工程學院， 河北 保定 071003)

隨著潿洲島的用電負荷隨著旅游業(yè)的增加而快速增長，島內用電缺口越來越大，同時由于缺乏主網支撐，臺風等自然災害容易使?jié)迧u供電系統癱瘓。為了解決該問題南方電網公司批準了潿洲島跨海聯網工程，該工程擬采用光電復合交流高壓海底電纜(下文簡稱海纜或高壓海纜)輸電。

海纜不僅造價十分昂貴，更為關鍵的是它長期處于復雜的海底環(huán)境中，運行和維護都非常困難，一旦發(fā)生故障停電造成的危害更大。因此，較之陸地電纜，海纜的壽命和可靠性方面的要求更高。高壓海纜在海底運行時還會承受電應力、熱應力、機械應力(地質變動、海洋潮汐、船只落錨、鉤掛、拖拽等破壞)和環(huán)境應力(海水的沖刷、侵蝕、微生物危害)的作用[1]，對海纜破壞的影響較大[2]。隨著海洋開發(fā)利用活動的日益增加，海域內船只的落錨和拖拽以及海浪沖刷和地質變動等可能會破壞海纜的事件會增加。海纜事故的發(fā)生比較頻繁、造成的后果也比較嚴重，有統計表明埕島油田2003-2013年海纜發(fā)生了37次故障[2]，2007年7月，福建平潭110 kV海纜被船錨拖斷造成全島大面積停電27天，損失嚴重，對社會造成重大影響[3]。相對于陸上電纜來說，海纜維修難度大，時間要求緊，施工風險大，維修成本也是陸上電纜的幾十甚至幾百倍。故障點的準確定位可以極大提高維修效率，對于海纜后續(xù)維修非常關鍵。因此，研究海纜狀態(tài)在線監(jiān)測、故障診斷及定位的有效方法，對于確保電網安全穩(wěn)定運行、實現智能電網，保障我國海島供電和海洋權益具有重要意義。

為了更好實施潿洲島跨海聯網工程，廣西電網公司聯合華北電力大學對潿洲島海纜監(jiān)測系統進行了前期研究提出了切實可行的解決方案。本文首先介紹了潿洲島跨海聯網工程及其實施的必要性，然后在綜述了現有海纜檢測手段及其不足的基礎上，提出了一種基于分布式光纖傳感技術的海纜溫度、應變快速監(jiān)測方法，詳細介紹了分布式光纖傳感技術原理以及測量方案并進行了驗證。針對現有海纜在線監(jiān)測系統的不足，采用有限元分析方法建立了海纜熱電耦合場和應變場模型，提出了構建實測光纖溫度、應變到海纜運行和故障狀況的關系模型以及基于光纖溫度和應變的海纜運行、絕緣和機械狀態(tài)評估和故障診斷方法的研究思路并初步進行了驗證。本文工作對潿洲島跨海聯網工程中海纜的監(jiān)測及海上風電平臺、海上石油鉆井平臺、大陸與島嶼、島嶼與島嶼間等跨海聯網工程海纜監(jiān)測具有較強的示范作用和推廣價值。

1 潿洲島跨海聯網工程介紹

潿洲島位于廣西北海市東南面北部灣海域中，距北海約37公里。潿洲島致力于打造成國內一流、國際知名的休閑度假海島，高規(guī)格的發(fā)展思路對能源供應提出了更高的要求。但長期以來，潿洲島電力供應來源單一、可靠性較低。隨著潿洲島旅游業(yè)的快速增長，近幾年島上用電負荷每年以30%以上的速度增長，2017年已出現2～4 MW電力缺口，而且主要是燃氣電廠供電，用電價格偏高，對潿洲島民生保障和旅游產業(yè)發(fā)展影響極大。此外，潿洲島電網由于缺乏主網支撐，一旦發(fā)生臺風等自然災害，島內供電系統可能癱瘓。而附近的斜陽島僅通過自備柴油發(fā)電機供電，尚不能確保24小時不間斷供電，島上居民和駐軍的用電可靠性較低。所以，有必要研究潿洲島與北海主電網跨海聯網方案，解決潿洲島孤網運行問題，為邊防駐軍提供可靠堅強的電力保障。

前期廣東電力設計研究院從供電能力、供電可靠性、建設條件、投資估算及經濟比較和電價角度比較了潛在的不聯網僅發(fā)展本地電源模式、本地電源主供加聯網輔助模式和聯網海纜線路主供模式，推薦采用聯網海纜線路主供加儲能模式作為潿洲島供電方案。聯網工程中海纜鋪設示意圖如圖1所示。

圖1 潿洲島聯網工程中擬定的海纜鋪設示意圖

2 分布式光纖傳感技術

2.1 現有海纜檢測手段的不足

目前針對電纜絕緣狀態(tài)的監(jiān)測技術主要有以下幾種：①介質損耗角正切(tanδ，簡稱介損)法，絕緣受潮、老化或發(fā)生局部放電時tanδ會增大，通過測量tanδ可以反映絕緣的整體性能[4]；②局部放電法，局部放電發(fā)生時在絕緣上會產生電壓的突變、特高頻的電磁波以及振動產生超聲信號。對應地，局部放電的檢測方法又可分為脈沖電流法、特高頻法和超聲波法[5]等；③接地電流法，絕緣老化或受潮后絕緣電阻通常會有不同程度下降，相應地，工作電壓下的泄漏電流會增加，故通過測量接地電流可以判斷電纜護套的狀態(tài)[6]；④紅外熱成像法[7]，泄漏電流和局部放電都會導致絕緣發(fā)熱并溫升，可用紅外熱像儀檢測電纜附件。這些方法廣泛應用于電纜檢測，對其可靠性的提高發(fā)揮了顯著的作用。由于現場電磁干擾強烈，前文提到的幾種基于電氣量的海纜絕緣檢測方法誤差偏大。局部放電檢測的超聲法和特高頻法僅能對海纜陸上部分的故障進行檢測，紅外熱成像法只能監(jiān)測電纜頭等局部區(qū)域，它們均無法應用于埋入海底的海纜部件的監(jiān)測。上述方法在海纜運行狀態(tài)(載流量)、絕緣狀態(tài)(老化、劣化、受潮和局部放電、擊穿)檢測的有效性欠佳，更為重要的是它無法監(jiān)測海纜由于地質變動、海洋潮汐、拉伸、拖曳、彎曲、鉤掛、錨砸等導致的機械故障。

綜上所述，以上方法無法為海纜全壽命周期范圍內可能出現的運行、絕緣和機械狀態(tài)進行監(jiān)測。如果未能及時進行故障預警，一旦發(fā)生故障，經濟損失巨大，因此迫切需要一種不受電磁干擾、安全可靠、長距離、不僅可以監(jiān)測運行狀態(tài)和絕緣故障、機械故障的在線監(jiān)測方法，而且設備還能耐海水腐蝕，分布式光纖傳感技術[8-9]正好可以滿足這一要求。

2.2 分布式光纖傳感技術

光在光纖中傳播可能會發(fā)生瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射[10]，如圖2所示。

圖2 瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射示意圖

對應的分布式光纖傳感技術主要包括基于瑞利散射的光時域反射技術(Optical Time Domain Reflectometry，OTDR)、基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感技術(Raman Optical Time Domain Reflectometry，ROTDR)和基于布里淵散射的分布式光纖溫度/應變傳感技術。OTDR利用背向散射光的強度提供對光纖衰減的測量，它主要用于測量彎曲、接續(xù)、損壞等產生的損耗沿光纖的空間分布，也可用來進行光纖斷裂等故障的空間定位。拉曼散射主要對溫度敏感，因此ROTDR主要實現溫度的分布式測量。三者中只有布里淵散射同時對溫度和應變敏感，可以實現溫度和應變的測量。根據傳感機制、信號處理方法的不同，基于布里淵散射的分布式光纖溫度/應變傳感器技術又分為基于自發(fā)布里淵散射的布里淵光時域反射(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer，BOTDR)技術、基于受激布里淵散射的布里淵光時域分析(Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA)技術、基于頻域分析的布里淵光頻域分析(Brillouin Optical Frequency Domain Analysis，BOFDA)技術和基于相干連續(xù)波的相關域布里淵傳感(Brillouin Optical Coherent Domain Analysis和Brillouin Optical Coherent Domain Reflectometer，BOCDA和BOCDR)技術。目前最為常用的還是BOTDR或BOTDA技術。該技術通過測量布里淵散射光，根據其中的布里淵頻移vB和散射光強PB(圖3)來實現溫度和應變的傳感。

圖3 布里淵譜、布里淵頻移和散射光強示意圖

由于布里淵頻移與光纖溫度和應變的關系滿足式(1)和(2)。

vB(T)=vB(T0,0)(1+CνTδT)

(1)

νB(ε)=νB(T0,0)(1+Cνεδε)

(2)

式中δT為溫度變化量；vB為布里淵頻移；δε為應變變化量；vB(T0, 0)為溫度和應變分別為T0和0時的布里淵頻移；CvT和Cvε分別為針對布里淵頻移的溫度和應變敏感系數。

根據式(1)和(2)以及實測的布里淵頻移即可推算出導致布里淵頻移變化的溫度和應變的變化量[11]。但該方式僅能將布里淵頻移變化歸結為僅由溫度或應變導致，無法同時測量溫度或應變?？紤]到溫度與應變與布里淵頻移和散射光強均成線性關系，即滿足：

(3)

式中δPB為散射光強的變化量；CPT和CPε分別為針對散射光強的溫度和應變敏感系數。

求解式(3)可得溫度和應變變化量計算公式[12]如下。

(4)

由于針對布里淵頻移和散射光強的溫度和應變敏感系數具有差異性，即滿足：

CνTCPε≠CνεCPT

(5)

因此，基于式(4)有望實現海纜中復合光纖的溫度和應變的同時測量。

分布式光纖傳感器不僅具有普通傳感器所具有的尺寸小、耐高溫和電磁干擾等優(yōu)點，還具有一條光纖即可代替成千上萬個傳感器、一次測量即可獲得幾十公里范圍內溫度和應變數據等優(yōu)點。由于高壓海底光電復合纜有大量備用光纖，利用備纖以及布里淵分布式光纖傳感技術完全有可能實現海纜溫度和應變的測量，進一步地可實現海纜狀態(tài)監(jiān)測。該方法無需敷設額外的光纖，同時監(jiān)測用的光纖也無需人工維護，成本較低且可以實現整條海纜狀態(tài)的在線監(jiān)測，具有很好的應用前景。因此潿洲島跨海聯網工程中海纜本體的監(jiān)測采用基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術。

現有基于光纖分布式傳感的海纜在線監(jiān)測系統[12-13]存在的問題主要有：①溫度和應變測量耗時較長，尤其是針對海纜較長時實時性較差；②針對測量得到海量數據應用的方法不多。

3 分布式光纖傳感在潿洲島海纜監(jiān)測中的應用

3.1 在線監(jiān)測方案

基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術主要包括BOTDR技術和BOTDA技術，二者對溫度和應變的傳感原理相似，如2.2節(jié)所示。區(qū)別在于前者是基于光在光纖中傳輸自發(fā)產生的布里淵散射導致，信號比較微弱，檢測更為困難，同等條件下測量精度和傳感距離偏低。但它的優(yōu)勢是單端入射，測量系統集中在一端即可。BOTDA技術基于受激布里淵散射，信號較強，基于它的傳感器的測量精度和傳感距離更遠。但該方式需要光纖雙端入射，且不能確定斷點位置，系統結構較復雜，造價較高。綜合考慮潿洲島海纜實際情況，本系統擬定BOTDR技術構建海纜溫度和應變的綜合監(jiān)測系統。

基于BOTDR的光電復合高壓海底電纜狀態(tài)監(jiān)測系統由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分主要由監(jiān)控計算機、定制的BOTDR和復合于海纜中的傳感光纖組成。其中，BOTDR包括光源、光脈沖形成單元、光電檢測單元和數據處理單元，如圖4所示。測量時光源發(fā)出的連續(xù)光，它被定向耦合器分成兩部分，一部分由電光調制器(Electrical Optical Modulator, EOM)調制為脈沖光后入射到傳感光纖，另一部分作為本振光。同時，入射的脈沖光在光纖中傳播的同時發(fā)生布里淵散射，散射光與本振光一起入射到光電檢測器進行外差檢測，取出差頻分量，對本振光進行掃頻獲得布里淵譜信號，它直接反映入射光頻率與散射光頻率之差與散射光強的關系。目前該系統已經在實驗室中構建。

采用數字信號處理方法再結合譜特征量提取方法對布里淵譜進行分析處理，可獲得較為準確的布里淵頻移vB和散射光強PB的測量值。然后根據式(1)、(2)或(4)來計算散射點光纖的溫度和應變值，再根據入射光與背向散射光時間差來確定散射點位置，最終得到光纖各點的溫度或應變值。軟件部分主要包括：①各種設置的控制，比如測量參數的設置、報警臨界值的設置；②布里淵頻移和散射光強以及溫度和應變的計算及測量結果不確定性的評估；③實測溫度和應變數據的顯示、存儲和查詢；④基于光纖溫度和應變的海纜狀態(tài)評估和故障診斷。

圖4 基于BOTDR的海纜溫度和應變綜合監(jiān)測系統構成框圖

常規(guī)的基于布里淵散射的海纜監(jiān)測系統通過掃頻測量布里淵譜方式測量溫度或應變，但由于為準確測量布里淵頻移需要較多的掃頻點數耗時較長，而頻率切換進一步增加了測量時間，導致系統實時性較差。為此，項目組在分析布里淵譜模型的基礎上將一種快速布里淵頻移測量方法[14]引入到海纜監(jiān)測系統中，該方法無需增加硬件環(huán)節(jié)而使監(jiān)測系統同時能有效減少溫度、應變的測量時間。

當脈沖寬度較大時布里淵譜表示如下：

(3)

式中g0為布里淵增益峰值；ΔvB為線寬；v為頻率(頻移)；vB為布里淵頻移；gB為增益。

當頻率固定為v0時改變布里淵頻移vB，則增益gB變化如圖5所示。

圖5 頻率固定時布里淵頻移與增益的關系

如果布里淵頻移在圖5的線性區(qū)間范圍內，布里淵頻移的變化導致v0對應增益近似線性變化，基于測得增益即可預測布里淵頻移，進而獲得光纖對應位置的溫度和應變。

基于中電科儀器儀表有限公司生產的AV6419型光時域反射計(BOTDR, Brillouin Optical Time Domain Reflectometry)搭建了光纖布里淵散射信號測量系統，選擇了1 km左右的G657A2型光纖。掃頻范圍為10.52～10.92 GHz，掃頻間隔為1 MHz，入射脈沖光波長和脈寬分別為1 550 nm和200 ns。疊加平均次數為214。為了采集更多的譜，采樣分辨率設置為0.1 m。綜合分析光纖特性及實際情況后快速應變測量方法的v0設置為10.704 GHz。由于脈寬為200 ns時布里淵譜近似滿足洛倫茲模型，因此對于實測布里淵譜信號采用基于洛倫茲模型的擬合算法[15]提取布里淵頻移，且掃頻間隔較小掃頻點數較多時這種基于非線性最小二乘擬合算法通常認為具有足夠高的準確性。兩種方法的計算結果如圖6所示。由圖6可知，兩種方法算得布里淵頻移隨測量點(光纖位置)變化趨勢比較吻合，二者差距并不大，差距的均值僅為2.80×10-1MHz，如果考慮溫度和應變敏感系數的典型值分別為1.2 MHz/℃和0.05 MHz/με，則該差距對應溫度和應變的差距僅分別為0.23 ℃和5.61 με。也就是說快速方法的準確性與普通掃頻方法接近，但前者僅需要測量1個頻率點，后者需要測量401個頻率點，而且前者無需耗時較長的頻率切換操作[16]。因此快速方法不僅有望達到不錯的測量準確性而且測量耗時大大減少。由于溫度和應變與布里淵頻移成線性關系，獲得布里淵頻移數據后結合式(1)和(2)即可獲得光纖上的溫度或應變，快速的應變測量即為振動測量。同時測量時間也與長度成正比[16]，因此，系統對于長度較短的海纜也具備一定的振動測量能力。

圖6 慢速的譜掃頻方法和快速的固定頻率方法得到布里淵頻移

3.2 基于溫度和應變的海纜狀態(tài)評估和故障診斷方法

海纜的運行狀態(tài)(載流量、溫度、電壓)、絕緣狀態(tài)(整體和局部的老化和受潮，局部放電，絕緣擊穿)和機械故障(拉伸、拖曳、彎曲、鉤掛、錨砸、海浪沖刷、海纜斷開)等都會使光纖的溫度和應變發(fā)生變化。正確識別出故障原因并評估嚴重程度，對于合理安排檢修計劃、制定檢修方案具有重要意義。目前已建立的基于BOTDR或BOTDA的海纜狀態(tài)監(jiān)測系統[12, 17]積累了大量光纖溫度和應變數據，但如何根據實測數據去評估海纜實際狀態(tài)、診斷海纜故障情況需要進一步研究。本節(jié)介紹了項目組在這方面的研究思路和前期工作。

為了能有效監(jiān)測海纜狀態(tài)和診斷故障情況，需要建立實測光纖溫度和應變到海纜運行狀況和故障狀況的關系模型。但由于真型海纜開展實驗的條件要求較高，而且如果全部采用實驗方式模擬海纜各種運行狀態(tài)耗時耗力且成本很高。因此，項目組前期采用有限元方法構建了海纜的熱電耦合場模型和應變場模型。

交流海纜正常運行過程中的主要熱源包括纜芯、金屬屏蔽層和鎧裝層的焦耳損耗以及絕緣層的介質損耗，計算這些損耗并添加到模型中作為熱源。模型中同時考慮通電導體電阻的動態(tài)溫升效應，耦合導體周圍交變磁場產生的趨膚效應和鄰近效應，采用有限元方法進行模型求解。分析環(huán)境溫度、載流量、海床土壤參數、絕緣的介損值、絕緣電阻值、故障區(qū)域形狀和位置等因素對光纖溫度分布的影響。由于潿洲島跨海聯網工程尚未具體施工，海纜的型號尚未最終確定，項目組針對典型的110 kV YJQ41×300 mm2光電復合海底電纜進行了建模分析。在COMSOL中的建模、剖分和計算結果如圖7-圖9所示。模型中d=5 m，設置海水的對流換熱系數h=200 W/(m2·K)。海纜載流量設置為額定值500 A。由于模擬夏季潿洲島附近海域情況，T1和T2的初始值設定為28 ℃，其等于海水和土壤的原始溫度。計算結果與改進IEC60287標準[18]計算結果及其差別如表1所示。

圖7 海纜熱電耦合場建模

圖8 海纜模型網格剖分

圖9 海纜溫度分布仿真結果

由表1可知，在纜芯和光纖溫度上兩種方法僅分別差0.09 ℃和0.08 ℃，而在海纜表層二者溫度相差為0.59 ℃，這是因為IEC標準方法在計算模型絞合結構的熱阻時引進的修正系數造成了較大誤差，而建模方法就不涉及上述問題。這初步驗證了以上建模方法的可靠性。

通過改變模型中的環(huán)境參數、載流量、海纜絕緣參數即可模擬環(huán)境、運行和絕緣狀態(tài)對光纖溫度的影響。因此，以上建模方法為相關因素對海纜中復合光纖溫度變化規(guī)律以及根據復合光纖溫度預測海纜絕緣狀態(tài)、診斷絕緣故障的研究奠定了基礎。根據海纜熱電耦合模型研究獲得海床溫度、光纖溫度與導體溫度的關系模型，基于該模型獲得根據海床溫度和光纖溫度的導體溫度預測方法。

表1 基于改進IEC標準方法和建模所得的海纜關鍵點溫度

由于地質變動、海洋潮汐、拉伸、拖曳、彎曲、鉤掛會導致海纜的拉伸和扭轉，它與錨砸一起是海纜在運行中可能遭受的典型機械受力和破壞情況。為了分析直線拉伸、扭轉、錨砸等情況對海底電纜各部件應變、應力的影響規(guī)律，分析海底電纜應力或應變及光纖應變之間的變化規(guī)律，本文提出采用有限元方法建立海纜的應力場模型，揭示以上各種故障情況下海底電纜應力或應變、損傷與光纖應變之間的變化規(guī)律，然后提取出基于光纖應變的海纜機械故障診斷方法的研究思路。本文采用有限元法在ANSYS中構建了錨砸時110 kV YJQ41×300 mm2光電復合海底電纜應力場模型，選取最具有代表性的660 kg霍爾錨作為錨砸故障的建模對象，考慮實際情況對錨進行了適當簡化，錨砸深度設置為8 cm，建立的模型和計算結果如圖10所示。根據以上建模結果可以提取出錨砸過程中海纜各部件的應變、應力、損傷程度以及光纖應變的變化，研究基于光纖應變評估海纜機械損傷程度的方法。

圖10 錨砸狀態(tài)下的海纜的建模和仿真結果

根據建模結果再結合海纜相關實驗進一步修正和調整海纜模型，根據海纜絕緣和機械故障情況下光纖應變的變化規(guī)律確定基于光纖測量結果的海纜絕緣和機械故障診斷方法。

4 結論

針對即將開展的潿洲島跨海聯網工程，本文基于光纖布里淵光時域反射技術，引入并驗證了一種快速布里淵頻移測量方法，基于此提出了一種高實時性的海底電纜溫度和應變的綜合監(jiān)測方法，探討了監(jiān)測系統的構成。進一步采用有限元方法構建了海纜的熱電耦合場模型和應變場模型并進行了初步驗證，為基于光纖溫度、應變的海纜運行、絕緣和機械狀態(tài)評估和故障診斷方法的提出奠定了基礎。

本文提出的解決方案對潿洲島跨海聯網工程中光電復合纜監(jiān)測系統的實現具有很好的指導價值，對類似跨海光電復合纜監(jiān)測系統的實現具有很好的參考價值。