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

高壓海底電纜的安全穩(wěn)定運(yùn)行對于海上能源的開發(fā)具有重要的作用，海纜電纜的損壞主要由外力引起，針對分布式光纖傳感器在線監(jiān)測高壓海底電纜運(yùn)行狀況的方法，利用有限元軟件ANSYS建立XLPE高壓海底電纜模型，仿真分析海底電纜受到外力損壞時(shí)，內(nèi)部物理量的變化，為分布式光纖傳感器在線監(jiān)測高壓海底電纜運(yùn)行狀態(tài)提供參考。

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(huì)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(dòng)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(dòng)也會(huì)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 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?，可沿光纖長度方向連續(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1.1 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)散射光有三種成分：

（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。

1.2.1 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。

1.2.2 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（略）

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。

圖2.1 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2.2所示。

圖2.2受壓時(shí)壓強(qiáng)分布和軸向沿線曲線

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+絕緣層三種情況下，其內(nèi)部溫度場以及電場的變化。

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(huì)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(huì)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(huì)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(huì)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)。