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，內(nèi)部物理量的變化，為分布式光纖傳感器在線監(jiān)測高壓海底電纜運行狀態(tài)提供參考。

隨著海上風力發(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)生故障而停止運行，就會造成非常大的經(jīng)濟損失。統(tǒng)計資料表明，95%的海纜損壞是由于人類進行漁業(yè)、航運等活動造成的，主要為捕撈漁具、船錨等造成的外力損壞，同時，海洋地質(zhì)活動也會給海纜運行帶來不確定性，因此，實時監(jiān)測海底電纜的運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，最有發(fā)展前景的一類測量方法。本文運用ANSYS仿真軟件，模擬海底高壓電纜發(fā)生外力損害故障時的情況，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

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，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)點外，它還具有以下特點：

（1）空間范圍大

分布式光纖傳感器可在大空間范圍連續(xù)進行傳感，這是相對于其他傳感器的突出優(yōu)點。

（2）結(jié)構(gòu)簡單，使用方便

傳感和傳光為同一根光纖，有時僅為一般的通信光纖，所以傳感部分結(jié)果簡單，使用時也只要將此傳感光纖鋪設(shè)到被測量處即可。

（3）性價比高

由于分布式光纖傳感器可在大空間連續(xù)、實時進行測量，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運用在海纜的監(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)系進行傳感，利用光時域反射技術(shù)進行定位，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間內(nèi)的平均值，這樣有可能降低對溫度監(jiān)測的實時性和精確性，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)測海纜主要有兩個研究方案：基于布里淵光時域反射（BOTDR）技術(shù)的分布式光纖傳感技術(shù)；基于布里淵光時域分析（BOTDA）技術(shù)的分布式光纖傳感技術(shù)。時域方法檢測的是布里淵散射光的時域波形，傳感距離比較長，可達到幾十千米以上。BOTDR利用的是自發(fā)布里淵散射，只需要對海纜進行單側(cè)測量，實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現(xiàn)測量的一個關(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 電纜正常運行時溫度和電場分布圖

從仿真結(jié)果可以看到，海底高壓電纜滿負荷運行時內(nèi)部最高溫度為75℃，最高場強為11.4MV/m，根據(jù)運行經(jīng)驗，電纜正常運行時內(nèi)部最高溫度不超過90℃，最高場強不超過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和內(nèi)部光纖傳感器檢測得到的壓強分布曲線，如圖2.2所示。

圖2.2受壓時壓強分布和軸向沿線曲線

從仿真結(jié)果可以看到：當海底高壓電纜受到外力擠壓時，電纜內(nèi)部壓強也發(fā)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，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

當海底電纜受到外力作用持續(xù)時間長，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發(fā)生變化。當海底電纜鎧裝層受到損傷但沒有傷透時，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，還能維持正常運行一段時間。

如果破損達到填充層，海底電纜內(nèi)部溫度場和電場強度也幾乎沒有變化，但是因為填充層的剛性不足以承受深水壓力，海底電纜會在很短的時間內(nèi)發(fā)生短路故障。最嚴重的是損傷直達絕緣層，絕緣層不但剛性遠不如鎧裝層，更嚴重的是海底電纜內(nèi)部的電場強度會急劇升高，使得電纜絕緣層由于高場強而發(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進行了仿真，當海底電纜受到外力擠壓時，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，都會對海底電纜的安全運行造成威脅。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)。