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科技女王范儿 海上风电场海底高压电缆的故障监测方法

海底高压电缆是海上风电场传输电能的重要组成组成部分 ， 因此海底高压电缆的安全运行对海上风电电力系统至关重要 。
作者针对分布式光纤传感器在线监测海底高压电缆运行状况的方法 ， 利用有限元软件ANSYS建立XLPE海底高压电缆模型 ， 仿真分析海底高压电缆在不同故障形式下 ， 海底高压电缆内部物理量的变化 ， 为分布式光纤传感器在线监测海底高压电缆运行状态提供参考 。 最后 ， 根据这些仿真结果提出了一个信息融合的模型 ， 以方便综合利用这些特征量和提高定位精度 。
科技女王范儿 海上风电场海底高压电缆的故障监测方法
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随着海上风力发电的大力发展 ， 海底高压电缆的应用将越来越广泛 ， 但是由于运行和海底环境的不确定性 ， 海底电缆很容易出现绝缘损坏、锚伤等各类故障 。 一旦海底高压电缆发生故障而停止运行 ， 就会造成非常大的经济损失 。 因此 ， 为保障海底高压电缆的安全运行 ， 实时监测海底高压电缆的运行状况是非常必要的 。
海底高压电缆在线监测方法有分布式光纤测量法、直流成分法、接地线电流法和在线法等 ， 其中分布式光纤传感器测量法是目前最先进 ， 最有发展前景的一类测量方法 。
本文运用ANSYS仿真软件 ， 模拟海底高压电缆发生故障时的情况 ， 研究分布式光纤测量法监测的关键物理量、海底高压电缆在故障情况下的运行状态以及故障定位的可行性 。
1XLPE海底高压电缆
XLPE海底高压电缆的总体结构分为单芯和三芯两种 ， 其结构分别如图1所示 。 三芯结构相对于单芯结构损耗较小 ， 而单芯结构由于三相分开排列 ， 相对于三芯结构有利于散热 。 三芯结构的电缆由于三相之间的填充层有相对充裕的空间 ， 便于在其中加入光纤通道,本文主要针对三芯海缆进行分析 。
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图1XLPE海底电缆单芯结构与三芯结构
2分布式光纤传感技术
分布式光纤传感技术能够连续不间断地监测到光纤所在位置的一些物理量 ， 例如温度、压力等 。 同时由于光纤本身即是传感器 ， 因此不需要破坏电缆的整体结构即可以起到监测的作用 ， 非常有利于海底高压电缆对电缆防水、防压的特殊需求 。
分布式光纤传感技术原理见图2 ， 高功率激光脉冲入射到光纤中 ， 在传播过程中与光纤分子相互作用产生3种散射光 ， 即瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射 。
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图2分布式光纤传感器原理
拉曼散射式光纤传感器目前主要是用于监测电缆的内部温度 ， 但是由于拉曼散射光的波长较短 ， 能量也较弱 ， 使得其监测的距离较短 ， 所以拉曼散射式光纤传感器测量出来的电缆内部温度信息相对简单 。
而布里渊散射式的光纤传感最大的特点是能够同时测量电缆内部温度和应变 ， 同时由于布里渊散射光能量比较强 ， 所以光信号的衰减和色散都很小 ， 因此监测距离可以长达几十千米 ， 所以在长距离海底高压电缆在线监测技术中 ， 基于布里渊散射技术的分布式光纤传感器存在优势 。
3海底高压电缆仿真
3.1海底高压电缆故障常见的故障
海底高压电缆的设计、制造、铺设、运行和维护的过程中 ， 都存在可能导致海底高压电缆出现故障的隐患：
1）由于质量缺陷和不当运行而导致海底高压电缆故障 ， 一般概率比较低 。
2）当海底地质发生运动 ， 很容易对海底高压电缆产生挤压、拉扯作用 ， 对海底高压电缆的伤害是致命的 。 同时还由于海面船只抛锚 ， 重而尖锐的船锚也有可能对海底电缆造成破坏 ， 所以海底高压电缆主要的故障来自于外力的破坏 。
3.2海底高压电缆正常运行仿真
利用ANSYS仿真软件建立220kV交流海底高压电缆模型 ， 海底高压电缆各层尺寸如表3所示 。 用于仿真的图形工作站的电脑配置为：IBMSystemx3620M3服务器 ， 内存16G（限于硬件条件的限制 ， 电缆的轴向长度我们取有限的长度100m ， 与实际的长度有所区别） 。


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