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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( 二 )


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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表1海底高压电缆各层尺寸
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图3电缆正常运行时温度和电场分布图
通过添加电压边界条件 ， 使得海底高压电缆处于满负荷运行状态 ， 再对周围环境施加温度边界条件 ， 假定海底高压电缆处于30米深的海底 ， 仿真得到的海底高压电缆内部温度和电场分布如图3所示 。
从仿真结果可以看到 ， 海底高压电缆满负荷运行时内部最高温度为75℃ ， 最高场强为11.4MV/m ， 根据运行经验 ， 电缆正常运行时内部最高温度不超过90℃ ， 最高场强不超过35MV/m 。
3.3海底高压电缆绝缘老化仿真
假设海底高压电缆中间段0.5米范围内海底电缆的绝缘发生老化 。 假定电缆绝缘性能从损耗10%逐渐发展到损耗60% 。 其中电缆单相主绝缘10%和40%损耗的温度场（左图）和电场（右图）的结果如图4所示 。
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图4电缆绝缘老化运行时温度场和电场
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表2电缆单相绝缘老化温度场和电场
从表2可以知道 ， 因为电缆绝缘发生了老化 ， 使得电缆内部温度升高；而电缆内部温度升高又会加快电缆绝缘老化的速度 ， 如此恶性循环 。
为了防止故障范围扩大 ， 就必须在电缆绝缘老化开始的时候检测出来 ， 并且实时监控其绝缘性能 ， 当监测出电缆绝缘损耗达到一定程度 ， 可以方便的找出电缆绝缘损坏的地方 ， 这就要依靠电缆内部的光纤进行监测 ， 因此我们选取光纤经过的位置的温度 ， 来观察光纤所监测到的温度值 ， 如图5为绝缘损耗60%的温度曲线图：
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图5绝缘老化运行时温度和轴向沿线温度
由图5从海底电缆轴向沿线温度曲线可以看出 ， 海底高压电缆中间段发生老化的绝缘温度比其他部分明显要高 。 因此 ， 可以通过分布式光纤温度传感器监测海底高压电缆温度发生变化的点 ， 定位到绝缘老化位置 。 同时结合电场的监测 ， 我们同时还可以判断出绝缘老化的程度 。
3.4海底高压电缆绝缘杂质仿真
通过在绝缘层中添加材料来模拟绝缘层出现杂质 ， 来观察当出现这类情况时有哪些参变量发生变化：
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图6杂质距离导体1.6mm时温度场和电场
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表3杂质存在不同位置时温度场和电场
从图6和表3仿真结果看到：杂质距离导体越近 ， 绝缘层发生畸变的电场强度越高 ， 由于畸变的电场只与杂质的位置和大小有关系 ， 所以其影响的范围也仅限于杂质附近 。 原温度场并没有随畸变电场发生显著的变化 ， 而电场变化明显 。 如果可以利用分布式光纤电场传感器 ， 监测海底高压电缆绝缘发生变化的电场 ， 由此可以定位到杂质的位置 。
3.5海底高压电缆受压仿真
模拟海底高压电缆受到船锚、鹅卵石等外力挤压 ， 通过仿真得到的结果如图7所示 。
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图7电缆受压时压强和轴向沿线压强
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表4受压时压力场及传感器检测到的压强
从图7和表4仿真结果可以看到：当海底高压电缆受到外力挤压时 ， 电缆内部压强也发生了变化 ， 由轴向沿线压强曲线图可以看到 ， 海底高压电缆受压位置的压强比其他没有受压位置要高 ， 因此 ， 利用分布式光纤应变传感器 ， 监测海底高压电缆内部出现变化的应变 ， 由此定位到电缆受压的位置 。


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