摘要：跨海电网海底电缆由于缺乏有效的技术监测手段，导致海底电缆故障及停电事故时有发生。通过抽取海底电缆复合光纤作为分布式监测的传感元件，构建了海底电缆综合监测系统，实现对海底电缆运行状态实时在线监测，取得多项关键技术突破。
关键词：海底电缆；应力；温度；检测
随着海上风电等清洁能源进一步开发利用，跨海电网不断以更高电压等级向沿海岛屿延伸覆盖，高电压等级的海底电缆应用越来越广泛。海底电缆长期受海水侵蚀和海浪冲刷，阻水性能变差，随着绝缘老化，可能产生漏电流，出现海底电缆故障点局部温度升高。特别是受海洋作业、船舶锚害等外力破坏导致海底电缆断裂事故时有发生，严重威胁跨海电网安全稳定运行。
1工程概况
莆田石城海上风电场项目规划场址南依平海半岛，西临黄瓜岛，东连牛屿；总装机容量 200 MW。工程设置220kV升压变电站一座，采用陆上布置，布置于湖尾村西北侧的荒地上，220kV升压变电站设主变1台，容量为200MVA，升压后拟以一回220kV线路接入大蚶山220kV升压站，并入福建电网。
莆田平海湾海上风电场F区项目位于南日岛南侧平海半岛与南日岸线之间的海域；总装机容量 200 MW。工程设置220kV升压变电站一座，采用陆上布置，布置于南日岛南侧滨海滩地上，220kV升压变电站设主变1台，容量为200MVA，升压至220kV后以一回220kV向东北方向出线，沿着规划的路网向北敷设至坑口附近，后采用海缆敷设至登陆点，登陆后转换成陆缆敷设至石城海上风电场220kV升压变电站。
石城与F区220kV/35kV海缆联络示意如下：
2 海底电缆监测关键技术
2.1技术要求
海缆综合在线监测系统应基于先进的分布式光纤传感技术，包含“海缆扰动监测系统”、“海/陆缆温度监测系统”、 “海缆应力监测系统” 及“AIS海缆监控预警系统”四个子系统组成，对海缆的运行情况进行全方位监测；搭建海缆状态在线监测平台，为突发事件的做好记录与管理等功能。
2.2综合监测系统构建
光纤传感具有传输、感知外界信号(被测量)的功能。外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度(功率)、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即“感知”外界信号的变化。分布式传感元件运用海底电缆复合光纤，构建的海底电缆综合监测系统，简捷高效地实现对海底电缆运行温度、应力变化和振动事件的光纤在线监测，为进一步实用化打下基础。监测系统如图1所示。
图1海底电缆光纤监测系统构建示意
2.3温度和应变监测
基于光纤布里渊光时域反射仪(BOTDR)的分布式光纤传感监测技术，只需要对海底电缆传感光纤进行单侧检测，传感距离可达到几十千米以上。
光纤的温度和应变信息全都存在于布里渊散射信号频移、线宽和强度，利用布里渊散射谱的参量与温度和应变之间的对应关系，同时进行温度和应变分布式测量。由温度和应变引起的布里渊频移和强度的变化可用矩阵表示为
式中:△VB为布里渊频移的变化量;△PB为布里渊强度的变化量;CVT和CVε为布里渊频移的温度和应变系数;CPT和CPε为布里渊散射强度的温度和应变系数;△T为温度变化量;△ε为应变变化量。
布里渊散射强度与频移受温度与应变影响如下图2。
图2分布式光纤温度和应变监测技术原理
由图2可看出，当光纤某位置温度或应变发生变化时，布里渊散射光强度和频移同样会产生变化。所以，若想获得光纤某位置的温度和应变，就可以通过测量布里渊散射光的强度和频移来实现，应变和温度是利用布里渊频移和谱峰功率进行区分的，由于BOTD了实际检测时布里渊散射信号非常微弱，难以同时获得光纤温度和应变有效信息，分离温度和应变信息难度大。因此，单一的BOTD了技术很难同时有效实现海底电缆温度和应变的独立监测。
根据海底电源复合大量光纤资源可作传感器使用的有利条件，为了高效精准实现温度和应变检测，通过引入在陆地电缆监测中长期有效应用、投资费用较低的基于拉曼分布式光纤温度监测装置(distributed temperature sensing,DTS )，对海底电缆温度状态进行在线检测，测量精度可达1°C，空间分辨率±lm。同时将BOTD了用于海底电缆应力应变专项测量，既化解布里渊频移和谱峰功率(应变/温度)区分难题，又大大提高了海底电缆温度和应变监测的精度。
2.4海底电缆振动监测
基于瑞利散射的分布式光纤传感器对振动(声音)敏感的特性，在国防海洋安全领域率先开展了海底振动扰动监测技术研究。在一些重要场合也陆续开始安全防范技术应用研究。
海底电缆光纤振动监测技术原理是:将激光信号由监测装置激光器发出，再通过藕合器后划分为两路，其中一路作为海底电缆探测的光，另一路为参考光。探测光通过脉冲化，输入到被测海底电缆复合光纤中。光纤具有不均匀的特点，光脉冲在光纤内产生背向散射光，背向散射光将回到注入端。此时参考光与散射光进行相干接收，产生拍频(频率与声光移频时所加的频率相同)信号，通过解调该信号，结合船舶自动识别系统( automatic identification system, AIS )获取海底电缆海域过往船舶或违法抛锚事件等所产生某点有振动时的能量变化，进而掌握光纤监测海域范围内船舶通过、违规抛锚肇事和海上作业等所产生振动(声音)情况，并结合AIS和海底电缆敷设路由走廊资料情况，对探测到船舶锚害肇事等振动事件进行精确定位。如图3所示。
图3海底电缆光纤振动监测技术原理
海底电缆振动监测只需1根单模光纤即可实现全程长距离分布式探测，测量点多、线长、分布广，可在线准确地捕捉到可能发生危害海底电缆安全运行的振动信息，实时送出预警或警告信号，联动海底电缆综合系统的告警装置进行报警，实现对海底电缆全天候、不间断的安全监控。
3 海底电缆监测技术应用
海底电缆综合监测系统主要监测内容和技术参数如表1所示。
表1海底电缆监测主要内容及技术参数
4结语
海底电缆监测技术研究创造性化解了敷设海底传感光纤的技术难题，构建了海底电缆温度、应变和振动监测等综合科研平台，具有完全自主知识产权，这是光纤在通信领域广泛应用的基础上，在海底电缆监测领域又一成功应用。随着构建全球能源互联网倡议不断实施，研究成果在全球能源跨海互联、海上风力发电场、海上作业平台以及海洋国防安全等领域推广应用前景广阔。可研阶段三个项目投资预算为1800万元，经优化设计、三个项目使用一个综合监控平台，整体投资减少了三分之二。
参考文献：
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[3]胡文侃.110kV海底电力电缆在线综合监测新技术应用研究[D].浙江工业大学,2011,(08):27.
论文作者:林宜东
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/6
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