基于分布式光纤传感技术的海底电缆状态监测

海底电缆是岛屿和海上石油平台供电、海上风电场输电的重要通道，实时获取运行状态，确保其安全稳定运行，对保障社会与经济发展意义重大。由于海底电缆深埋海底，人工巡检方式实现困难，采用电子式测量手段存在电磁干扰严重、不能在线检测等突出问题，利用分布式光纤传感技术进行状态监测可以克服目前存在的问题，具有测量距离长、精度高、实时性好、不受电磁干扰等优点。本书采用层层深入的方式，首先介绍海底电缆及传统监测方法、分布式光纤传感技术，然后详细阐述基于分布式光纤传感技术的海底电缆状态监测关键技术、海底电缆状态参量的获取、海底电缆电热与机械故障的建模与试验、海底电缆故障检测与诊断、基于分布式光纤传感技术的海底电缆状态监测软硬件系统。本书内容是作者多年研究成果的原创性总结，可为海底电缆运维提供全新的状态监测手段和系统全面的技术指导。

海底电缆是岛屿和海上石油平台供电、海上风电场输电的重要通道,实时获取运行状态,确保其安全稳定运行,对保障经济与社会发展意义重大。由于海底电缆深埋海底,人工巡检方式实现困难,采用 电子式测量手段存在电磁干扰严重、在线检测困难等突出问题,利用分布式光纤传感技术进行状态监测 可以克服以上问题,具有测量距离长、精度高、实时性好、不受电磁干扰等优点。 本书总结了作者近10年的研究成果,全面系统地介绍了基于分布式光纤传感的海底电缆状态监测理论、 技术和软硬件实现方法。全书共7章,主要包括海底电缆及传统监测方法、分布式光纤传感技术、基于分布 式光纤传感的海底电缆状态监测关键技术、海底电缆状态参量的获取、海底电缆电热与机械故障的建模与试 验、海底电缆故障检测与诊断、基于分布式光纤传感技术的海底电缆状态监测软硬件系统。

吕安强，男，工学博士，副教授，博导，华北电力大学电子与通信工程系副主任（副处级）、光电信息技术研究所副所长，担任河北省光电网学会副会长、中国电机工程学会高级会员、CIGRE国际大电网会议B1.80工作组委员；入选河北省“三三三人才工程”；担任国家自然科学基金委评审专家、教j育y部博硕士研究生学位论文评审专家、河北省高新技术企业认定评审专家、国内外10多个权c威期刊的评审专家。长期从事分布式光纤传感技术及其智能电网状态监测方面的研究，在海底电缆状态监测方面有10多年的理论研究和工程实践经验。主持国家自然科学基金2项、教j育y部中央高校专项资金2项、河北省自然科学基金1项、企业科技项目10多项；公开发表SCI、EI及核心以上论文50余篇，获国家发明专利授权20余项；获河北省科技进步二等奖、山东省科技进步三等奖、中国电力技术发明三等奖。

前言 第1章 海底电缆及传统监测方法 1 1.1 海底电缆介绍 1 1.2 海底电缆监测方法 3 本章小结 7 第2章　分布式光纤传感技术 8 2.1 分布式光纤衰减测量技术 9 2.2 分布式光纤温度传感技术 11 2.3 分布式光纤应变传感技术 122.4 分布式光纤振动传感技术 13 本章小结 15 第3章 基于分布式光纤传感的海底电缆状态监测关键技术 16 3.1 分布式光纤应变和温度传感系统参数优化配置方法 16 3.2 传感光路关键点定位方法 25 3.3 传感光纤布里渊频移的应变和温度系数标定新方法 31 3.4 分布式光纤温度和应变的同时区分测量 37 本章小结 49 第4章 海底电缆状态参量的获取 50 4.1 海底电缆热路模型建模与分析 50 4.2 海底电缆电热耦合有限元建模与分析 60 4.3 海底电缆热学试验 65 4.4 海底电缆与传感光纤的应变关系理论分析 67 4.5 海底电缆力学有限元建模与分析 70 4.6 海底电缆力学试验 73 4.7 海底电缆振动分析 76 本章小结 82第5章 海底电缆电热与机械故障的建模与试验 83 5.1 海底电缆短路与漏电故障分析 83 5.2 海底电缆锚害故障建模与试验 875.3 海底电缆涡激振动有限元建模与分析 94 本章小结 106 第6章 海底电缆故障检测与诊断 107 6.1 海底电缆故障特征分析 107 6.2 海底电缆故障检测与诊断算法 108 本章小结 116 第7章 基于分布式光纤传感技术的海底电缆状态监测软硬件系统 117 7.1 海底电缆状态监测硬件系统设计 117 7.2 海底电缆状态监测软件系统设计 121 本章小结 139 参考文献 140

海底电缆的使用已超过百年,在近几十年得到广泛的应用。随着沿海经济 的快速发展、海岛供电需求的大幅上升、海上工作平台和海上风电场建设规模 的增大,海底电缆已经成为给海洋开发活动提供能源支撑的纽带。近年来随着 光纤通信技术的发展和制造水平的提高,以及交联聚乙烯 (CrossLinkedPolyethylene,XLPE)绝缘技术的发展,采用光纤复合技术的 XLPE绝缘海底电缆 (简称海底电缆)开始逐渐得到推广应用。 海底电缆逐渐承担起电力输送和信息通信的双重作用,其重要性得到进一 步提升。然而,海底电缆结构复杂、质量大、价格高,在运输、敷设、运行中 受盘绕、拉伸、锚砸、钩挂、洋流冲刷、负荷电流变化等各种因素影响,锚害、 磨损、绝缘劣化、短路等故障时有发生,给生产和生活带来了巨大的经济损失。 据统计,交联聚乙烯绝缘电缆在运行初期,因为电缆、附件、敷设安装等质量 问题易发生故障;运行中期,线路故障率较低,但故障类型很多,主要包括绝 缘老化故障、附件界面处沿面放电、外力破坏等;运行末期,电缆本体绝缘发 生树枝老化、电热老化、附件老化等现象,电力电缆的故障率大幅上升。由于 海底电缆比一般电力电缆结构更复杂、运行环境更恶劣,导致其生命周期更短、 故障率更高。因此,研究一种有效的海底电缆健康状态监测方法,实时检测海 底电缆的机械和电气故障,及时发现故障隐患并进行故障诊断,是保障海底电 缆正常运行的重要条件之一。本书全面系统地介绍了基于分布式光纤传感的海底电缆状态监测理论、技 术和软硬件实现方法。全书共7章,第1章关于海底电缆及传统监测方法,介绍 了海底电缆的应用背景、领域和在输电中的重要作用,给出了单芯和三芯海底 电缆的通用结构,海底电缆常规监测方法优缺点;第2章介绍了适用于海底电 缆监测的分布式光纤传感技术基本原理,包括衰减、温度、应变和振动的分布 式测量;第3章介绍了基于分布式光纤传感的海底电缆状态监测关键技术,包 括传感系统参数优化配置、现场传感光路关键点定位、光纤应变和温度系数标 定、应变和温度区分测量等;第4章介绍了海底电缆状态参量的获取,包括利 用热路模型、有限元模型求解导体和光纤的温度关系及应变关系,以及试验验 证方法;第5章介绍了海底电缆电热与机械故障的建模与试验,对短路、漏电、锚害、涡激振动进行了建模、试验和分析,给出了故障特征数据;第6章介绍 了海底电缆故障检测与诊断,包括故障特征分析和诊断算法;第7章介绍了海 底电缆状态监测软硬件系统,给出了系统设计方案和实现方法,将光纤传感、 视频监控、船舶信息自动识别等技术结合起来,实现了海底电缆的全方位健康 状态监测。 本书由华北电力大学吕安强著,是作者近10年海底电缆状态监测理论研究 和工程实践的总结,内容跨学科,交叉特色明显,作者所在团队老师和研究生 参与了研究工作。感谢李永倩、杨志、李星蓉、孙景芳、潘德锋等老师对研究 工作的支持,感谢张旭、段佳冰、陈永、寇欣等研究生对研究工作的贡献。 本书研究内容得到国家自然科学基金委员会、河北省自然科学基金委员会、 国网福州供电公司、国网舟山供电公司的基金和项目资助,得到上海电缆研究 所、上海上缆藤仓电缆有限公司的试验支持,在此表示感谢。 由于作者水平有限,加之光纤传感技术及海底电缆监测技术发展迅速,新 概念、新应用层出不穷,书中难免存在疏漏之处,恳请广大专家、读者批评 指正。