一种基于热路模型分析的海底电缆埋深预测方法技术

本发明专利技术的目的是针对现有埋深监测方法的不便而提供的一种基于热路模型分析的海底电缆埋深预测方法，其特点是针对现有电缆埋深监测方法不利及时监测电缆埋深状态的问题，实现以更小的人力成本和材料损耗监测电缆埋深。以三芯电缆并联结构的稳态热路模型为研究对象，通过计算得到热路模型参数，根据输入的缆芯温度，减去电缆因载流量变化和埋设环境温度变化而引起的缆芯温度变化值，经过换算得到海缆实时埋深值，从而达到监测埋深的目的。本发明专利技术在仅利用在线监测数据和海缆结构参数的情况下，对海缆埋深进行预测，实现对海缆埋深的监测。实现对海缆埋深的监测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于热路模型分析的海底电缆埋深预测方法


[0001]本专利技术涉及海底电缆埋深监测领域，特别涉及一种基于热路模型分析的海底电缆埋深预测方法。

技术介绍

[0002]交联聚乙烯（Crosslinked Polyethylene，XLPE）电力电缆具有优良的电气性能，随着海洋资源调查和海洋开发进程的加快，海底电缆探测和识别已成为现代海洋工程测量水下管线探测的一项重要内容，并且一直是海洋工程测量中的一个技术难点。由于海底电缆是在海床下埋设，埋深的保护程度会有气象灾害、水文、地质运动以及人类活动等因素的变化受到一定的影响，所以就要在海底电缆运行维护过程中定时的掌握海底电缆埋深情况。如果出现埋深变浅、悬空、裸露等危险因素，能够对其进行及时的维护及修理，从而对海底电缆的正常运行进行全面的保护，并且提高海底电缆埋深监测的能力。海底电缆探测中，常见检测手段主要有磁力仪、多波束、侧扫声纳、海洋管线仪和水下ROV集成。常见的海底电缆检测手段主要是通过定期的人工排查而发现，但该种人工检测方式具有极大的不便。所以现有研究方向考虑更为容易和方便的在线监测，以减少人力和物力的使用。根据单芯电缆模型建立起三芯电缆并联结构稳态热路模型，为通过在线监测海底电缆缆芯温度数据、载流量和海缆埋设环境温度数据来监测海底电缆埋深提供模型支持。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于以海底电缆的缆芯温度、载流量、埋设环境温度为输入数据，结合具体海底电缆结构参数，分析海底电缆缆芯温度数据变化特征，根据三芯电缆稳态并联热路模型，得到海底电缆的埋深变化，实现对海底电缆的在线埋深监测。
[0004]为了实现上述专利技术目的，本专利技术利用了一种基于热路模型分析的海底电缆埋深预测方法，包括以下步骤，流程图见图1：1.获取海底电缆的缆芯温度、埋设环境温和载流量监测并获得海底电缆的缆芯温度数据、埋设环境温度数据和载流量。
[0005]2.提取输入数据的海底电缆缆芯温度数据特征由于海底电缆缆芯温度在埋深可变化范围内引起的变化很小，且缆芯温度在产生波动后，会达到一个新的温度稳定点，但其他类似于悬空、裸露和锚害等温度变化原因，会引起的缆芯温度波动很大，其远远超出埋深可引起的温度变化程度，会在缆芯温度数据变化曲线上呈现出一个恶化趋势。由此，便可以通过海底电缆缆芯温度数据变化特征，判断海底电缆状态变化原因。
[0006]3. 去除载流量变换和敷设环境温度变化对海底电缆缆芯温度的影响，利用模型计算得出海底电缆的实时埋深由于三芯电缆通入电流后，电缆会产生功率损耗，并以热能的形式向外传导。电缆各层内外表面的温度梯度与通过各层的热流服从傅里叶导热定律。当电缆温度场达到稳定
以后，参考传热学中建立多层材料热路的做法，将相同热阻率的材料归结为一层热阻，其次根据三芯电缆的温度场分布特征，不同结构的边界在同一等温线上时可作为热路模型中的节点。依据海缆的几何结构，将三个线芯支路并联排列，直至填充层处合并为一条支路。便可以得到图2的三芯电缆稳态热路模型。
[0007]由式（1）—（4）得出：（5）式中为海底电缆埋设环境温度，为电缆外护套表面温度，为铠装层温度，为绝缘外表面及金属屏蔽层温度，为缆芯温度，为绝缘材料热阻，为内衬层热阻，为外被层热阻，为海底电缆埋设环境热阻，为单个线芯绝缘及绝缘层屏蔽层的介质损耗，为单个线芯金属套及屏蔽的损耗因素，为单个线芯铠装层的损耗因素，海底电缆敷设环境温度和缆芯温度、海底电缆埋设环境热阻的关系，如式（5）所示。
[0008]将输入数据的缆芯温度数据带入三芯电缆稳态热路模型，根据IEC 60287标准计算导体交流电阻R和、、、、和，得到海底电缆导体交流电阻后，根据海缆初始敷设数据和输入数据的载流量数据，计算得出由于载流量变化产生的缆芯温度变化值，将输入数据的缆芯温度数值减去载流量影响的缆芯温度变化值，得到除去载流量变化的缆芯温度数据，然后将减去载流量影响的缆芯温度数据减去敷设环境温度变化数值就能得到海底电缆在埋深变化后的缆芯温度数据。
[0009]根据海底电缆埋设环境热阻：（6）式中为海底电缆埋设附近土壤的热阻系数，L为海缆埋深，为海底电缆的外被层外径。基于由海底电缆埋深变化得到的缆芯温度数据和公式（6），通过已知的海底电缆外被层外径和海底电缆埋设附近土壤的热阻系数，便可推算得出海底电缆的埋深值。
[0010]与现有技术相比，本专利技术的有益效果本专利技术以海底电缆中缆芯温度、载流量和埋设环境温度为输入数据，结合具体海底电缆结构，建立海底电缆缆芯温度、载流量、埋设环境温度和海缆埋深之间的联系。通过海底电缆缆芯温度数据，提取数据特征，分析海底电缆温度异常原因，除去由于载流量变化和埋设环境温度变化引起的缆芯温度变化，利用热路模型的环境热阻部分，计算得出实时埋深数值。这种基于三芯电缆并联结构稳态热路模型的海缆埋深监测方法区别于传统埋深监测方式，实现了在不借助外部设备的情况下，通过实时监测的缆芯温度数据、载流量和埋设环境温度数据，提取数据变化特征趋势，判断海缆埋深变化，节约了人力物力，达到了实时监测，及时排险的目的。
附图说明
[0011]图1为海底电缆埋深预测方法的流程图；图2 为三芯电缆稳态并联热路模型图。
具体实施方式
[0012]下面通过实例对本专利技术进行具体的描述，有必要在此指出的是本实例只用于对本专利技术进行进一步说明，不能理解为对本专利技术包括范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本专利技术的内容做出一些非本质的改进和调整。
[0013]结合实例，本专利技术方法具体步骤如下：1. 采集数据获得海底电缆缆芯温度数据、载流量数据和埋设环境温度数据。
[0014]2.分析缆芯温度数据，提取变化特征分析海底电缆缆芯温度变化状态，观察海底电缆缆芯温度数据是否产生变化，这一变化是否趋于稳定，若海底电缆缆芯温度一直降低或者升高，呈现变化加剧的趋势，则表明海底电缆缆芯温度变化原因可能是裸露、悬空、破损等其他会加剧海底电缆缆芯温度变化的故障原因。
[0015]3.抛开载流量变化和埋设环境温度变化对海底电缆缆芯温度的影响利用建立的三芯电缆稳态热路模型和输入数据的埋设环境温度数据和载流量，将因埋深改变后，稳定下来的缆芯温度值带入三芯电缆稳态热路模型，根据IEC 60287标准计算导体交流电阻R和、、、、和：（7）为绝缘材料热阻系数（Km/W），为导体和金属套之间的绝缘厚度（mm），为导体直径（mm）。
[0016]（8）为纤维材料的热阻，为内衬层厚度（mm），为金属套外径（mm）。
[0017]（9）为外护层厚度（mm），为铠装外径（mm）。
[0018]（10）为20℃导体的直流电阻（Ω/km），为导体温度系数。
[0019]（11） （12）为电缆电源频率50Hz，与导体结构有关，为固定值。
[0020]（13）（14）为导体直径（mm），S为三芯电缆导体轴心之间距离（mm），与导体结构有，为固定值。
[0021]（15）基于输入数据的缆芯温度数据、载流量和埋设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于热路模型分析的海底电缆埋深预测方法，其特征在于，所述方法包括：海底电缆的缆芯温度、载流量和埋设环境温度为输入数据，结合具体海底电缆结构参数，建立起三芯电缆并联结构稳态热路模型，基于海底电缆缆芯温度数据，提取数据特征，抛开载流量变化和埋设环境温度变化的影响，利用热路模型实现对海底电缆埋深的预测。2.对权利要求1一种基于热路模型分析的海底电缆埋深预测方法，其特征在于，所述提取数据特征方法包括：由于海底电缆缆芯温度在埋深可变化范围内引起的变化很小，且缆芯温度在产生波动后，会达到一个新的温度稳定点，但其他类似于悬空、裸露和锚害等温度变化原因，会引起的缆芯温度波动很大，其远远超出埋深可引起的温度变化程度，由此，便可以通过海底电缆缆芯温度数据变化特征，判断海底电缆状态变化原因。3.对权利要求1一种基于热路模型分析的海底电缆埋深预测方法，其特征在于，所述三芯电缆并联结构稳态热路模型如图2所示：由于三芯电缆通入电流后，电缆会产生功率损耗，并以热能的形式向外传导；电缆各层内外表面的温度梯度与通过各层的热流服从傅里叶导热定律，当电缆温度场达到稳定以后，参考传热学中建立多层材料热路的做法，将相同热阻率的材料归结为一层热阻，其次根据三芯电缆的温度场分布特征，不同结构的边界在同一等温线上时可作为热路模型中的节点；依据海缆的几何结构，将三个线芯支路并联排列，直至填充层处合并为一条支路，便可以得到图2的三芯电缆稳态热路模型；由式（1）—（4）得出：（5）式中 为海底电缆埋设...

【专利技术属性】
技术研发人员：李佳星，林钰，王力为，李茜，李豪，周洋华，苏天赐，张安安，
申请(专利权)人：四川铭学智能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：