基于分布式光纤测温的海底电缆埋深分析与计算方法技术

本发明专利技术公开了属于海底电缆运行和维护领域，特别涉及一种基于分布式光纤测温的海底电缆埋深分析与计算方法；该方法利用有限元仿真软件建立海底电缆在不同埋深、负荷电流、环境温度下的三维电热耦合有限元模型，利用该模型求解海底电缆温度场分布和变化，从中提取光纤温度数据；利用多元非线性拟合法处理仿真数据，获得以光纤温度、负荷电流、环境温度为自变量的海底电缆埋深计算公式；本发明专利技术可根据海底电缆内复合光纤的温度直接计算出海底电缆埋深，克服了传统扫海设备埋深探测效率低、成本高、实时难度大等缺点，具有计算速度快、资源消耗少、工程实施方便等优点，为海底电缆运维提供了新的思路和手段。供了新的思路和手段。供了新的思路和手段。

【技术实现步骤摘要】
基于分布式光纤测温的海底电缆埋深分析与计算方法


[0001]本专利技术属于海底电缆运行和维护领域，特别涉及一种基于分布式光纤测温的海底电缆埋深分析与计算方法。

技术介绍

[0002]海底电缆作为岛屿与大陆或岛屿间能源输送的主要通道，在电力传输和光纤通信中起着重要作用，一旦出现故障，会导致严重的社会和经济损失。为了对海底电缆进行机械保护，一般将其敷设于海床下1～3米处。然而，实践表明，海底电缆的埋深受洋流作用会发生变化，随着时间推移，其埋深往往会变浅，甚至出现裸露、悬空等现象，及时发现埋深变浅位置对保证海底电缆安全运行至关重要。
[0003]近年来，国内外敷设的海底电缆中一般都含有光纤，用于数据传输和基于分布式光纤传感技术的状态监测，分布式温度传感(DTS)越来越多地用于监测整个电缆线路的温度，以实现海底电缆绝缘温度监测和动态载流量计算。
[0004]然而，目前还没有一种实时有效监测埋深的方法。在此背景下，亟需找到一种分布式在线埋深检测方法，降低运维成本，提高运维效率。
[0005]自从海底电缆出现至今，研究人员和运维部门对埋深的探测从未停止。现有的方法有如下几种，第一种，以船锚最终的贯入深度作为衡量海底电缆埋深的主要指标，该方法需要考虑海床的地质，实用性不强；第二种，利用TSS350海底电缆检测系统通过感应电缆产生的交变磁场在空间分布上的几何特征，计算出电缆的位置和埋深数据，该方法监测埋深精度高，但测量距离受限，检测效率极低；第三种建立了海底电缆负载变化的热响应模型，利用数值方法分析有效热电阻率和埋深之间的映射关系，计算海底电缆埋深，该方法需根据现场情况建立有效热阻率和埋深之间的关系，计算至少需要几天的时间，实施效率低。
[0006]针对以上问题，本专利技术提出了一种基于分布式光纤测温的海底电缆埋深分析与计算方法，既能提高计算埋深的准确性和可靠性，又能克服实体实验的缺点。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于，提出一种基于分布式光纤测温的海底电缆埋深分析与计算方法，用于解决现有技术对于海底电缆埋深监测中探测效率低、成本高、实时难度大等缺点。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术提出的技术方案是，一种基于分布式光纤测温的海底电缆埋深分析与计算方法，其特征是所述方法包括：
[0009]步骤1：建立海底电缆在不同埋深、负荷电流、环境温度下的三维电热耦合有限元模型，利用该模型仿真海底电缆温度场分布和变化，具体方法如下：
[0010](1)选定有限元仿真软件，经过单元与材料模型选择、几何模型建立、网格划分、载荷施加等过程建立电缆和周围环境的电热学有限元模型；选择包含电压、温度自由度的三维单元，用于导体、铅合金护套和钢丝铠装的电热耦合分析；选定有温度自由度的单元构建其他结构层；由导热系数、密度和比热容确定材料特性；根据电缆结构、形状和尺寸确定几
何模型；采用非均匀方式进行网格划分；由电缆导体电流、电缆和环境初始温度、电缆与周围环境的换热系数和边界条件来确定载荷；
[0011](2)调用有限元仿真软件中的求解工具进行海底电缆的电热学计算，获得海底电缆运行中不同状态下各层温度分布和测温光纤的温度；根据工程现场海底电缆的最大埋深D，设置模型埋深范围为0
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Dm，并每隔0.17D取一个样本；根据工程现场实际环境温度设置温度范围为T1
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T2，每隔3℃取一个样本；利用有限元模型计算出海底电缆的载流量为C，电流变化范围设置为0.625C
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C，每隔50A取一个样本；对埋深、环境温度和电流的离散样本进行排列组合，获得多组数据，分别求解不同状态下的有限元模型，并从结果中提取光纤温度，获得充足的数据样本；
[0012]步骤2：利用多元非线性拟合法处理仿真结果，获得海底电缆埋深的计算公式，具体方法如下：
[0013](1)固定电流0.625C、埋深2m，令环境温度为自变量，光纤温度为因变量，对步骤1中计算得到的样本数据进行一元非线性拟合，得到关于环境温度的光纤温度一元方程；同理，得到分别以光纤温度为因变量，电流、埋深为自变量的另外两个一元方程；最终得到分别用环境温度、电流和埋深表示的光纤温度的三个一元方程；
[0014](2)将三个一元方程相加，合成三元非线性新方程；利用解析法将新方程转换为以埋深为因变量，环境温度、电流和光纤温度为自变量的方程；利用步骤1求解的样本数据，重新评估系数，得到新方程的系数；
[0015](3)取未拟合的数据集进行验证，将环境温度、电流和光纤温度带入三元新方程，求解埋深，与步骤1中求解的数据比较，修正三元新方程的系数。
[0016]本专利技术的有益效果：1、本专利技术充分利用各种仿真分析方法的特点，可准确地获取不同状态下海底电缆的温度分布；2、本专利技术克服实体试验实施难度大、成本高、效率低、数据提取困难等缺点；3、本专利技术提出了多元非线性拟合法求解海底电缆埋深的方法，计算速度快、资源消耗少、工程实施方便。
附图说明
[0017]图1为基于分布式光纤测温的海底电缆埋深分析与计算方法流程图；
[0018]图2为海底电缆内部结构；
[0019]图3为海底电缆埋设条件示意图；
[0020]图4为模型网格划分效果图；
[0021]图5为不同埋深、电流、环境温度下海底电缆温度分布图；
[0022]图6为不同环境温度、电流、埋深的光纤温度分布图；
[0023]图7为公式计算结果与实际埋深比较图；
[0024]图8为公式计算结果与实际埋深误差图；
具体实施方式
[0025]本专利技术给出的分布式光纤测温的海底电缆埋深分析与计算方法流程图如图1所示。下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的说明：
[0026]1、以110kV交流单芯XLPE绝缘为研究对象，其内部结构如图2所示，由内到外依次
为铜导体、导体屏蔽、XLPE绝缘、绝缘屏蔽、半导体阻水带、铅合金护套、沥青防腐层、高密度聚乙烯塑料护套、PET填充条、PP内称层、钢丝铠装、PP绳被层。在PET填充条层，对称分布两根光单元，该光单元结构由内到外依次为光纤、钢管和聚乙烯护套，钢管内置8根通信用普通单模光纤，处于松弛状态。
[0027]电缆的尺寸和各层结构的材料参数如表1
‑
3所示。导体屏蔽、XLPE绝缘和绝缘屏蔽电热特性相似，且导体屏蔽和绝缘屏蔽很薄，故合并绝缘层。
[0028]表1 电缆尺寸参数
[0029][0030]表2 PET和钢丝铠装尺寸参数
[0031][0032]表3 海底电缆材料参数表
[0033][0034]2、建立海底电缆和测温光纤的电热耦合有限元模型，利用该模型仿真不同状态下海底电缆的稳态温度场分布。
[0035]使用有限元仿真软件建立海缆有限元模型，需要经过单元与材料模型选择、几何模型建立、网格划分、载荷施加等步骤，具体内容如下：
[0036](1)模型设定...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于分布式光纤测温的海底电缆埋深分析与计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立海底电缆在不同埋深、负荷电流、环境温度下的三维电热耦合有限元模型，利用该模型仿真海底电缆温度场分布和变化，具体方法如下：(1)选定有限元仿真软件，经过单元与材料模型选择、几何模型建立、网格划分、载荷施加等过程建立电缆和周围环境的电热学有限元模型；选择包含电压、温度自由度的三维单元，用于导体、铅合金护套和钢丝铠装的电热耦合分析；选定有温度自由度的单元构建其他结构层；由导热系数、密度和比热容确定材料特性；根据电缆结构、形状和尺寸确定几何模型；采用非均匀方式进行网格划分；由电缆导体电流、电缆和环境初始温度、电缆与周围环境的换热系数和边界条件来确定载荷；(2)调用有限元仿真软件中的求解工具进行海底电缆的电热学计算，获得海底电缆运行中不同状态下各层温度分布和测温光纤的温度；根据工程现场海底电缆的最大埋深D，设置模型埋深范围为0
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Dm，并每隔0.17D取一个样本；根据工程现场实际环境温度设置温度范围为T1
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T2，每隔3℃取一个样本；利用有限元模型计算出海底电缆的载流量为C，电流变化范围设置为0.625C
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C，每隔50A取一个样本；对埋深、环境温度和电流的离散样本进行排列组合，获得多组数据，分...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕安强，安阳，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：