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PPT| 高压直流海底电缆状态感知技术

2026-05-09 15:11:23

PPT| 高压直流海底电缆状态感知技术

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《2024年高压直流海底电缆状态感知技术报告》由华南理工大学的郝艳捧教授撰写，深入探讨了高压直流海底电缆的状态感知技术，包括载流量计算、埋深检测、涡激振动检测等方面的研究进展和应用前景。以下是这份报告的详细分析：

PART.01

背景与现状

高压直流海底电缆的重要性：高压直流海底电缆是实现超大规模海上风电远距离送电的关键设备，具有长度长、电压等级高的特点。交联聚乙烯（XLPE）因其耐高温、低损耗、易安装、电气性能与机械性能良好等优点，逐渐取代了充油电缆。

国内外高压直流海底电缆工程：报告列举了国内外多个高压直流海底电缆项目，如南澳±160kV DC XLPE、舟山±200kV DC XLPE、如东±400kV DC XLPE等，展示了高压直流海底电缆在实际应用中的广泛性和重要性。

海底电缆面临的风险：海底电缆敷设在复杂多变的海洋环境中，时刻面临自然和人为损伤的风险。例如，海床冲刷可能导致电缆埋深变化、裸露甚至悬空，严重时发生涡激振动，导致磨损和机械疲劳。一旦海底电缆发生故障，修复周期长，技术难度大，成本极其昂贵。

PART.02

现有状态检测技术的不足

光学检测：利用水下摄像机拍摄海底电缆光学图像，但图像质量较差，检测范围受限。

声学检测：利用声纳扫描海底电缆路由声学图像，分辨率较高，但受电缆深度限制。

磁学检测：利用磁力梯度仪检测海底电缆磁场信号，无法反映电缆弯曲，不能连续监测。

潜水员下潜：潜水员实地确认海底电缆敷设状况，但耗时长、检测深度有限且危险性高。

分布式光纤传感技术：内置于海底电缆中的光纤对温度、应变、振动敏感，但状态评估技术有待进一步研究。

PART.03

载流量计算

交流电缆与直流电缆的差异

交流电缆载流量计算考虑集肤效应、邻近效应、环流损耗和涡流损耗，而直流电缆载流量计算更为复杂，需要考虑空间电荷的积累。

直流电缆载流量计算方法

基于IEC 60287标准，提出了一种考虑电-热耦合的载流量计算方法。该方法通过有限元法建模，输入直流电场的电-热耦合控制方程与电缆性能参数，输出温度分布。

温度场迭代计算方法

提出了一种温度场迭代计算方法，通过有限元仿真计算，逐步逼近稳定温度分布，从而准确计算各绝缘层温度。

载流量计算结果分析

研究发现，直流电缆绝缘温差受施加电流影响较大，随着线芯中施加电流增加，绝缘温差显著增加。此外，电缆终端的载流量计算结果表明，未使用迭代方法时，线芯温度和XLPE绝缘最大温差偏小，可能导致终端允许载流偏大估计。

PART.04

埋深检测

埋深检测的重要性

准确的埋深检测对于评估海底电缆的安全性和稳定性至关重要。埋深不足可能导致电缆暴露在海床表面，增加受损风险。

现有埋深检测方法的局限性

现有方法如基于分布式光纤测量温度、负荷、电模及环境热模型计算埋深，但最大可检测深度仅11cm，实际埋深较大时不准确，且未考虑电缆动态温度场。

基于光纤温度的埋深检测方法

提出了一种基于光纤温度的埋深检测方法。通过建立电-热耦合有限元仿真模型，获取光纤温度、铠装垫层温度和铠装温度，修正铠装垫层和铠装层热阻。该方法能够更准确地计算埋深，最大误差仅12cm。

参数获取与计算

研究了海床表面温度和热阻的获取方法。海床表面温度可通过海水表面温度与水深的关系确定，热阻可通过电-热耦合有限元仿真模型修正。

PART.05

涡激振动检测

涡激振动的危害

涡激振动是海底电缆在海流作用下产生的周期性振动，可能导致电缆磨损和机械疲劳，严重时可能引发电缆故障。

仿真模型与分析

建立单芯光纤复合海底电缆无扭转的有限元仿真模型，采用流固耦合方法分析海底电缆涡激振动，提出扭转光纤位置应力的提取方法。

仿真结果

研究发现，低流速下出现“拍振”现象，高流速下出现“共振”现象，振幅较大。非扭转结构沿轴向的应力呈现对称分布，最大值出现在两端，中间出现较小的峰值。

光纤应力变化与涡激振动的关系

光纤应力变化频率与涡激振动频率相同，位置和长度可由应力变化最大值的位置确定，长度的节距数等于应力变化峰值数。

PART.06

结论与展望

载流量计算：载流量计算方法不仅用于海缆选型和绝缘结构设计，也是评估与温度相关的海缆状态的重要方法。直流海底电缆载流量计算需要考虑空间电荷的积累和绝缘层温差。

埋深检测：基于光纤温度的埋深检测方法能够更准确地计算埋深，需要进一步研究基于光纤监测温度边界条件下的载流海底电缆温度场数值计算方法。

涡激振动检测：光纤应力变化频率与涡激振动频率相同，位置和长度可由应力变化最大值的位置确定。未来需要进一步研究考虑光纤余长的涡激振动光纤传感模型。

局部放电检测：海底电缆局部放电目前较少发现，信号衰减快，km级后局部放电信号很难检测。外置式局部放电声波增强光纤传感器可能是海底电缆中间接头电性能检测的发展方向。

PART.07

未来发展方向

环境参数监测：需要进一步研究海底环境参数的监测方法，包括海床热阻、海床表面温度等，以提高载流量计算和埋深检测的准确性。

动态监测：根据海底电缆载流的日变化、周变化或月变化开展暂态热分析，基于光纤监测温度研究埋深计算方法可能是未来的发展方向。

传感技术改进：考虑光纤余长的涡激振动光纤传感模型，以及外置式局部放电声波增强光纤传感器，可能是未来海底电缆状态监测的重要发展方向。

初始状态数据：安装敷设后运行之初的初始状态数据是海底电缆状态评估的重要基础数据，包括绝缘选型数据、路由断测数据、制造工艺数据、敷设安装数据、各种试验数据等。

PART.08

总结

《2024年高压直流海底电缆状态感知技术报告》全面分析了高压直流海底电缆的状态感知技术，从载流量计算、埋深检测到涡激振动检测等多个方面进行了深入研究。报告不仅总结了现有技术的不足，还提出了改进方法和未来发展方向，为高压直流海底电缆的安全运行和状态监测提供了重要的理论和实践指导。

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