专利名称：监测柔性电力电缆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过测量附接到或结合入电力电缆中的光纤的 应变，来监测连接到移动海上平台的电力电缆的弯曲和应变的系统。
背景技术：
海上设施，例如石油/天然气钻塔、处理平台、半潜式设施等越 来越多地通过电力电缆与岸上设施、固定的海底i殳施或另外的海上 设施连接。在浮动钻塔的情况下，电力电缆就会由于波浪翻滚、风 压和/或潮沙运动遭受重复的运动和弯曲。
为了承受浮动海上设施的运动，电力电缆必须有些柔性。然而，
寿命。电力电缆的使用寿命不仅由它所遭受的弯曲数目确定，而且 还由弯曲的幅度、沿电缆上任意点中的实际应变、弯曲的频率等来 确定。
利用光纤测量应变在本领域中是公知的，但是现有技术中提出 的解决方法使用沿光学路径的多个传感器点。
名称为"用于预警状况的分布式检测和定位的光纤传感系统
(Fiber-optic sensing system for distributed detection and localization of alarm conditions)"的美国专利No. US6876786描述了 一种光纤传 感器系统，该系统包括具有多个敏感元件的光纤。该系统旨在使用 光纤内布雷格(Bragg)光栅进行大结构的结构监测。布雷格光栅具 有窄的反射光谱带，其在光谱中的位置取决于像温度和轴向应变等 特定的条件。
US6876786的授权文本中记载了 "众所周知，这种包4舌光纤传 感网络、信号解调和解复用子系统的、基于光纤内的微弱反射布雷格光栅的完整传感系统仍旧非常昂贵"。所述布雷格光栅传感器不仅 昂贵，而且非常敏感，因此安装更为复杂。
4专感器阵歹寸(Fiber optic microbending sensor arrays including mircorbend sensors sensitive over different bands of wavelengths of light)，，的美国专利US51 18931描述了 一种在测量应变的光学路径上 嵌设有微弯传感器的光纤传感系统。
所述微弯传感器可以提供 一 种针对许多应用的简单解决方案， 并具有通过使用OTDR技术定位干扰的能力，但是这种方法遭受到 传感光缆中信号脉沖能量的大幅度损失和反向散射光信号的很小能 量。这极大地限制了检测器系统的传感长度。在电缆中使用微弯传 感器的缺点是在电缆上或电缆内需要空间扩大部分用于容纳所述传 感器。
增加所述系统总的传感长度的一种方案是把所述传感长度分成 若干个部分，每个部分连接到单独的光纤。这种方案的明显缺陷是 增加了安装复杂性和利用若干不同的光缆测量一个弯曲轴的复杂 性。
发明内容
本发明的优选实施例是提供一种系统，用于监测弯曲以估计连 接在固定点与一个可运动点之间或连接在两个可运动点之间的电力 电缆的应变。电力电缆上的应变是由所述可运动点的运动造成的电 缆弯曲而引起的。所述固定点可以是陆上设施或固定的海底设施， 所述可运动点可以是浮动i殳施或平台。如果该系统包括两个可运动
点，那么这些可运动点可以是浮动"i殳施或平台。
所述电力电缆用于将电力输送至所述平台或从平台输送电力。 所述电力电缆的运动和弯曲是通过测量附接到或结合入电力电缆的 光纤中的应变来测量的。电力电缆中的弯曲将在光纤中引起应变， 并且该应变将改变所述光纤的光学特性。光学特性的所述变化将改变光散射的光谱特性，所述光谱特性可以通过光时域反射计(OTDR )
或光频域反射计(OFDR)来测量和分析。通过光纤中的应变，可以 计算电力电缆的运动或弯曲，根据对电力电缆弯曲的估计，可以计 算电力电缆中的应变。
本发明提出 一种实时监测到浮动海上设施的电力电缆的实际弯 曲的系统。这使得监测单元能够记录所述电力电缆的弯曲以用于估 算。根据这种基于软件或基于专家的估算，可估计出电力电缆的剩 余使用寿命。可以计划维护/修复操作，也可以降低断电(这在海上 设施中代价极其高的)的风险。
相较于现有技术中描述的在光学路径上设有分散的大量的变换 器的方案，本发明不仅成本较低而且易于安装。所述光纤传感器可 以在生产电缆时就包含在电力电缆内。相较于安装分散的应变传感 器而言，在制造过程中安装少量的连续光纤成本较低。
本发明需要安装至少一根光纤来测量一个应力轴的整个传感长 度中的应力，而现有技术中的变换器上较高程度的信号脉沖能量损 失可能要求若干根光纤，每根光纤只测量整个传感长度的一部分中 的应力。
在本发明中，电力电缆可以传输AC (交流电流)或DC (直流 电流)，且电力电缆中的电压等级可以是中压(l-50kV)或高压 (〉50kV)。
根据本发明的一个实施例，所述系统包括作为连续分布应变 测量传感器的至少 一根光纤，且该光纤附接到所述电力电缆或设置 在所述电力电缆内；被配置为将光信号发送至所述光纤的装置；被 配置为从所述光纤接收光信号的装置；以及被配置为分析所述接收 到的光信号以确定所述电力电缆的时变弯曲的装置。
根据本发明的 一 个实施例，所述光纤被附接到所述电力电缆的
根据本发明的一个实施例，所述光纤被配置在电缆内的材料之 一中或配置在电力电缆的两种不同材料之间。
6根据本发明的 一 个实施例， 光纤取代。
根据本发明的 一 个实施例， 围绕电力电缆等距离定位。
根据本发明的 一 个实施例， 90度间隔定位。
根据本发明的 一 个实施例， 缆布置成直线。
根据本发明的 一 个实施例， 状围绕所述电力电缆缠绕。
根据本发明的 一 个实施例， 被包含进所述电力电缆中。
根据本发明的 一 个实施例，
根据本发明的 一 个实施例，
根据本发明的 一 个实施例， 连续波。
根据本发明的 一 个实施例，
OTDR和/或OFDR来分析。
才艮据本发明的 一 个实施例， 弯曲。
根据本发明的 一 个实施例，所述监测系统适于当电力电缆的所 述估计弯曲超过上限值时，发出警报。
根据本发明的 一 个实施例，所述监测系统适于记录所述电力电 缆的弯曲。
根据本发明的 一 个实施例，所述监测系统适于计算所述电力电 缆的累计总弯曲应力。
根据本发明的 一 个实施例，所述监测系统适于根据所述电力电 缆的累计弯曲应力，估计未来进行维护/修复的时间。
根据本发明的一个实施例，所述电力电缆与其它管子和管道捆
电力电缆中的一条或多条铠装线被
光纤的数量大于等于2，且所述光纤
两根光纤相对于电力电缆的圆周以
所述光纤被配置成沿着所述电力电
所述光纤呈螺旋式或螺旋形几何形
所述光纤在所述电缆的生产过程中
所述光信号为单色脉冲。 所述光信号为单色连续波。 所述光信号为具有幅度调制的单色
从所述光纤接收的所述光信号通过
所述分析适于估计所述电力电缆的在 一 起，且所述监测系统适于估计所述捆束的累计总弯曲应力。
将通过参照在附图中部分地示出的实施例对本发明进行说明。
图1示出了高压电力电缆的横截面的示意图。
图2示出了连接到固定海底设施的浮动海上设施示意图。
图3示出了瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射、 拉曼(Raman)散射的示意图。
图4示意性地示出了光纤围绕电力电缆的可能布置。
具体实施例方式
这里提供了对优选实施例的详细描述。然而，应当理解本发明 可以用多种形式实现。因此，这里公开的具体细节不应被理解为限 制性的，而应当理解成权利要求的基础以及教导本领域技术人员以 实质上任何适合的具体系统、结构或方式来使用本发明的代表性基础。
图1示出了其上可以使用本发明的高压电力电缆的横截面的示 意图。高压电力电缆可以由一条、两条、三条或更多单导体电缆组 成。图1示出的电力电缆由三根单导体电缆芯线1-3组成。每条单导 体电缆芯线具有被包围在绝缘层5内的金属中心导体4,其中绝缘层 5被电缆屏蔽6围绕。所述电缆芯线设置有一个或多个共用的外部 层，例如铠装线7和外部护套8，用于将所述电缆芯线保持在一起并 进行机械保护。位于所述电缆芯线之间的空间内的填充绳9被广泛 用于建立电缆的圓形轮廓，以及避免三芯电缆具有三角形外部轮廓。 圓形电缆在电缆的生产和安装中易于处理。
本发明的目的是将光纤包括在电力电缆的结构中。存在许多能 够将一根或多根光纤包括在电力电缆中的可能位置。所述光纤传感 器可以附接到，例如电缆屏蔽6、填充绳9、或者附接在铠装线7之 中，或者在外部护套8内的各层之间。在上述海上应用中使用光纤作为传感器具有许多优点。所述光 纤由电绝缘材料构成，因此不需要任何电缆，这使得可以将它们应 用在高电压和高电流环境中，例如将光纤附接到电力电缆。光纤的 材料在化学上是惰性的，不会遭受例如盐水的腐蚀。
此外，所述光纤不受电磁干扰(EMI)的影响，并且具有一个很 宽的工作温度范围。
图2为通过连接器12连接到固定海底设施11的浮动海上设施 10的示意图。连接器12可以是向所述浮动设施提供电力的电力电 缆。 一根或多根光纤13附接到该连接器。测量/监测装置14发送光 信号并分析反射信号以实时确定连接器上的弯曲或应变。装置14还 确定连接器遭受的应力的频率和幅度。装置14还具有基于过去应力 和/或对未来应力的估计来估计连接器剩余使用寿命的功能。根据该 对剩余使用寿命的估计，可以计划维护和修复操作，并极大地降低 断电，即电力中断的风险(所有这些对于海上设施而言代价是相当 高的)。
当连接器(电力电缆或"脐带式"连接的形式)由于所述浮动平台 的运动而受到弯曲时，连接固定点和浮动平台的、在电力电缆中或 绑缚到该电力电缆上的光纤将遭受张力。
在现有技术中，微弯传感器或所述布雷格光栅传感器测量沿着 测量传感长度的多个点处的弯曲。本发明中，整根光纤本身就是应 变测量传感器，它能够沿着整个测量传感长度连续测量应变。
图3为瑞利散射22、布里渊散射21以及拉曼散射20的示意图。
沿着光纤的芯线传输的光遭受由杂质和晶格边界引起的所谓瑞 利散射22。所述拉曼20和布里渊21效应在中心主要光波长旁边的 散射光中产生光谱边带。遭受机械应变的光纤根据该应变以布里渊 21光镨的波长偏移来改变它的光语特性。
本发明并没有使用例如微弯传感器或光纤布雷格光栅传感器的 专用传感器/变换器，而是使用光纤本身。传感的原理则可以基于拉 曼散射或布里渊散射。例如，可以利用依赖于布里渊频移的温度或
9应变。
图4示意性地示出了光纤在电力电缆内或围绕电力电缆的可能 布置。
一种典型的安装包括四根光纤32，其围绕连接器并以90度间隔 布置。本发明的其它实施例将包括三根光纤31或两根光纤30。例如， 对于电力电缆而言，所述光纤可以被放置在柔性电缆的铅护层和聚
在光纤上会存在可测量的应变。
然而，所述铺设长度应当明显长于所述监测单元的空间分辨率。 所述光纤被连接到布置在所述海上设施台板上的监测单元。该单元 可实时监测所述连接的衰减-位置曲线并记录该曲线。光谱强度对时 间的函数曲线可转换为时域应变曲线。最终，可以计算出电缆随时 间的弯曲，并且能够估计出电缆上累计的弯曲应力。通过该计算而 估计出的弯曲应力对于电力电缆而言是电缆护层的弯曲应力。
在海上设施内的电缆安装过程中，嵌设或附接到电力电缆的光 纤会存在损坏的风险。本发明的 一 个实施例是安装具有冗余光纤的 电力电缆。如果需要四根光纤来监测电缆设施的运动和弯曲，那么 电缆可以装设六根或八根光纤以保证冗余度。
光纤可以沿着电力电缆布置成直线或者可以将光纤呈螺旋式或 螺旋形几何形状围绕所述电力电缆缠绕。
尽管这里描述的实施例示出了光纤在电缆外部或内部某些特定 位置的定位，但本发明可应用于更多配置。海底电缆可以包括以不 同顺序排列的许多不同层，例如铠装层、衬垫层、塑料和金属护层， 屏蔽层、护套、填充物、绝缘层、半导电层和导体。根据本发明的 所述传感光纤可被配置在这些组成部分的任意组成部分之间或其内 部。
浮动的海上设施通常通过本领域公知的"脐带式"连接与其它海 上设施或陆上设施连接，其中所述脐带是柔性连接，电力电缆以及 材料传输管道、信号连接捆束(光和电)的任意一个全在柔性护层或管道中。本发明可用于估计这个脐带连接的弯曲并监测该连接的 应变、应力和疲劳度。
虽然结合优选实施例对本发明进行了描述，但它并不是为了将 本发明的范围限制于上述特定的形式，相反，它是为了覆盖可以包 括在由附加权利要求书所限定的本发明的实质和范围内的所有替代 方式、变型方式和等同方式。
权利要求
1. 一种海上监测系统，用于连接在固定点与可运动点之间的中压或高压电力电缆，或用于连接在两个可运动点之间的中压或高压电力电缆，其特征在于该系统包括作为持续分布应变测量传感器的至少一根光纤，且该光纤被附接到所述电力电缆或配置在所述电力电缆内，被配置为将光信号发送至所述光纤的装置，以及被配置为从所述光纤接收光信号的装置，以及被配置为分析所述接收到的光信号以确定所述电力电缆的时变弯曲的装置。
2. 根据权利要求1所述的海上监测系统，其中所述光纤被附接 到所述中压或高压电力电缆的外侧。
3. 根据权利要求1所述的海上监测系统，其中所述光纤被布置 在电缆的材料之一 中或布置在电力电缆的两种不同材料之间。
4. 根据权利要求1所述的海上监测系统，其中所述电力电缆中 的一条或多条铠装线(7)被光纤取代。
5. 根据权利要求1-4中任一项所述的海上监测系统，其中光纤 的数量大于等于2，且光纤围绕电力电缆等距离定位。
6. 根据权利要求1-4中任一项所述的海上监测系统，其中两根 光纤相对于电力电缆的圆周以90度间隔定位。
7. 根据权利要求1-6中任一项所述的海上监测系统，其中所述 光纤平行于电力电缆的长轴配置。
8. 根据权利要求1-6中任一项所述的海上监测系统，其中所述 光纤呈螺旋式或螺旋形几何形状围绕所述电力电缆缠绕。
9. 根据权利要求1-8中任一项所述的海上监测系统，其中所述 光纤在所述电缆的生产过程中被包含进所述电力电缆中。
10. 根据权利要求1-9中任一项所述的海上监测系统，其中所述 光信号为单色脉沖。
11. 根据权利要求1-9中任一项所述的海上监测系统，其中所述光信号为单色连续波。
12. 根据权利要求1-9中任一项所述的海上监测系统，其中所述光信号为具有幅度调制的单色连续波。
13. 根据权利要求1-12中任一项所述的海上监测系统，其中从 所述光纤接收的所述光信号通过OTDR和/或OFDR来分析。
14. 根据权利要求1-12中任一项所述的海上监测系统，其中所 述分析适于估计所述电力电缆的弯曲。
15. 根据权利要求14所述的海上监测系统，其中，所述监测系 统适于在所述电力电缆的估计弯曲超过上限值时发出警报。
16. 根据权利要求14所述的海上监测系统，其中所述监测系统 适于记录所述电力电缆的弯曲。
17. 根据权利要求14-16中任一项所述的海上监测系统，其中所 述监测系统适于计算所述电力电缆的累计总弯曲应力。
18. 根据权利要求14-17中任一项所述的海上监测系统，其中所 述监测系统适于根据所述电力电缆的累计弯曲应力估计未来维护/修 复的时间。
19. 根据权利要求14-18中任一项所述的海上监测系统，其中所 述监测系统适于根据累计测得的所述电力电缆的弯曲应力估计未来 的弯曲应力。
20. 根据权利要求1-19中任一项所述的海上监测系统，其中所 述电力电缆与其它的管子和管道捆在一起，且所述监测系统适于估 计该捆束的累计总弯曲应力。
全文摘要
一种海上监测系统，用于连接在固定点与可运动点之间的电力电缆，或用于连接在两个可运动点之间的电力电缆。该系统包括作为持续分布应变测量传感器的至少一根光纤，该光纤被连接到所述电力电缆或配置在所述电力电缆内；被配置为发送光信号的装置；以及被配置为接收光信号以确定所述电力电缆的时变弯曲的装置。
文档编号H01B11/22GK101548344SQ200780044983
公开日2009年9月30日 申请日期2007年11月28日 优先权日2006年12月12日
发明者T·沃齐克 申请人:Abb技术有限公司