专利名称：复合海缆温升应变监测告警及故障分析方法
技术领域：
本发明涉及复合海缆的监测技术，具体涉及复合海缆实时、分布式安全监测告警，根据监测的电网质量参数、通信光纤受激布里渊反射频率偏移量及定标数据对海底复合电缆的安全状态做出判断；并对发生故障的复合海缆进行故障分析，判明引起故障的主要原因。
背景技术：
现有海底复合电缆采用敷埋的方式应对船锚、渔具拖网等外力可能造成的破坏，在海底电缆发生故障后利用光纤布里渊散射测验仪对复合海缆中的通信光纤测试，确定发生故障的部位后进行维修。目前在役复合海缆只有电源质量监测，对于因为海缆绝缘层老化、电源谐波过高、中间接头不良或者电源电压波动、负载过重等内部因素引起的热击穿故障缺乏检测，对发生热击穿的海缆无法查明故障起因；并且对外力引起的海缆应变初期缺乏监测告警，因此，需要建立复合海缆监测系统，对海缆工作状态特别是早期故障实时监测，并能根据保存的数据对发生故障的海缆查明故障原因。
发明内容
本发明针对现有技术中对海缆发生异常温升、应力形变缺乏监测措施，其安全状态无法预测，无法定位发生故障位置等问题，而提供一种复合海缆温升应变监测告警及故障分析方法。本方法可以实现海缆工作状态巡检，对复合海缆的温度和应力形变实时监控，根据监测数据对海缆的安全状态给判断；另外，当海缆发生故障时，可以利用本方法确定故障位置。为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案复合海缆温升应变监测告警及故障分析方法，所述方法利用多余的单模光纤对复合海缆进行实时温度应力传感，并结合电源谐波测试参数对复合海缆的安全状态给出评价，实现对复合海缆的实时监控。在本发明的实例中，所述方法的具体步骤如下(I)根据复合海缆物理结构尺寸，建立物理结构模型；(2)根据复合海缆各组成物质的性质参数建立海缆温度场模型和应变场模型；(3)根据物理结构模型、温度场模型，生成复合海缆光纤温度与电缆温度对应数据库，即海缆温度查询数据库； (4)根据应变场模型与光纤布里渊散射测试仪特性建立应变-布里渊散射对应数据库，即海缆应变查询数据库；(5)利用光纤布里渊散射测试仪在不同工作环境下的基础布里渊散射数据，建立定标数据库，即海缆定标基础数据库；(6)利用光纤布里渊散射测试仪、电源谐波测试设备实时监测复合海缆工作时的、布里渊频率偏移、电源谐波两种参数；
(7)将光纤布里渊散射测试仪获取的布里渊频率偏移与海缆温度查询数据库、海缆应变查询数据库、海缆定标基础数据库比对，得出复合海缆中电缆所在位置温度、应变，并假定获取到的布里渊频率偏移对应的物理过程为温度升高过程；(8)根据温度升高区域的分布特点，区分引起频率偏移的起因是外力应变还是复合海缆温度升高若温度升高区域中以某处为中心点，呈对称分布，中间点频率偏移量大，远离该点频偏偏移小，长度超过米级，则确定是外力应变引起频率偏移；若温度升高区域为全线升高或局部升高，局部升高时没有明显的对称分布，则确定是复合海缆温度升高引起频率偏移；(9)若为复合海缆温度升高引起的频率偏移时，将得到的电缆温度数据与定标数据库比对，获取复合海缆分布式温度变化情况，对海缆安全状态进行判断；(10)若为外力应变引起的频率偏移时，进行警报并预防进一步恶化损坏复合海缆;(11)当海缆出现损坏时，利用光纤布里渊散射测试仪测出的位置信息结合海缆交织的编排结构，得出故障点的实际位置。进一步的，所述海缆温度场模型通过如下方法建立(I)进入有限元分析程序，定义分析文件名；(2)定义单元类型确认温度场模型基本单元；(3)定义材料热性能参数各组成材料的热导率；(4)建立几何模型；(5)设置材料属性；(6)划分网格；(7)施加热生成载荷；(8)施加海缆表面对流换热载荷；(9)设置求解选项；(10)求解后处理得到复合海缆热温度分布；(11)获取光纤布里渊散射测试仪得到的频率偏移数据；(12)依据光纤反向散射频率偏移与温度、应变关系式确定得出温度值Af :Δ f = C1* Δ T+C2* ε，Λ T为温度升高量，ε为应变量，C1^C2为系数；(13)温度场建模仿真后进行场地实验时ε为零，据此，可唯一确定温度与频率偏移对应关系；(14)对比测试数据和有限元分析得到的数据，采用均方误差最小准则修正步骤(8)中材料表面对流系数；(15)重复步骤(8)-(13)，直至分析数据与测试数据差值满足阈值条件，建模结束。进一步的，所述步骤(6)在实时监测复合海缆工作时的布里渊频率偏移、电源谐波参数时，将复合海缆中单模通信光纤对一端短接，另外一端连接至光纤布里渊散射测试仪激光输出口，构成闭合回路；同时将电源谐波测试设备与复合海缆的动力电缆连接。进一步的，所述步骤(9)中判断海缆安全状态的流程如下
(I)从光纤布里渊散射测试仪获取复合海缆监测的实时数据；(2)将测试仪获取的实时数据与海缆定标基础数据送至温度场建模、应变场建模数据库，通过查表的方式获取当前是否出现疑似温度升高或应变增大；(3)如果没有出现疑似温度升高或应变增大情况，继续监测，即重复(I)和(2)，并判定海缆处于安全状态；(4)如出现疑似温度升高或应变增大，回调邻近历史数据并连续获取疑似故障区域实时数据；(5)根据光纤布里渊散射测试仪实时数据判断疑似故障区域空间分布特点是局部故障还是全局故障；(6)如是局部故障，故障区域是否超过设定的阈值长度(通常情况下为10米)，如果超过阈值，判断海缆发生了应变；通过查询海缆应变查询数据库，获取海缆应变程度，如应变持续增加并达到设定阈值，判定海缆处于不安全状态，发出告警；(7)如果疑似故障区域长度小于设定阈值，判定海缆发生了局部温度升高；通过查询海缆温度查询数据库，获取海缆温度升高情况，如温度持续增加并达到设定阈值，判定海缆处于不安全状态，发出告警；(8)如果全局故障，判定海缆全线温度升高，通过查询海缆温度查询数据库，获取
海缆温度升高情况，如温度持续增加并达到设定阈值，判定海缆处于不安全状态，发出告警进一步的，所述步骤(11)中当海缆出现损坏时，根据步骤(8)中的分布特点区分外力应变损坏和复合海缆发热损坏。进一步的，当复合海缆发热损坏时，通过监测数据及温度建模结果，区分全线发热、局部发热；若为全线发热时，调用谐波测试仪获取的数据判断电源谐波分量，判断是否超限，如超限，故障因谐波引起；如未超限，则是电源过压引起发热；若为局部线域发热，结合谐波测试仪获取该位置电压信息，判断热击穿损坏引起的原因，若电压正常，则由电缆老化引起热击穿；若电压不正常，则由过压引起热击穿。根据上述方案得到的本发明对复合海缆的工作温度、应力形变及电源谐波进行监测，根据记录数据对发生热击穿可能性、外力破坏性进行定量分析，并实时告警；对不可抗拒因素引起的海缆故障进行分析，查明故障主要原因。
以下结合附图
和具体实施方式
来进一步说明本发明。图I为本发明的流程图。图2为本发明中海缆温度场模型的建模流程图。图3为本发明中海缆安全状态的判断流程图。
具体实施例方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。复合海缆中包含动力电缆和单模通信光纤，动力电缆用于采油平台间的电力传输，单模光纤实现长距离通信。制造海缆时，通信光纤数量一般有20%的裕量，本发明利用多余的单模光纤进行温度应力传感，并结合电源谐波测试参数对复合海缆的安全状态给出评价。基于上述原理，本发明的具体实施如下(参见图I)I、获取复合海缆物理结构尺寸，建立复合海缆的物理结构模型，该模型的建立如下(I)以185+SM2X (15+1)C XLPE复合海缆的结构示意图及结构尺寸表为参照；(2)确定3根电缆和光缆的圆心位置； (3)在有限元分析软件中，依次画出3根电缆电缆中的代表导体、导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽、半导体阻水带、铅套、PE内护套的圆柱体；(4)依次画出光缆中的代表光纤、纤膏、不锈钢管、PE护套的圆柱体；(5)依次画出代表涂胶布带、pp垫层、钢丝铠装、浸溃外被层的圆柱体；所述物理结构建模忠于实物实际尺寸。2、获取复合海缆各组成物质的密度、比热、热接触系数、弹性模量、泊松比、线膨胀系数、热对流系数等参数，建立复合海缆温度场模型和应变场模型。参见图2，复合海缆温度场模型通过如下方法建立(I)进入有限元分析程序，定义分析文件名；(2)定义单元类型确认温度场模型基本单元；(3)定义材料热性能参数各组成材料的热导率；(4)建立几何模型；(5)设置材料属性；(6)划分网格；(7)施加热生成载荷；(8)施加海缆表面对流换热载荷；(9)设置求解选项；(10)求解后处理得到复合海缆热温度分布；(11)获取光纤布里渊散射测试仪得到的频率偏移数据；(12)依据光纤反向散射频率偏移与温度、应变关系式确定得出温度值Af :Δ f = C1* Δ T+C2* ε，Λ T为温度升高量，ε为应变量，C1^C2为系数；(13)温度场建模仿真后进行场地实验时ε为零，据此，可唯一确定温度与频率偏移对应关系；(14)对比测试数据和有限元分析得到的数据，采用均方误差最小准则修正步骤
(8)中材料表面对流系数；(15)重复步骤(8)-(13)，直至分析数据与测试数据差值满足阈值条件，建模结束。查询电力电缆常用数据资料手册，获得3根电缆电缆中的代表导体、导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽、半导体阻水带、铅套、PE内护套，光缆中的代表光纤、纤膏、不锈钢管、PE护套，涂胶布带、PP垫层、钢丝铠装、浸溃外被层的所用材料的热传导系数，确定空气与海水的对流换热系数范围，在有限元分析软件中，输入以上两种参数，按照前述步骤进行建模分析。
对于应力场建模米用Abaqus有限兀分析原理进行建模。Abaqus软件进行有限元分析包括三个主要步骤前处理、分析计算和后处理。前处理定义物理问题的模型，并生成一个输入文件，分析计算求解输入文件中所定义的数值模型，通常以后台方式运行，分析结果保存在二进制文件中，以便于后处理。完成求解过程所需的时间取决于问题的复杂程度和计算机的运算能力。后处理用来读入分析结果数据，以多种方法显示分析结果，包括彩色云图、动画、变形图和XY曲线图等。具体的建模过程如下(I)启动有限元软件；(2)创建三维模型；(3)创建材料和截面属性；(4)定义装配件；(5)设置分析步；(6)定义载荷和边界条件；(7)划分网格；(8)提交分析作业；(9)后处理。3、根据物理结构模型、温度场模型，生成复合海缆光纤温度与电缆温度对应数据库，即海缆温度查询数据库。该步骤中海缆温度查询数据库的生成过程包含如下核心数据表格(I)生成复合海缆在不同环境温度下的电缆铜芯与光纤温度对应表；(2)生成复合海缆在不同工作年限下的电缆铜芯与光纤温度对应表；(3)生成复合海缆在不同环境对流下的电缆铜芯与光纤温度对应表；(4)生成复合海缆在不同工作电流下的电缆铜芯与光纤温度对应表；(5)生成复合海缆局部发热情况下的电缆铜芯与光纤温度对应表。4、根据应变场模型与光纤布里渊散射测试仪特性建立应变-布里渊散射对应数据库，即海缆应变查询数据库。对于该数据库分别建立不同大小不同方向受力情况下的海缆模型，经后处理，生成复合海缆不同大小、方向下的应力形变——频谱偏移对应表。5、将复合海缆中单模通信光纤对一端短接，另外一端连接至光纤布里渊散射测试仪激光输出口，构成闭合回路。6、将电源谐波测试设备与复合海缆的动力电缆连接。7、利用光纤布里渊散射测试仪不同工作环境下的基础布里渊散射数据，建立定标数据库，即海缆定标基础数据库。该数据库通过前述的温度场建模和应变建模，获取在不同天气条件、不同环境温度、不同海流速度、不同空气对流速度、不同工作年限的海缆、不同工作电流下的复合海缆的应变及温度场分布，通过对比光纤布里渊散射测试仪场地测试数据，得到各种条件下海缆温度数据、海缆应变数据，该数据为复合海缆定标数据库之核心参数。8、利用光纤布里渊散射测试仪、电源谐波测试仪实时监测复合海缆工作时的布里渊频率偏移、电源谐波两种参数。9、将光纤布里渊散射测试仪获取的布里渊频率偏移与与海缆温度查询数据库、海缆应变查询数据库、海缆定标基础数据库比对，得出复合海缆中电缆所在位置温度、应变。10、首先将光纤布里渊散射测试仪获取的布里渊频率偏移对应的物理过程假定为温度升高的过程；根据温度升高区域的分布特点，区分引起频率偏移的起因是外力应变还是温度升高若温度升高区域中以某处为中心点，呈对称分布，中间点频率偏移量大，远离该点频偏偏移小，长度超过米级，则确定是外力应变引起频率偏移；若温度升高区域为全线升高或局部升高，局部升高时没有明显的对称分布，则确定是复合海缆温度升高引起频率偏移。11、当确定是由复合海缆温度升高引起布里渊散射频率偏移时，将得到的电缆温度数据与定标数据库比对，获取海缆分布式温度变化情况，对海缆安全状态进行判断。参见图3，该步骤中对海缆安全状态进行判断的流程如下(I)从光纤布里渊散射测试仪获取复合海缆监测的实时数据；(2)将测试仪获取的实时数据与海缆定标基础数据送至温度场建模、应变场建模数据库，通过查表的方式获取当前是否出现疑似温度升高或应变增大；(3)如果没有出现疑似温度升高或应变增大情况，继续监测，即重复(I)和(2)，并判定海缆处于安全状态；(4)如出现疑似温度升高或应变增大，回调邻近历史数据并连续获取疑似故障区域实时数据；(5)根据光纤布里渊散射测试仪实时数据判断疑似故障区域空间分布特点是局部故障还是全局故障；(6)如是局部故障，故障区域是否超过设定的阈值长度(通常情况下为10米)，如果超过阈值，判断海缆发生了应变；通过查询海缆应变查询数据库，获取海缆应变程度，如应变持续增加并达到设定阈值，判定海缆处于不安全状态，发出告警；(7)如果疑似故障区域长度小于设定阈值，判定海缆发生了局部温度升高；通过查询海缆温度查询数据库，获取海缆温度升高情况，如温度持续增加并达到设定阈值，判定海缆处于不安全状态，发出告警；(8)如果全局故障，判定海缆全线温度升高，通过查询海缆温度查询数据库，获取海缆温度升高情况，如温度持续增加并达到设定阈值，判定海缆处于不安全状态，发出告
目O12、当确定是由外力应变引起布里渊散射频率偏移时，将发出告警，预防进一步恶化损坏复合海缆。13、当复合海缆出现损坏时，利用光纤布里渊散射测试仪测出的位置信息结合海缆交织的编排结构，得出故障点的实际位置。在该步骤中，当海缆出现损坏时，利用步骤10中的特点区分外力应变损坏和复合海缆发热损坏若温度升高区域中以某处为中心点，呈对称分布，中间点频率偏移量大，远离该点频偏偏移小，长度超过米级，则确定是外力应变损坏；若温度升高区域为全线升高或局部升高，局部升高时没有明显的对称分布，则确定是复合海缆发热损坏。当确定是海缆发热损坏时，通过监测数据及温度建模结果，区分全线发热、局部发、执·若确定是全线发热时，调用谐波测试仪获取的数据判断电源谐波分量，判断是否超限，如超限，故障因谐波引起；如未超限，则是电源过压引起发热；若确定是局部线域发热时，结合谐波测试仪获取该位置电压信息，判断热击穿损坏引起的原因，若电压正常，则由电缆老化引起热击穿；若电压不正常，则由过压引起热击穿。基于上述方案，本发明能够对复合海缆进行实时、分布式安全监测告警，根据监测的电网质量参数、通信光纤受激布里渊反射频率偏移量及定标数据对海底复合电缆的安全状态做出判断；并对发生故障的复合海缆进行故障分析，判明引起故障的主要原因。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求
1.复合海缆温升应变监测告警及故障分析方法，其特征在于，所述方法利用海缆中富裕的单模光纤对复合海缆进行实时温度应力传感，并结合电源谐波测试参数对复合海缆的安全状态给出评价，实现对复合海缆的实时监控。
2.根据权利要求I所述的复合海缆温升应变监测告警及故障分析方法，其特征在于，所述方法的具体步骤如下 (1)根据复合海缆物理结构尺寸，建立物理结构模型； (2)根据复合海缆各组成物质的性质参数建立海缆温度场模型和应变场模型； (3)根据物理结构模型、温度场模型，生成复合海缆光纤温度与电缆温度对应数据库，即海缆温度查询数据库； (4)根据应变场模型与光纤布里渊散射测试仪特性建立应变-布里渊散射对应数据库，即海缆应变查询数据库； (5)利用光纤布里渊散射测试仪在不同工作环境下的基础布里渊散射数据，建立定标数据库，即海缆定标基础数据库； (6)利用光纤布里渊散射测试仪、电源谐波测试设备实时监测复合海缆工作时的布里渊频率偏移、电源谐波两种参数； (7)将光纤布里渊散射测试仪获取的布里渊频率偏移与海缆温度查询数据库、海缆应变查询数据库、海缆定标基础数据库比对，得出复合海缆中电缆所在位置温度、应变，并假定获取到的布里渊频率偏移对应的物理过程为温度升高过程； (8)根据温度升高区域的分布特点，区分引起频率偏移的起因是外力应变还是复合海缆温度升高若温度升高区域中以某处为中心点，呈诸如对称分布之规律，中间点频率偏移量大，远离该点频偏偏移小，且长度超过米级，则确定是外力应变引起频率偏移；若温度升高区域为全线升高或局部升高，局部升高时没有明显的对称分布，则确定是复合海缆温度升高引起频率偏移； (9)若为复合海缆温度升高引起的频率偏移时，将得到的电缆温度数据与定标数据库比对，获取复合海缆分布式温度变化情况，对海缆安全状态进行判断； (10)若为外力应变引起的频率偏移时，进行警报并预防进一步恶化损坏复合海缆； (11)当海缆出现损坏时，利用光纤布里渊散射测试仪测出的位置信息结合海缆交织的编排结构，得出故障点的实际位置。
3.根据权利要求2所述的复合海缆温升应变监测告警及故障分析方法，其特征在于，所述海缆温度场模型通过如下方法建立 (1)进入有限元分析程序，定义分析文件名； (2)定义单元类型确认温度场模型基本单元； (3)定义材料热性能参数各组成材料的热导率； (4)建立几何模型； (5)设置材料属性； (6)划分网格； (7)施加热生成载荷； (8)施加海缆表面对流换热载荷； (9)设置求解选项；(10)求解后处理得到复合海缆热温度分布； (11)获取光纤布里渊散射测试仪得到的频率偏移数据； (12)依据光纤反向散射频率偏移与温度、应变关系式确定得出温度值Af: Λ f = C1* Λ T+C2* ε , ΔΤ为温度升高量，ε为应变量，Q、C2为系数； (13)温度场建模仿真后进行场地实验时ε为零，据此，可唯一确定温度与频率偏移对应关系； (14)对比测试数据和有限元分析得到的数据，采用均方误差最小准则修正步骤(8)中 材料表面对流系数； (15)重复步骤(8)-(13)，直至分析数据与测试数据差值满足阈值条件，建模结束。
4.根据权利要求2所述的复合海缆温升应变监测告警及故障分析方法，其特征在于，所述步骤(6)在实时监测复合海缆工作时的布里渊频率偏移、电源谐波参数时，将复合海缆中单模通信光纤对一端短接，另外一端连接至光纤布里渊散射测试仪激光输出口，构成闭合回路；同时将电源谐波测试设备与复合海缆的动力电缆连接。
5.根据权利要求2所述的复合海缆温升应变监测告警及故障分析方法，其特征在于，所述步骤(9)中判断海缆安全状态的流程如下 (1)从光纤布里渊散射测试仪获取复合海缆监测的实时数据； (2)将测试仪获取的实时数据与海缆定标基础数据送至温度场建模、应变场建模数据库，通过查表的方式获取当前是否出现疑似温度升高或应变增大； (3)如果没有出现疑似温度升高或应变增大情况，继续监测，即重复(I)和(2)，并判定海缆处于安全状态； (4)如出现疑似温度升高或应变增大，回调邻近历史数据并连续获取疑似故障区域实时数据； (5)根据光纤布里渊散射测试仪实时数据判断疑似故障区域空间分布特点是局部故障还是全局故障； (6)如是局部故障，故障区域是否超过设定的阈值长度，如果超过阈值，判断海缆发生了应变；通过查询海缆应变查询数据库，获取海缆应变程度，如应变持续增加并达到设定阈值，判定海缆处于不安全状态，发出告警； (7)如果疑似故障区域长度小于设定阈值，判定海缆发生了局部温度升高；通过查询海缆温度查询数据库，获取海缆温度升高情况，如温度持续增加并达到设定阈值，判定海缆处于不安全状态，发出告警； (8)如果全局故障，判定海缆全线温度升高，通过查询海缆温度查询数据库，获取海缆温度升高情况，如温度持续增加并达到设定阈值，判定海缆处于不安全状态，发出告警。
6.根据权利要求2所述的复合海缆温升应变监测告警及故障分析方法，其特征在于，所述步骤(11)中当海缆出现损坏时，根据步骤(8)中的分布特点区分外力应变损坏和复合海缆发热损坏。
7.根据权利要求6所述的复合海缆温升应变监测告警及故障分析方法，其特征在于，当复合海缆发热损坏时，通过监测数据及温度建模结果，区分全线发热、局部发热；若为全线发热时，调用谐波测试仪获取的数据判断电源谐波分量，判断是否超限，如超限，故障因谐波引起；如未超限，则是电源过压引起发热；若为局部线域发热，结合谐波测试仪获取该位置电压信息，判断热击穿损坏引起的原因，若电压正常，则由电缆老化引起热击穿；若电压不正常，则由过压引起热击穿 。
全文摘要
本发明公开了复合海缆温升应变监测告警及故障分析方法，该方法利用海缆中富裕的单模光纤对复合海缆进行实时温度应力传感，并结合电源谐波测试参数对复合海缆的安全状态给出评价，实现对复合海缆的实时监控。本发明可对复合海缆实时、分布式安全监测告警，根据监测的电网质量参数、通信光纤受激布里渊反射频率偏移量及定标数据对海底复合电缆的安全状态做出判断；并对发生故障的复合海缆进行故障分析，判明引起故障的主要原因。
文档编号G01R31/08GK102636730SQ20121004109
公开日2012年8月15日 申请日期2012年2月22日 优先权日2012年2月22日
发明者刘进辉, 刘频频, 周蓉蓉, 安博文, 王新华, 王晓峰, 陈元林, 高红武 申请人:上海海事大学, 中国海洋石油总公司, 中海油能源发展股份有限公司