基于光电复合海缆温度场的海缆绝缘故障监测方法

摘要

本发明公开了一种基于光电复合海缆温度场的海缆绝缘故障监测方法，包括根据海缆的载流量计算其铠装层和金属屏蔽层6的热生成率参数、基于热电耦合模块建立海缆温度场模型、计算海缆运行时的温度场、计算介质损耗因数tanδ、评估海缆的绝缘状态步骤。本发明能够有效监测光电复合海缆的绝缘状况，并且不易遭受电磁干扰的影响，它通过建立物理模型，采用数值计算方法求解温度场，无需确定修正系数，基于迭代法计算铠装层和金属屏蔽层6的热生成率，建模计算结果精度高；在减少计算量的同时确保后续温度场计算的准确性。

权利要求

1.一种基于光电复合海缆温度场的海缆绝缘故障监测方法，所述海缆包括结构相同的东相海缆(25)、西相海缆(23)和中相海缆(26)；所述东相、西相和中相海缆结构主要包括导体(1)、绝缘系统、金属屏蔽层(6)、阻水护套、黄铜带(10)、PET填充层(9)、铠装层(12)和内外护套，各相海缆的PET填充层(9)内配置两根对称绞合缠绕于导体(1)的光单元(8)，各根光单元(8)复合1芯以上光纤：基于光纤布里渊散射特性的分布式传感BOTDR系统包括通道

1-6、测试设备、数据采集单元DAU、数据处理单元DPU；通道1和通道2用于监控东相海缆(25)；通道3和通道4用于监控西相海缆(23)；通道5和通道6用于监控中相海缆(26)；对于每相海缆，均配置测试设备通过普缆连接将激光脉冲入射进海缆复合单模光纤中，激光在光纤中传输产生的布里渊散射光反向传输到达发射端，在发射端利用数据采集单元DAU和数据处理单元DPU检测布里渊散射光信号的频移和强度，得到光纤的应变/温度信息；其特征在于：所述监测方法包括以下具体步骤：步骤1：根据海缆的载流量计算其铠装层(12)和金属屏蔽层(6)的热生成率参数；

步骤2：基于热电耦合模块建立海缆温度场模型；

步骤3：计算海缆运行时的温度场；

步骤4：计算海缆介质损耗因数tanδ：

tanδ＝(ΔT2+4.02×10-5I-9.10×10-2)/(89.94+4.26×10-2I)      (1)其中，I为海缆载流量；ΔT2为环境温度和载流量不变时仅由介质损耗因数tanδ变化导致的光纤相对温升；

步骤5：依据表1，评估海缆的绝缘状态。

表1

2.根据权利要求1所述的基于光电复合海缆温度场的海缆绝缘故障监测方法，其特征在于：所述步骤1中包括以下具体步骤：

步骤1-1：给定海缆的导体(1)、金属屏蔽层(6)、铠装层(12)的初始温度，环境温度、导体(1)初始电流、导体(1)的工作载流量；

步骤1-2：计算海缆的绝缘系统、金属屏蔽层(6)、阻水护套、黄铜带(10)、PET填充层(9)、铠装层(12)和内外护套结构以及土壤的热阻参数；

步骤1-3：计算海缆的导体(1)、金属屏蔽层(6)、铠装层(12)在初始温度下的电阻；

步骤1-4：根据海缆的导体(1)、金属屏蔽层(6)、铠装层(12)在初始温度下的电阻，计算导体(1)初始电流下导体(1)、金属屏蔽层(6)、铠装层(12)的热生成率参数；

步骤1-5：根据等效热路计算导体(1)、金属屏蔽层(6)、铠装层(12)的当前温度；

步骤1-6：根据导体(1)的当前温度与导体(1)的初始温度的差值修正导体(1)温度，将修正后的导体(1)温度以及金属屏蔽层(6)、铠装层(12)的当前温度设定为下一次循环的导体(1)、金属屏蔽层(6)、铠装层(12)的初始温度；

步骤1-7：根据导体(1)的初始电流与海缆的工作载流量的差值修正导体(1)电流，将其设定为下一次循环的导体(1)的初始电流；

步骤1-8：判断导体(1)的初始电流与海缆的工作载流量的差值是否小于预设阈值；如果是，转向步骤1-9，否则转向步骤1-2；

步骤1-9：计算当前绝缘系统的介质损耗热生成率参数，将绝缘系统、金属屏蔽层(6)、铠装层(12)的热生成率作为系统热生成率参数输出。

3.根据权利要求1所述的基于光电复合海缆温度场的海缆绝缘故障监测方法，其特征在于：所述步骤2中，建立海缆温度场模型包括：设定待分析土壤边界的边界条件类型和传热参数为：深层土壤设定为第一类边界条件，设置为土壤平均温度；土壤左右边界设定为第二类边界条件，设置法向热流密度为0；土壤上表面设定为第三类边界条件，设置边界的对流换热系数和流体温度，流体温度设置为海水平均温度；

包裹海缆的土壤为长方体，长方体厚度设置为1米；长方体的长度和宽度依据表2和实际敷设海缆的埋深d2确定：包裹海缆的土壤下、左、右边界与海缆轴心的初始距离相等，土壤下边界和左右边界与海缆轴心的计算距离相等；

表2中d表示包裹海缆的土壤下、左、右边界与海缆轴心的初始距离，d1表示土壤下边界和左右边界与海缆轴心的计算距离，根据实际的海缆的载流量I，由表2通过插值的方法可获得对应的包裹海缆的土壤下边界和左右边界与海缆轴心的距离d1的大小，长方体的长和宽分别设置为2d1和d1+d2。

表2

说明书

基于光电复合海缆温度场的海缆绝缘故障监测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种海缆绝缘故障监测方法，尤其涉及一种基于光电复合海缆温度场的海缆绝缘故障监测方法，属于海缆故障监测技术领域。

背景技术

[0002] 随着海洋资源的开发和利用，人们对海洋权益的愈加重视，海底电力电缆得到了日益广泛的应用。对其运行状态进行监测和进行故障诊断是后续故障预防和维修的前提，对保证海缆的安全稳定运行十分重要。

[0003] 海缆绝缘部分容易发生损坏，它的状况的好坏直接关系到其能否安全稳定运行。交联聚乙烯(XLPE,Cross-linkedpolyethylene)电缆绝缘性能的下降存在一定发展期，对该期间反映的相关微弱信息进行监测和综合分析，可对绝缘的可靠性随时做出判断并预测其剩余寿命。针对XLPE电缆绝缘性能下降的机理，目前主要的监测方法有直流法(包括直流成分法和直流叠加法)、交流叠加法、接地线电流法、介质损耗角正切和局部放电测量等方法。这些方法实际应用的最大难题是需要在复杂现场电磁环境下高精度的测量电流、介质损耗角正切和局部放电等数据。

[0004] 除了上述电气监测量外，温度也是反映海缆工作状态的一项重要监测指标，它不仅蕴含着海缆的绝缘状态信息，也是海缆绝缘性能的关键影响因素，对温度的监测可降低由于电磁环境造成的监测数据误差。目前用于海缆温度场分析的手段主要有国际电工委员会制定的IEC60287标准及数值计算方法。IEC标准以等值热路为基础，通过定义各单元热阻和相关的损耗，结合传热公式进行载流量和温度的计算，由于计算方便且在很多情况下具有较高的准确性，该方法在电缆温度场分析问题上得到了较为广泛的应用。但由于海缆敷设环境的复杂性以及影响传热的可变因素很多，IEC标准采用的经验公式和参数，比如计算等效电缆非圆环层绞合结构的热阻参数和土壤热阻等时，一定程度上降低了计算结果的准确性。而且IEC标准是将复杂且更准确的场的问题简化为更简单的路的问题，不可避免引入误差。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种基于光电复合海缆温度场的海缆绝缘故障监测方法。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案：

[0007] 一种基于光电复合海缆温度场的海缆绝缘故障监测方法，所述海缆包括结构相同的的东相海缆、西相海缆和中相海缆；所述三相海缆结构主要包括导体、绝缘系统、金属屏蔽层、阻水护套、黄铜带、PET填充层、铠装层和内外护套，各相海缆的PET填充层内配置两根对称绞合缠绕于导体的光单元(8)，各根光单元(8)复合1芯以上光纤：基于光纤布里渊散射特性的分布式传感BOTDR系统包括通道1-6、测试设备、数据采集单元DAU、数据处理单元DPU；通道1和通道2用于监控东相海缆；通道3和通道4用于监控西相海缆；通道5和通道6用于监控中相海缆；对于每相海缆，均配置测试设备通过普缆连接将激光脉冲入射进海缆复合单模光纤中，激光在光纤中传输产生的布里渊散射光反向传输到达发射端，在发射端利用数据采集单元DAU和数据处理单元DPU检测布里渊散射光信号的频移和强度，得到光纤的应变/温度信息；所述监测方法包括以下具体步骤：

[0008] 步骤1：根据海缆的载流量计算其铠装层和金属屏蔽层的热生成率参数；

[0009] 步骤2：基于热电耦合模块建立海缆温度场模型；

[0010] 步骤3：计算海缆运行时的温度场；

[0011] 步骤4：计算海缆介质损耗因数tanδ：

[0012] tanδ＝(ΔT2+4.02×10-5I-9.10×10-2)/(89.94+4.26×10-2I)  (1)[0013] 其中，I为海缆载流量；ΔT2为环境温度和载流量不变时仅由介质损耗因数tanδ变化导致的光纤的温升，称为光纤相对温升；

[0014] 步骤5：依据表1，评估海缆的绝缘状态。

[0015] 所述步骤1中包括以下具体步骤：

[0016] 步骤1-1：给定海缆的导体、金属屏蔽层、铠装层的初始温度，环境温度、导体初始电流、导体的工作载流量；

[0017] 步骤1-2：计算海缆的绝缘系统、金属屏蔽层、阻水护套、黄铜带、PET填充层、铠装层和内外护套结构以及土壤的热阻参数；

[0018] 步骤1-3：计算海缆的导体、金属屏蔽层、铠装层在初始温度下的电阻；

[0019] 步骤1-4：根据海缆的导体、金属屏蔽层、铠装层在初始温度下的电阻，计算导体初始电流下导体、金属屏蔽层、铠装层的热生成率参数；

[0020] 步骤1-5：根据等效热路计算导体、金属屏蔽层、铠装层的当前温度；

[0021] 步骤1-6：根据导体的当前温度与导体的初始温度的差值修正导体温度，将修正后的导体温度以及金属屏蔽层、铠装层的当前温度设定为为下一次循环的导体、金属屏蔽层、铠装层的初始温度；

[0022] 步骤1-7：根据导体的初始电流与海缆的工作载流量的差值修正导体电流，将其设定为下一次循环的导体的初始电流；

[0023] 步骤1-8：判断导体的初始电流与海缆的工作载流量的差值是否小于预设阈值；如果是，转向步骤1-9，否则转向步骤1-2；

[0024] 步骤1-9：计算当前绝缘系统的介质损耗热生成率参数，将绝缘系统、金属屏蔽层、铠装层的热生成率作为系统热生成率参数输出。

[0025] 所述步骤2中设定待分析土壤边界的边界条件类型和传热参数为：深层土壤设定为第一类边界条件，设置为土壤平均温度；土壤左右边界设定为第二类边界条件，设置法向热流密度为0；土壤上表面设定为第三类边界条件，设置边界的对流换热系数和流体温度，流体温度设置为海水平均温度。包裹海缆的土壤为长方体，长方体厚度设置为1米。长方体的长度和宽度依据表2和实际敷设海缆的埋深d2确定：包裹海缆的土壤下、左、右边界与海缆轴心的初始距离相等，土壤下边界和左右边界与海缆轴心的计算距离相等；表2中d表示包裹海缆的土壤下、左、右边界与海缆轴心的初始距离，d1表示土壤下边界和左右边界与海缆轴心的计算距离，根据实际的海缆的载流量I，由表2通过插值的方法可获得对应的包裹海缆的土壤下边界和左右边界与海缆轴心的距离d1的大小，长方体的长和宽分别设置为2d1和d1+d2。

[0026] 采用上述技术方案所取得的技术效果在于：

[0027] 1、本发明能够有效监测光电复合海缆的绝缘状况，并且不易遭受电磁干扰的影响。

[0028] 2、本发明通过建立物理模型，采用数值计算方法求解温度场的方式可以逼近真实情况、无需确定修正系数，在有效避免IEC标准不足的同时，还能保留其自身成本低、试验研究范围广的优点；

[0029] 3、本发明基于迭代法修改了IEC标准，采用改进IEC标准计算了铠装层和金属屏蔽层的热生成率，为后续具有高精度的COMSOL建模计算结果奠定了基础；

[0030] 4、本发明确立了不同载流量下海缆建模的最优尺寸范围，减少计算量的同时确保后续温度场计算的准确性；

[0031] 5、本发明采用热电耦合模块进行建模，综合考虑导体电阻率的温升效应和导体的集肤效应系数，更加逼近真实情况。

附图说明

[0032] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0033] 图1是本发明的流程图；

[0034] 图2是实施例1中海缆结构图；

[0035] 图3是实施例1中海缆敷设示意图；

[0036] 图4是实施例1中边界条件设置示意图；

[0037] 图5是实施例1中海缆载流量I对光纤温升ΔT的影响关系图；

[0038] 图6是实施例1中环境温度T对光纤温升ΔT的影响关系图；

[0039] 图7是实施例1中环境温度为20℃、海缆载流量为500A、介质损耗因数tanδ在0.001到0.1内变化时光纤相对温升ΔT2的变化关系图；

[0040] 其中 1导体、2导体屏蔽、3XLPE绝缘、4绝缘屏蔽、5半导体阻水带、6金属屏蔽层、7HDPE护套、8光单元、9PET填充层、10黄铜带、11第一绳被层、12铠装层、13的第二绳被层、
21A岛、22B岛、23西相海缆、24中相海缆、25东相海缆、26禁锚线。

具体实施方式

[0041] 实施例1：

[0042] 一种基于光电复合海缆温度场的海缆绝缘故障监测方法，所述海缆包括结构相同的的东相海缆25、西相海缆23和中相海缆26；所述三相海缆结构主要包括导体1、绝缘系统、金属屏蔽层6、阻水护套、黄铜带10、PET填充层9、铠装层12和内外护套，各相海缆的PET填充层9内配置两根对称绞合缠绕于导体1的光单元8，各根光单元8复合1芯以上光纤：基于光纤布里渊散射特性的分布式传感BOTDR系统包括通道1-6、测试设备、数据采集单元DAU、数据处理单元DPU；通道1和通道2用于监控东相海缆25；通道3和通道4用于监控西相海缆23；通道5和通道6用于监控中相海缆26；对于每相海缆，均配置测试设备通过普缆连接将激光脉冲入射进海缆复合单模光纤中，激光在光纤中传输产生的布里渊散射光反向传输到达发射端，在发射端利用数据采集单元DAU和数据处理单元DPU检测布里渊散射光信号的频移和强度，得到光纤的应变/温度信息；所述监测方法包括以下具体步骤：

[0043] 步骤1：根据海缆的载流量计算其铠装层12和金属屏蔽层6的热生成率参数；

[0044] 步骤2：基于热电耦合模块建立海缆温度场模型；

[0045] 步骤3：计算海缆运行时的温度场；

[0046] 步骤4：计算海缆介质损耗因数tanδ：

[0047] tanδ＝(ΔT2+4.02×10-5I-9.10×10-2)/(89.94+4.26×10-2I)  (1)[0048] 其中，I为海缆的载流量；ΔT2为环境温度和载流量不变时仅由介质损耗因数tanδ变化导致的光纤相对温升；

[0049] 步骤5：依据表1，评估海缆的绝缘状态。

[0050] 所述步骤1中包括以下具体步骤：

[0051] 步骤1-1：给定海缆的导体1、金属屏蔽层6、铠装层12的初始温度，环境温度、导体1初始电流、导体1的工作载流量；

[0052] 步骤1-2：计算海缆的绝缘系统、金属屏蔽层6、阻水护套、黄铜带10、PET填充层9、铠装层12和内外护套结构以及土壤的热阻参数；

[0053] 步骤1-3：计算海缆的导体1、金属屏蔽层6、铠装层12在初始温度下的电阻；

[0054] 步骤1-4：根据海缆的导体1、金属屏蔽层6、铠装层12在初始温度下的电阻，计算导体1初始电流下导体1、金属屏蔽层6、铠装层12的热生成率参数；

[0055] 步骤1-5：根据等效热路计算导体1、金属屏蔽层6、铠装层12的当前温度；

[0056] 步骤1-6：根据导体1的当前温度与导体1的初始温度的差值修正导体1温度，将修正后的导体1温度以及金属屏蔽层6、铠装层12的当前温度设定为为下一次循环的导体1、金属屏蔽层6、铠装层12的初始温度；

[0057] 步骤1-7：根据导体1的初始电流与海缆的工作载流量的差值修正导体1电流，将其设定为下一次循环的导体1的初始电流；

[0058] 步骤1-8：判断导体1的初始电流与海缆的工作载流量的差值是否小于预设阈值；如果是，转向步骤1-9，否则转向步骤1-2；

[0059] 步骤1-9：计算当前绝缘系统的介质损耗热生成率参数，将绝缘系统、金属屏蔽层6、铠装层12的热生成率作为系统热生成率参数输出。

[0060] 所述步骤2中设定待分析土壤边界的边界条件类型和传热参数为：深层土壤设定为第一类边界条件，设置为土壤平均温度；土壤左右边界设定为第二类边界条件，设置法向热流密度为0；土壤上表面设定为第三类边界条件，设置边界的对流换热系数和流体温度，流体温度设置为海水平均温度。与土壤交界的海水温度与土壤温度相同，由于土壤存在恒温层，仿真中通常统一设置土壤平均温度和海水平均温度为环境温度，用T表示。

[0061] 包裹海缆的土壤为长方体，长方体厚度设置为1米。长方体的长度和宽度依据表2和实际敷设海缆的埋深d2确定：包裹海缆的土壤下、左、右边界与海缆轴心的初始距离相等，土壤下边界和左右边界与海缆轴心的计算距离相等；表2中d表示包裹海缆的土壤下、左、右边界与海缆轴心的初始距离，d1表示土壤下边界和左右边界与海缆轴心的计算距离，根据实际的海缆的载流量I，由表2通过插值的方法可获得对应的包裹海缆的土壤下边界和左右边界与海缆轴心的距离d1的大小，长方体的长和宽分别设置为2d1和d1+d2。。海缆的尺寸依据表3确定，海缆材料的物理属性根据表4确定。

[0062] 本实施例中使用110kVYJQ41×300mm2型三相单芯高压光电复合海底电力电缆，如图2所示。光纤集成入海缆，主要用于海缆的分布式温度测量、数据传输、应变、振动故障探测等功能。该海缆铺设在中国某一海域，起自A岛，止于B岛，如图3所示。为了保证监测获得的海缆温度和应变信息的精度和系统稳定性，应海缆监测部门要求，监测采用的BOTDR系统入射波长为1550nm时，入射脉冲宽度持续时间最少为10ns，对应的空间分辨率为1m。为了保证监测数据的可靠性，在线监测系统采用多通道监测方法监测海缆运行状态，即利用通道1和通道2监测东相海缆25、通道3和通道4监测西相海缆23、通道5和通道6监测中相海缆26。BOTDR测试设备放置在B岛侧，通过普缆连接后将激光脉冲入射进海缆复合单模光纤中，激光在光纤中传输产生布里渊散射光。布里渊散射光反向传输到达发射端，在发射端利用数据采集单元DAU和数据处理单元DPU检测布里渊散射光信号的频移和强度，即可得到光纤的应变/温度信息。

[0063] IEC标准在计算导体1的载流量时，导体1温度取额定条件下的工作温度，而金属套和铠装温度采用导体1温度乘以一定的修正系数进行估算，估算的温度不可避免存在误差，这样会导致屏蔽与铠装层12的热生成率计算不准确，进而造成热路法求得的各层温度存在误差。本发明采用迭代法在IEC标准的基础上进行改进，也就是在计算过程对导体1电流初值不断进行迭代修正使其逼近给定的导体1载流量，该过程中对导体1温度进行修正并以此为基础计算金属屏蔽层6和铠装层12此时的温度，再根据温度可进一步计算金属屏蔽层6和铠装层12的电阻和热生成率参数。这样可有效解决金属屏蔽层6和铠装层12电阻估算不准确导致建模中两者热生成率参数不准确的问题。

[0064] 本实施例采用MATLAB编程实现由给定单芯海缆正常运行载流量I，以及海缆埋深d2情况下准确计算海缆金属屏蔽层6和铠装层12热生成率参数的程序。

[0065] 尽可能地提高该型海缆在COMSOL中建立的温度场模型的准确性，是保障最终确定的海缆绝缘状况诊断阈值正确性的基础，需要确定合适的边界条件和最优模型尺寸。边界条件的确定也是分析最优模型尺寸的基础，其包括待分析土壤边界的边界条件类型和传热参数的设置。设置边界条件为：深层土壤设定为第一类边界条件，设置为土壤平均温度；土壤左右边界设定为第二类边界条件，设置法向热流密度为0；土壤上表面设定为第三类边界条件，设置边界的对流换热系数和流体温度，流体温度为海水平均温度。与土壤交界的海水温度与土壤温度相同，由于土壤存在恒温层，仿真中通常统一设置土壤平均温度和海水平均温度为环境温度，用T表示。本实施例中海缆主要部分敷设于海床下方d2＝2m位置，对流换热系数为h，则边界条件具体设置如图4所示，图中d为设置的模型尺寸。考虑1倍的余量，本实施例中d＝5m，构建长宽分别为10m、7m，厚度为1m的长方体土壤包裹海缆的模型。与土壤交界的海水温度与土壤温度相同，由于土壤存在恒温层，仿真中通常统一设置土壤平均温度和海水平均温度为环境温度，用T表示；环境温度T以及对流换热系数h会随季节的变化而变化，本实施例针对七八月份时海缆中的温度分布，取此时环境温度T＝28℃，对流换热系数h＝200W/(m2·K)，设置载流量为I＝500A。边界条件设置后，将计算载流量代入改进IEC标准的程序中，计算得到当前工况下金属屏蔽层6、铠装层12的热生成率参数，将金属屏蔽层6、铠装层12的热生成率参数添加到COMSOL模型中的金属屏蔽层6、铠装层12的热源模块，将计算得到的介损损耗热生成率参数添加到绝缘系统模块，将导体1设置为热电耦合单元，全部设置完成后，进行温度场计算。

[0066] 模型尺寸选择越大则准确性越高，但计算负荷会明显增大，模型尺寸的大小对有限元分析的温度场的准确性和计算量的影响非常大，设置合适的模型尺寸是海缆温度场建模分析的一个关键问题。通过建模研究确定不同海缆载流量下的最优模型尺寸是本实施例的一个重要内容。

[0067] 确定模型尺寸的思路是：设置一个大范围d＝d0来计算海缆准确的温度分布，然后在不改变边界参数设置情况下，逐步减少d进行仿真。理论上，光纤温度会随着d的变小而逐渐变小。当范围d＝d1时的光纤温度与d＝d0下的光纤温度差等于一个设定阈值ΔT1，则认为d1为当前海缆载流量下的满足准确性和计算经济性的最优模型尺寸。本实施例中仿真分析时电缆埋深d2始终保持为2m。

[0068] 本实施例设置ΔT1＝0.1℃，d0取足够大的5m，载流量设置为200A～700A，步长50A。取700A作为最大值是因为：该型号海缆的允许短时最高温度为105℃，不超过72h，认为该温度为稳态时的最大温度。根据改进IEC标准程序计算得到的导体1在105℃下的载流量为
682.41A，将最大载流量设置为700A，满足实际工程的需要。其他参数与COMSOL中仿真模型一致。

[0069] 表2为最终得到的海缆不同载流量下仿真计算得到的d＝5m和d＝d1时的光纤温度值，d1表示海缆不同载流量I对应的包裹海缆的土壤下边界和左右边界与海缆轴心的计算距离，根据实际的海缆载流量，由表2通过插值的方法可获得海缆在该载流量下的d1的大小，则长方体土壤的长和宽可分别设置为2d1和d1+d2。这可以有效避免由于全部采用经验方法采用同一模型尺寸可能导致的温度计算误差。

[0070] 海缆在复杂环境中长期运行，其绝缘层性能会由于受潮老化等原因发生下降，主要体现为绝缘层电阻率下降、漏电导致的绝缘发热功率增大、介质损耗增加。海缆的绝缘下降程度在未危及安全运行前不会导致保护动作，始终处于工作状态，满足稳态模型，其绝缘层发热功率的增大会影响光纤温度。

[0071] 海缆在正常运行情况下光纤温度受外界因素的影响情况是故障分析的基础。考虑到海缆的实际敷设和工作环境，对环境温度在8℃～28℃内变化、步长为4℃，载流量在200A～700A内变化、步长为100A的不同工况下的海缆进行温度场建模仿真。仿真前先通过改进IEC标准程序计算不同环境温度和载流量下的绝缘系统、金属屏蔽层6和铠装层12的热生成率参数，添加到模型中相应的绝缘系统、金属屏蔽层6和铠装层12模块，将导体1设置为热电耦合单元，改变建模中的环境温度和载流量参数，计算获得光纤温度以及光纤温度相对于环境温度的温升ΔT数据。不同载流量I和环境温度T对光纤温升ΔT的影响如图5-图6所示。理论上载流量为0时，光纤温升为0，故对不同环境温度下的光纤温升ΔT与载流量I采用ΔT＝k×I2进行拟合。拟合得到的k值在9.31×10-5～1.00×10-4℃/A2范围内变化，拟合相对误差在1.14～1.23℃内分布，拟合系数k与相对误差均随着环境温度的升高而略有增大。

[0072] 从图5可知，光纤温升随海缆载流值的增加近似成平方规律增大。图6反映了环境温度对光纤温升的影响情况，可以看到光纤温升随着环境温度的增加近似线性增大。但比较而言，载流量对温升的影响要远大于环境温度的影响。研究载流量和环境温度对光纤温升的影响效应是本实施例中确定正确的绝缘诊断判据阈值的基础。

[0073] 介质损耗因数tanδ是表征绝缘在交变电压作用下损耗大小的特征参数，与绝缘性能关系密切。日本住友电气公司提供的根据介质损耗因数tanδ的XLPE电缆绝缘诊断判据如表1所示。一般电气设备绝缘正常状态下的介质损耗因数tanδ仅为万分之几到千分之几，准确和稳定地提取绝缘中电流的难度较高。同时由于电缆的半导电层电阻与屏蔽层接触电阻的存在导致实测的介质损耗因数tanδ值比理论值要大。因此，通过直接测量介质损耗因数tanδ的方式实现海缆绝缘在线监测难度较高。基于以上考虑，我们采用光纤温度的变化量来间接反映介质损耗因数tanδ的变化，进而监测绝缘状态，具有潜在优势。

[0074] XLPE海缆的介质损耗Wd的计算公式为：

[0075] Wd＝ωCU2tanδ  (1)

[0076] 由于等值电容C在电缆实际运行过程中变化不大，本实施例在确定的频率ω、电压U的情况下，认为介质损耗仅与介质损耗因数tanδ相关且成正比。根据表1取不同海缆绝缘状态下对应的介质损耗因数tanδ，由式(1)计算获得不同介质损耗因数tanδ下绝缘层的功率损耗，换算成热生成率后加入到模型中，计算得到此时的光纤温度。本实施例中，将环境温度和载流量不变时仅由介质损耗因数tanδ变化导致光纤的温升称为光纤相对温升，记为ΔT2。图7给出了环境温度为20℃、载流量为500A、介质损耗因数tanδ在0.001到0.1内变化时光纤相对温升的变化情况。由图7可知，由介质损耗导致的光纤相对温升随介质损耗因数tanδ的增加几乎成正比增大。这是因为在常见的介质损耗因数tanδ变化范围内，由于介质损耗因数tanδ增加导致的温升对金属电阻值影响很小，由其导致的热生成率的影响几乎可以忽略，光纤相对温升的变化主要由介质损耗因数tanδ变化导致的绝缘层热生成率变化所致。

[0077] 介质损耗因数tanδ取正常值0.001，仿真得到环境温度T为8℃～28℃，载流量I为200A～700A时的光纤温度Tf，作为标准值，如表5所示。再根据绝缘性能下降后介质损耗因数tanδ的变化情况，分别取介质损耗因数tanδ＝0.002、0.005、0.05下算得的光纤相对温升ΔT2如表6所示。表6所示的在建模的8℃～28℃范围内，光纤的相对温升基本稳定。载流量的增大会导致光纤相对温升的增大，这在介质损耗因数tanδ值较大时表现得更加明显。因此，影响光纤相对温升的主要因素是介质损耗因数tanδ和载流量。

[0078] 根据表6中数据，以及实测光纤相对温升和海缆当前载流量后可以通过插值的方式获得海缆绝缘此时的介质损耗因数tanδ值。也可以根据表6数据采用最小二乘拟合获得基于光纤相对温升和海缆载流量的介质损耗因数tanδ计算公式(1)。得到海缆的介质损耗因数tanδ后，根据表1即可判断当前海缆的绝缘状态。

[0079] 比较而言，tanδ增加导致的光纤相对温升受环境温度和载流量的影响不大。为了增加判据的简洁性和易用性，近似地，实际情况下海缆在不同的环境温度和载流量时可以使用同一个基于光纤温度的绝缘性能诊断规则，而可以不必考虑环境温度和载流量的影响。所以，根据建模所获得的tanδ＝0.002、0.005、0.05所对应的光纤相对温升数据结果，可得到不同绝缘老化程度下的阈值，作为衡量本文海缆绝缘性能的判据：当实测的海缆光纤温度相对于相同环境温度和载流量下的光纤相对温升小于0.1℃时则对应tanδ小于0.2％，海缆处于正常可继续使用状态；当光纤相对温升大于0.1℃而小于0.5℃时则对应tanδ大于0.2％而小于0.5％，此时需轻度注意，海缆仍可正常使用；当光纤相对温升大于0.5℃而小于5℃时对应tanδ大于0.5％而小于5％，海缆应在有戒备下使用；当光纤相对温升大于5℃则对应tanδ大于5％，需及时更换海缆。根据以上分析我们建立了光纤相对温升到海缆绝缘状态的关系，即基于光纤相对温升的海缆绝缘状态判据。

[0080] 表1

[0081]

[0082] 表2

[0083]

[0084] 表3

[0085]

[0086] 表4

[0087]

[0088] 表5

[0089]

[0090] 表6

[0091]

[0092]