严有祥，黄杰，林智雄，陈朝晖

（国网厦门供电公司，厦门361000）

0 引言

充油海缆是一种适合高电压、大容量输送的电缆，在国内外高压输电工程中得到了广泛而成熟的应用。充油海缆投入使用后，需要对其运行状态进行监测以防止电缆事故的发生。最初的电缆安全监测方法主要是绝缘电阻比较法和示波器法[1-2]。这两种方法可以对电缆故障点进行定位，但是不能对电缆进行在线监测，也无法实现故障预警。针对这两个问题，国内外学者展开了大量的研究，先后出现了差分法、局部放电在线监测法、接地电流法、双端行波测距法等[3]，这些方法虽能实现在线监测，但是存在信号识别差、监测距离短、实际应用效果不理想等缺陷。近年来，随着分布式光纤测温技术的不断发展与应用，温度在线监测系统成为海缆监测的主要方式。目前主要的分布式光纤测温技术有基于瑞利散射、拉曼散射以及布里渊散射的光纤测温技术[4]。其中基于布里渊散射的BOTDA技术在实现分布式测温的同时，还具有测量精度高、抗干扰能力强、空间分辨率高的优点，是海缆温度监测的首选技术[5]。光纤测温技术只能测量电缆表面或者绝缘层以外的温度，而导体温度才是监测电缆运行状态的关键因素，因此还需要通过一定的方法由光纤温度反推导体温度[6]。目前计算实时导体温度的方法主要有热路模型法和有限元温度场建模技术[7]。相对于热路模型法，有限元温度场建模技术适用于多种计算场合，求解结果更加接近实际[8]。

有限元温度场建模技术在XPLE电缆、光电复合电缆以及地下直埋电缆群的温度监测上得到良好的应用[9-12]，但是该技术在充油海底电缆温度监测方面的应用较为少见。本文针对常见的充油海缆工程，结合BOTDA技术和有限元温度场建模技术，详细论述了温度监测系统的原理和实现。通过温度监测系统可实现海缆运行状态的实时监控，保证海缆的安全有效运行。

1 温度监测系统的概述

1.1 温度监测系统的基本框架

充油海底电缆的温度监测系统的基本框架如图1所示：

图1 温度监测系统框架图

温度监测系统采用基于布里渊散射的BOTDA设备实时采集充油海缆中内置光纤的温度数据。BOTDA设备通过以太网交换机将温度数据传送到数据分析服务器，该服务器通过有限元温度场建模技术完成光纤温度到导体温度的计算，实现海缆线芯温度的实时监测。

1.2 BOTDA技术的基本原理

BOTDA技术是基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。光在光纤中传播时，在反方向产生散射光，包括了瑞利（Rayleigh）散射、布里渊（Brillouin）散射和拉曼（Raman）散射。布里渊散射是指入射到介质的光波与介质内的弹性声波发生相互作用而产生的光散射现象。布里渊频移与光纤应变、环境温度成线性关系：

式中ΔVB为布里渊频移变化量；Δε为光纤轴向应变；ΔTR为光纤温度。Cε和CT分别为布里渊散射频移的应变和温度系数。

2 有限元温度场建模技术

有限元法热分析的基本原理是将处理的对象划分为有限个单元，每个单元都包含若干个节点，再根据能量守恒原理求解给定边界条件和初始条件下每个节点处的热平衡方程，得出各节点的温度值后再求解出其他的相关量。热场建模的求解精度取决于：海缆的几何建模，网格划分技术，有限元求解算法，海缆的热性能参数，环境参数等。

有限元热分析功能可通过大型有限元建模软件ANSYS实现。该软件热分析建模流程包含如下三个主要步骤：（1）前处理：几何建模；（2）求解：施加荷载并求解；（3）后处理：查看结果。其中前处理又包括：定义单元类型、单元实常数、材料属性以及建立几何实体（几何建模）。海缆温度场可以按照图2所示流程图进行求解。

3 温度监测系统的关键技术分析

3.1 实时导体温度的计算

BOTDA设备采集的是光纤温度，而对海缆运行状态进行评估的关键因素是导体温度，因此需要通过有限元温度场建模技术完成光纤温度到导体温度的推导。计算实时导体温度需已知的条件包括电流载荷、光纤温度、海缆结构与材料参数以及铺设海域环境参数。实际工程中的海域环境参数是动态变化的，需要通过有限元建模获得准确的环境参数。基于上述已知条件，实时导体温度的计算主要分以下两个步骤进行，如图3所示：

图2 海缆温度场建模求解流程图

图3 实时导体温度求解步骤

（1）获取海缆敷设的环境边界条件

在求解海缆的实时导体温度时，首先要获取正确的海缆敷设环境边界参数。海域铺设环境参数包括环境温度和环境导热系数，虽然可通过查询铺设海域的水文数据获得大致数据范围，但准确的参数是随着不同铺设环境（包括埋深）和不同时间（月份季节）的变化而变化的。因此需要根据已知条件计算出准确的环境参数。由IEC60287标准计算得到海缆的损耗（导体损耗、金属套损耗、绝缘损耗、铠装层损耗）之后，通过有限元温度场建模技术可以获得准确的环境边界条件，其原理图如图4所示，其修正流程图如图5所示。

图4 环境边界条件获取原理图

图5 环境边界条件修正流程图

（2）有限元建模求解海缆实时导体温度

获取正确的环境边界条件参数后，结合光纤温度数据，即可利用有限元温度场建模技术计算实时导体温度。导体温度计算如图6所示：

图6 导体温度计算步骤

4 实例验证与分析

本文以厦门围里变电站春围Ⅱ路的220kV充油海底电缆工程为例，通过有限元温度场建模技术计算海缆实时导体温度。海缆主要结构参数和材料导热系数如表1和表2所示。

在ANSYS中选择8节点的二维实体单元进行建模求解海缆的温度云图。首先根据表2建立海缆材料特性模型，然后根据表1建立电缆的几何模型并进行交叠运算。海缆的几何实体如图7所示：

表1 充油海缆结构参数

表2 充油海缆材料导热系数

图7 海缆几何实体

几何实体建立完成后，根据海缆每个结构层的材料种类，将材料模型与几何实体进行匹配，选择自适应的网格化分技术进行全区域的网格划分，如图8所示：

图8 全区域网格划分

最后进行有限元温度云图的求解。定义模型求解类型为稳态热分析，输入环境边界参数值和模型的热载荷。其中热载荷值是由海缆的损耗转换而来的，其转换公式为：

图9 有限元模型温度云图

其中Φ表示生热率（J/m2）,Q 表示损耗（J），S表示损耗所在结构层的横截面积（m2）。模型求解的温度云图如图9，由导体到环境边界的电缆径向温度曲线如图10所示。

4.2 实验结果及分析

通过有限元温度场建模技术，获取不同电流和光纤温度对应的环境边界条件，并制作成环境边界条件表以供查阅。针对本项目的220kV充油海底电缆，采集不通电流下的光纤温度，查阅环境边界条件表获取准确的环境参数，再次通过有限元建模求解实时导体温度，实验结果如表3所示：

表3 海缆实时导体温度

图10 海缆径向温度曲线图

通过充油海缆的温度监测系统，可以实现导体温度的实时在线监测。根据导体实时温度曲线，可以进行合理的海缆载荷调整。当导体温度偏高时，应适当减小负载电流，使得导体温度不超过最高工作温度，保证海缆的安全运行。当导体温度偏低时，可以适当加大传输电流，充分利用海缆的负载裕度，提高海缆运行的经济效益。

5 结语

本文以厦门围里变电站春围Ⅱ路的220kV充油海缆工程为例，详细论述了充油海缆的温度监测系统的原理以及具体的实现过程。温度监测系统的核心是分布式光纤传感技术与有限元温度场建模技术的结合，内容概述如下：

（1）采用基于布里渊散射的BOTDA技术实时采集海缆内置光纤的温度；

（2）由已知的实时电流及采集的光纤温度，通过有限元建模获取准确的环境边界条件；

（3）由实时电流、光纤温度以及建模求解的环境边界条件，通过有限元建模求解导体的实时温度。

充油海缆的温度监测系统为海缆负荷的调度提供依据，根据实时的温度曲线调整传输电流的大小，既能保证海缆的安全运行，又能提高海缆的工作效率。