2024年高压直流海底电缆状态感知技术报告

流海底电缆状态感知技术1122334455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，长度长、电压等级高。交联聚乙烯因耐高温、低损耗、易安装、电气性能与机械性能良好等优点而广泛应用于高压直流海底电缆，逐渐取代了充油电缆。国外高压直流海底电缆工程1234567埋在海床下一定深度的海底电缆上部海床被洋流长期冲刷，埋深、裸露、悬空等状态不断变化，严重时发生涡激振动，易出现磨船知地馏渔船捕鱼作业地质变化华润电力控股有限公司汕头海上风电电力有限公司已开始建设一回±500kV直流海缆工程。4绝缘屏蔽8填充物10钢丝铠装11外护套平滑铝套防腐层非金属套半导电层导体半导电带挤制外屏XLPE2铜导体3导体屏蔽4浸渍纸带绝缘5抱缘屏蔽6第1层铜导电胶带-7铅合金护套-8第2层导电胶带12防蛀层15外护套1铜导体2第1层阳水带3导体屏蔽5绝缘屏蔽7铅合金护套光学检测声学检测磁学检测光学检测声学检测磁学检测光纤传感6/38感知技术不足光学检测利用水下摄像机拍摄海底电缆光学图像图像质量较差，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大，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拐弯，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长时间、检测深度有限、有危险性光纤传感内置于海底电缆中的光纤对温度、应变、振动敏感状态评估有待研究海底电缆光纤传感技术现状海底电缆光纤传感技术现状0.1m0.1℃0.1m0.1℃Monitoringtype0.1mMonitoringtype直流海底电缆的研究集中在载流量计算、温度场计算、埋深检测与涡激振动检测等方面。电荷积聚temperatureisnotmethodofcurrent需要准确的海底环境参数缺乏连续检测方法ThedepthofburiedLackof涡激振动圆柱体和悬跨管道仿真，不是电缆绝缘结构SouthChinaUniversityofTechnologyeffectsfactor,ci等立environmentJouleheatenvironmentJouleheatlossofaconductorTTEQ\*jc3\*hps29\o\al(\s\up20(的),R)EQ\*jc3\*hps29\o\al(\s\up20(的),R)焦EQ\*jc3\*hps29\o\al(\s\up20(损),αz)EQ\*jc3\*hps29\o\al(\s\up20(耗),o)载流量计算：Insulationdielectric金属套与屏蔽损耗：AccuratethermalpathcalculationmodelofACsubmarinecable交流海缆等效热路模型AccuratethermalpathcalculationmodelofACsubmarinecable交流海缆等效热路模型铠装层损耗：载流量计算：Accuratethermalpathcalculationmodelof直流海缆等效热路模型UnderACvoltage,theelectr是电-热-流多物理场强耦合。500kV直流电缆电场分布500kV直流电缆不同电流下绝缘层中的温度差不同电流下绝缘层温度SouthChinaUniversity开始建立电缆终端仿真模型和电热耦合分析环境加载电场边界条件：线艺一漏病合电压白由度井加校节点电流，线芯另一端加载高压，法兰、铜托、应力锥加加载电场边界条件：线艺一漏病合电压白由度井加校节点电流，线芯另一端加载高压，法兰、铜托、应力锥加终端外表面与空气的对流换热系数h划分网格并计算泄漏电流对温度场的影响得到终端电场温度场检右分布结果是否分析绝缘泄漏电沉对温度场的影响?否结束EQ\*jc3\*hps21\o\al(\s\up4(果),IP)EQ\*jc3\*hps21\o\al(\s\up4(中),E)漏电流产生的焦耳热将绝缘部位单元然耳热作为温度场加载条件计算山泄漏电流产热对终端温度场的影响结构半径/mm阻水铜导体交联聚乙烯绝缘增强绝缘(硅橡胶)硅油环氧套管硅橡胶护套HAOYanpeng.ZENGTong.YANGLin,etal.Thedeterminationnethodofsteady-statecurent-carryingcapacityofHVDCcableterminaSouthChinaUniversityofTechnologySubstitutingQnandsurfacetemperaNoOutputthetemperaturev提出的温度场迭代计算方法：给出I,Tx,温度场有限元仿真计算Q、T,基于T计算Q。、Ta,直到T=Tn+1稳定，并计算出各绝缘层温度。IEC方法某直流海底电缆终端1100A绝缘最高温度和最大温差绝缘类型绝缘厚度最高温度温度差/℃XLPE绝缘增强绝缘环氧树脂硅橡胶护套2.1Cable线芯载流较大时，未使用迭代方法计算的线芯温度、XLPE绝缘最大温差偏小，会使终端允许载流偏大估计。Iftheexternalinsulationtemperatureoftheterminalchangessignificantly,thecurrenusingtheiterativemethodwillbringgreaterrors.倘若终端外绝缘温度变化很明显时，未使用迭代方法得到的载流量会带来很大的误差。RelationshipbetweencratingandmaximumtemperaturegradientofXLPE<线芯载流/A终端外绝缘温度/线芯载流/A终端外绝缘温度/CcurrentandmaximumtemperatugradientofXLPERelationshipbetweencutenvironmentaltemperaturHAOYapengZENGTongYANGLin,etalThedeminationmethadofscadb-sateurenltanringcapaiyorHVDCcablteminalJ]PowerSystamTchmolgy,2015,39(9):2海底电缆本体外图本是绝缘层下表面，第1类边界条价限制条件/(℃)基于有限元法与解析法，直流电缆稳态载流量相差在0.6%以内。在不同敷设环境温度下，稳态载流量计外图本是绝缘层下表面，第1类边界条价限制条件/(℃)敷设环境温度/(℃)593847261ElectricPowerSystems,2016,40(18海缆状态评估简化温度场计算模型Thethermalconductivityoftheequivalentlayerandthespecificheatcapa阻水钽导体导体屏蔽不锈钢光单元PE填充条等效第三层等效层导热等效层比热容HAOYampeng.CHENYMm.YANGLim,ealSmadynsimphicationanequialaceor3dsimlaionnodedofHVDCsitmnicale[]S海缆状态评估简化温度场计算模型海缆状态评估通1三通1三稳态温度简化前简化后绝对误差绝缘层温差/℃海缆外表面温度/℃000计算时间计算时间s简化前简化后简化后为简比稳态温度分布暂态温度分布HAOYampeng.CHENYMm.YANGLim,ealSmadynsimphicationanequialaceor3dsimlaionnodedoSouthChinaUniversityofTechnologyestablished,andtheinfluenceoflayingandburyingmet●Three-dimensional●Three-dimensionalmodelofsubmarine水域水域土壤区域土壤区域海缆YapengHaoYmChen,LInYamg°,alCoplaSimlaiononElcto-theml-adMatipkePlysialFielsofHVDCSutmaieCabel]Hgh温度/℃温度/℃ (b)铺设时XLPE绝缘效层导体导体XLPE绝缘(a)埋设时不同载流量下海缆径向温度分布不同海水流速下海缆绝缘层径向电场分布海缆状态评估电-热-流耦合识海水温度/℃绝缘层径向距离/mm海水温度/℃已知条件分布式光纤传感技术已知条件分布式光纤传感技术仿真参数热容(J/(kgK))密度(kg/m)阻水带1222阻水带22222内垫层36海缆状态评估基于光纤的温度场计算海缆运行数据海缆运行数据和电气特性运行条件流场·修正海缆本体参数·获得与试验数据匹配的温度分布电场光纤监测温度条件AhuminkumAosxta63aAhonkum00tt.9000mmat0.25最大可检测深度仅11cm,实际埋深再大不准确。y₁=8.8117I²-0.00651+0.y₂=57.873I²+0.00031+26图14电气故障对城芯湿度的影响图12直电理理X度安化续况5海雇电及质变化西砖5海雇电及质变化西砖未考虑电缆暂态温度场，电流波动大时不适用。3.1BurialDepthDetec基于IEC60287,海底电缆埋深与土壤热阻存在函数关系。埋深准确计算缺乏土壤热阻率pr、海床表面温度θs。埋深待求参数LIQam,YapengHao³,PengZhangetalSuadonteNetodfoDetctngheBuralDepthof±50kVXLPEDCSsumatineCabesBasdon参数求取海床表面温度获取cables,theroutewa酒度酒度LIQimnYapegHan³,PengZhangetalSudonteMetoforDetectngSouthChinaUniversityofTechnoThereisairinthegapofarmoredsteeresultinginthecalculationoft铠装钢丝缝隙中存在空气，而热路法计算时忽略了空气，导致铠装层热阻计算偏小修正热阻值对直流海底电缆埋深计算的影响LIQimnYapegHan³,PengZhangetalSudonteMetoforDtastngtheBurvoltageapparatus.2024,埋深计算埋深实际值(m)埋深实际值(m)埋深实际值(m)埋深实际值(m)a0导体其胶2222222内整要36LIQimnYapegHan³,PengZhangetalSudonteMetoforDetec仿真模型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海底电缆网格划分厚度泊松比μ弹性模量密度1铜导体2绝缘层34海底电缆网格划分厚度泊松比μ弹性模量密度1铜导体2绝缘层345PET层7realcgofsutrinecabksinvortex-inducedvibration[J].IETGenerationTransmis仿真分析固有频率/Hz报型123456霞如霞如nxndistributionofsubmarinedistributionofsubmarinecable振恒/mmTime-frequencycharacteristicsoftransverseamplitudeofsubmarinecablesatdifferentflowveloc不同流速下海底电缆横向振幅时频特性仿真分析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，钢丝铠长度L长度L海底电缆涡激振动应力分布云图2024,18(7):1391-1403.SouthChinaUniversityofTechnology仿真分析yortex-inducedvibration水流垂直海缆时，扭转光纤应力变化与涡激振动频率相同。Thepositionandlengthofvortex-inducedvibrationvariationoccurs,whichprovidesamethodforvortex-inducedvibrationlocation.Thenumberlengthofvortexinduced