2024年高壓直流海底電纜狀態(tài)感知技術(shù)報告

流海底電纜狀態(tài)感知技術(shù)1122334455高壓直流海底電纜是實現(xiàn)超大規(guī)模海上風(fēng)電遠距離送電的關(guān)鍵設(shè)備，長度長、電壓等級高。交聯(lián)聚乙烯因耐高溫、低損耗、易安裝、電氣性能與機械性能良好等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于高壓直流海底電纜，逐漸取代了充油電纜。國外高壓直流海底電纜工程1234567埋在海床下一定深度的海底電纜上部海床被洋流長期沖刷，埋深、裸露、懸空等狀態(tài)不斷變化，嚴(yán)重時發(fā)生渦激振動，易出現(xiàn)磨船知地餾漁船捕魚作業(yè)地質(zhì)變化華潤電力控股有限公司汕頭海上風(fēng)電電力有限公司已開始建設(shè)一回±500kV直流海纜工程。4絕緣屏蔽8填充物10鋼絲鎧裝11外護套平滑鋁套防腐層非金屬套半導(dǎo)電層導(dǎo)體半導(dǎo)電帶擠制外屏XLPE2銅導(dǎo)體3導(dǎo)體屏蔽4浸漬紙帶絕緣5抱緣屏蔽6第1層銅導(dǎo)電膠帶-7鉛合金護套-8第2層導(dǎo)電膠帶12防蛀層15外護套1銅導(dǎo)體2第1層陽水帶3導(dǎo)體屏蔽5絕緣屏蔽7鉛合金護套光學(xué)檢測聲學(xué)檢測磁學(xué)檢測光學(xué)檢測聲學(xué)檢測磁學(xué)檢測光纖傳感6/38感知技術(shù)不足光學(xué)檢測利用水下攝像機拍攝海底電纜光學(xué)圖像圖像質(zhì)量較差，檢測范圍受限聲學(xué)檢測利用聲納掃描海底電纜路由聲學(xué)圖像分辨率較大，受電纜深度限制磁學(xué)檢測利用磁力梯度儀檢測海底電纜磁場信號無法反映電纜拐彎，不能連續(xù)監(jiān)測潛水員下潛潛水員實地確認海底電纜敷設(shè)狀況長時間、檢測深度有限、有危險性光纖傳感內(nèi)置于海底電纜中的光纖對溫度、應(yīng)變、振動敏感狀態(tài)評估有待研究海底電纜光纖傳感技術(shù)現(xiàn)狀海底電纜光纖傳感技術(shù)現(xiàn)狀0.1m0.1℃0.1m0.1℃Monitoringtype0.1mMonitoringtype直流海底電纜的研究集中在載流量計算、溫度場計算、埋深檢測與渦激振動檢測等方面。電荷積聚temperatureisnotmethodofcurrent需要準(zhǔn)確的海底環(huán)境參數(shù)缺乏連續(xù)檢測方法ThedepthofburiedLackof渦激振動圓柱體和懸跨管道仿真，不是電纜絕緣結(jié)構(gòu)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(損),αz)EQ\*jc3\*hps29\o\al(\s\up20(耗),o)載流量計算：Insulationdielectric金屬套與屏蔽損耗：AccuratethermalpathcalculationmodelofACsubmarinecable交流海纜等效熱路模型AccuratethermalpathcalculationmodelofACsubmarinecable交流海纜等效熱路模型鎧裝層損耗：載流量計算：Accuratethermalpathcalculationmodelof直流海纜等效熱路模型UnderACvoltage,theelectr是電-熱-流多物理場強耦合。500kV直流電纜電場分布500kV直流電纜不同電流下絕緣層中的溫度差不同電流下絕緣層溫度SouthChinaUniversity開始建立電纜終端仿真模型和電熱耦合分析環(huán)境加載電場邊界條件：線藝一漏病合電壓白由度井加校節(jié)點電流，線芯另一端加載高壓，法蘭、銅托、應(yīng)力錐加加載電場邊界條件：線藝一漏病合電壓白由度井加校節(jié)點電流，線芯另一端加載高壓，法蘭、銅托、應(yīng)力錐加終端外表面與空氣的對流換熱系數(shù)h劃分網(wǎng)格并計算泄漏電流對溫度場的影響得到終端電場溫度場檢右分布結(jié)果是否分析絕緣泄漏電沉對溫度場的影響?否結(jié)束EQ\*jc3\*hps21\o\al(\s\up4(果),IP)EQ\*jc3\*hps21\o\al(\s\up4(中),E)漏電流產(chǎn)生的焦耳熱將絕緣部位單元然耳熱作為溫度場加載條件計算山泄漏電流產(chǎn)熱對終端溫度場的影響結(jié)構(gòu)半徑/mm阻水銅導(dǎo)體交聯(lián)聚乙烯絕緣增強絕緣(硅橡膠)硅油環(huán)氧套管硅橡膠護套HAOYanpeng.ZENGTong.YANGLin,etal.Thedeterminationnethodofsteady-statecurent-carryingcapacityofHVDCcableterminaSouthChinaUniversityofTechnologySubstitutingQnandsurfacetemperaNoOutputthetemperaturev提出的溫度場迭代計算方法：給出I,Tx,溫度場有限元仿真計算Q、T,基于T計算Q。、Ta,直到T=Tn+1穩(wěn)定，并計算出各絕緣層溫度。IEC方法某直流海底電纜終端1100A絕緣最高溫度和最大溫差絕緣類型絕緣厚度最高溫度溫度差/℃XLPE絕緣增強絕緣環(huán)氧樹脂硅橡膠護套2.1Cable線芯載流較大時，未使用迭代方法計算的線芯溫度、XLPE絕緣最大溫差偏小，會使終端允許載流偏大估計。Iftheexternalinsulationtemperatureoftheterminalchangessignificantly,thecurrenusingtheiterativemethodwillbringgreaterrors.倘若終端外絕緣溫度變化很明顯時，未使用迭代方法得到的載流量會帶來很大的誤差。RelationshipbetweencratingandmaximumtemperaturegradientofXLPE<線芯載流/A終端外絕緣溫度/線芯載流/A終端外絕緣溫度/CcurrentandmaximumtemperatugradientofXLPERelationshipbetweencutenvironmentaltemperaturHAOYapengZENGTongYANGLin,etalThedeminationmethadofscadb-sateurenltanringcapaiyorHVDCcablteminalJ]PowerSystamTchmolgy,2015,39(9):2海底電纜本體外圖本是絕緣層下表面，第1類邊界條價限制條件/(℃)基于有限元法與解析法，直流電纜穩(wěn)態(tài)載流量相差在0.6%以內(nèi)。在不同敷設(shè)環(huán)境溫度下，穩(wěn)態(tài)載流量計外圖本是絕緣層下表面，第1類邊界條價限制條件/(℃)敷設(shè)環(huán)境溫度/(℃)593847261ElectricPowerSystems,2016,40(18海纜狀態(tài)評估簡化溫度場計算模型Thethermalconductivityoftheequivalentlayerandthespecificheatcapa阻水鉭導(dǎo)體導(dǎo)體屏蔽不銹鋼光單元PE填充條等效第三層等效層導(dǎo)熱等效層比熱容HAOYampeng.CHENYMm.YANGLim,ealSmadynsimphicationanequialaceor3dsimlaionnodedofHVDCsitmnicale[]S海纜狀態(tài)評估簡化溫度場計算模型海纜狀態(tài)評估通1三通1三穩(wěn)態(tài)溫度簡化前簡化后絕對誤差絕緣層溫差/℃海纜外表面溫度/℃000計算時間計算時間s簡化前簡化后簡化后為簡比穩(wěn)態(tài)溫度分布暫態(tài)溫度分布HAOYampeng.CHENYMm.YANGLim,ealSmadynsimphicationanequialaceor3dsimlaionnodedoSouthChinaUniversityofTechnologyestablished,andtheinfluenceoflayingandburyingmet●Three-dimensional●Three-dimensionalmodelofsubmarine水域水域土壤區(qū)域土壤區(qū)域海纜YapengHaoYmChen,LInYamg°,alCoplaSimlaiononElcto-theml-adMatipkePlysialFielsofHVDCSutmaieCabel]Hgh溫度/℃溫度/℃ (b)鋪設(shè)時XLPE絕緣效層導(dǎo)體導(dǎo)體XLPE絕緣(a)埋設(shè)時不同載流量下海纜徑向溫度分布不同海水流速下海纜絕緣層徑向電場分布海纜狀態(tài)評估電-熱-流耦合識海水溫度/℃絕緣層徑向距離/mm海水溫度/℃已知條件分布式光纖傳感技術(shù)已知條件分布式光纖傳感技術(shù)仿真參數(shù)熱容(J/(kgK))密度(kg/m)阻水帶1222阻水帶22222內(nèi)墊層36海纜狀態(tài)評估基于光纖的溫度場計算海纜運行數(shù)據(jù)海纜運行數(shù)據(jù)和電氣特性運行條件流場·修正海纜本體參數(shù)·獲得與試驗數(shù)據(jù)匹配的溫度分布電場光纖監(jiān)測溫度條件AhuminkumAosxta63aAhonkum00tt.9000mmat0.25最大可檢測深度僅11cm,實際埋深再大不準(zhǔn)確。y?=8.8117I2-0.00651+0.y?=57.873I2+0.00031+26圖14電氣故障對城芯濕度的影響圖12直電理理X度安化續(xù)況5海雇電及質(zhì)變化西磚5海雇電及質(zhì)變化西磚未考慮電纜暫態(tài)溫度場，電流波動大時不適用。3.1BurialDepthDetec基于IEC60287,海底電纜埋深與土壤熱阻存在函數(shù)關(guān)系。埋深準(zhǔn)確計算缺乏土壤熱阻率pr、海床表面溫度θs。埋深待求參數(shù)LIQam,YapengHao3,PengZhangetalSuadonteNetodfoDetctngheBuralDepthof±50kVXLPEDCSsumatineCabesBasdon參數(shù)求取海床表面溫度獲取cables,theroutewa酒度酒度LIQimnYapegHan3,PengZhangetalSudonteMetoforDetectngSouthChinaUniversityofTechnoThereisairinthegapofarmoredsteeresultinginthecalculationoft鎧裝鋼絲縫隙中存在空氣，而熱路法計算時忽略了空氣，導(dǎo)致鎧裝層熱阻計算偏小修正熱阻值對直流海底電纜埋深計算的影響LIQimnYapegHan3,PengZhangetalSudonteMetoforDtastngtheBurvoltageapparatus.2024,埋深計算埋深實際值(m)埋深實際值(m)埋深實際值(m)埋深實際值(m)a0導(dǎo)體其膠2222222內(nèi)整要36LIQimnYapegHan3,PengZhangetalSudonteMetoforDetec仿真模型建立單芯光纖復(fù)合海底電纜無扭轉(zhuǎn)的有限元仿真模型。采用流固耦合方法分析海底電纜渦激振動，提出扭轉(zhuǎn)光纖位置應(yīng)力海底電纜網(wǎng)格劃分厚度泊松比μ彈性模量密度1銅導(dǎo)體2絕緣層34海底電纜網(wǎng)格劃分厚度泊松比μ彈性模量密度1銅導(dǎo)體2絕緣層345PET層7realcgofsutrinecabksinvortex-inducedvibration[J].IETGenerationTransmis仿真分析固有頻率/Hz報型123456霞如霞如nxndistributionofsubmarinedistributionofsubmarinecable振恒/mmTime-frequencycharacteristicsoftransverseamplitudeofsubmarinecablesatdifferentflowveloc不同流速下海底電纜橫向振幅時頻特性仿真分析非扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)沿軸向的應(yīng)力呈現(xiàn)對稱分布，最大值出現(xiàn)在兩端，中間出現(xiàn)較小的峰值，鋼絲鎧長度L長度L海底電纜渦激振動應(yīng)力分布云圖2024,18(7):1391-1403.SouthChinaUniversityofTechnology仿真分析yortex-inducedvibration水流垂直海纜時，扭轉(zhuǎn)光纖應(yīng)力變化與渦激振動頻率相同。Thepositionandlengthofvortex-inducedvibrationvariationoccurs,whichprovidesamethodforvortex-inducedvibrationlocation.Thenumberlengthofvortexinduced