海南联网系统500 kV海底电缆温度在线监测研究

黄小卫， 臧源源， 王剑英

（中国南方电网超高压输电公司广州局，广东广州510405）

海南联网系统500 kV海底电缆温度在线监测研究

黄小卫， 臧源源， 王剑英

（中国南方电网超高压输电公司广州局，广东广州510405）

导体温度是电缆运行非常重要的参数之一，讨论了海南联网系统500 kV海底电缆温度在线监测方式，介绍了利用布里渊散射分布式测量海底电缆表面温度的原理，结合IEC 60287标准中的内容，对热阻计算进行了优化，从而依据海缆表面的温度推导出导体的温度，实现海底电缆导体温度的实时分布式监测。

海底电缆；载流量；温度；布里渊散射；分布式监测

0 引 言

海南联网系统是国内第一个超高压、长距离、较大容量的跨海电力联网系统。联网系统500 kV海底电缆路由北起广东省湛江市徐闻县角尾乡南岭村，过海跨越琼州海峡，南至海南省澄迈县桥头镇林诗村。海底电缆正常运行时，导体的温度是一个非常重要的参数，导体实时温度决定了海底电缆当前的载流量。另外，若海底电缆工作温度过高，将导致绝缘材料老化加速，海缆寿命缩短，严重时甚至会出现故障［1］；在海缆内部微小缺陷发展过程中，会伴随着异常发热，缺陷点温度会升高，严重时绝缘老化加速，导致热击穿［2-3］。因此，对海底电缆的导体温度进行实时监控，对控制海底电缆的载流量，提高其运行可靠性，防止事故发生非常有必要。

海南联网系统采用交流500 kV自容式充油电缆，每根海缆捆绑一根光缆，单根海底电缆长度约为31 km，其结构如图1所示。由于海底电缆过长，所处环境复杂多样，通常情况下无法直接检测得到电缆导体的温度，因此可以通过监测海底电缆捆绑光缆的温度得到海缆外表面的温度，然后通过热传递的相关原理计算分析得到电缆导体的温度。

1 海底电缆表层温度的分布式监测

海南联网系统海底电缆表面温度的监测可以通过监测捆绑光缆的温度来实现，目前，光缆温度的监测一般采用的是分布式光纤传感技术。

光在光纤中传输，主要有瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射三种散射光，其中布里渊散射是一种非弹性散射，散射的过程中会发生频移，而且布里渊散射信号最明显的一个优点就是较大、易检测，适合较长距离的检测［3］。布里渊散射光实际上是泵浦入射光和光学声子相互作用的结果，泵浦入射光吸收或释放声子使得散射光频移，该散射光频移的大小决定于声波速度，而光纤中声波的速度又受光纤温度的影响，因此光纤温度会直接影响到布里渊频移的大小。从理论上来说，测量出布里渊频移的大小即可计算出光纤的温度。

布里渊频移的计算式为［4］：

式中：υB为布里渊频移；υa为光纤中声波速度；n为折射率；λ为入射光波波长。

图1 海南联网系统500 kV海底电缆结构图

海南联网系统海底光缆所用光纤为普通硅玻璃单模光纤，对于波长为1 550 nm的入射光，在20℃的参考温度下，光纤的折射率为1.468，光纤中声波速度为5 945 m/s［4］，则可以计算出20℃时的布里渊频移为11.2 GHz。

温度监测需要使用捆绑光缆中的两根光纤，这两根光纤在海底电缆的另一端通过终端盒连接在一起，形成一个回路，如图2所示。

图2 分布式光纤测温原理图

在两根光纤的两端分别注入一脉冲光（泵浦光）与一连续的探测光，当泵浦光和探测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等时，就会产生受激布里渊散射，两光束之间发生能量转移，通过检测光纤一端耦合出来的连续光的功率，就可以确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差，从而得到温度应变信息，实现温度的分布式测量。图2中光信号处理器用来产生泵浦光和连续光，波分复用过滤装置是用来将连续光和泵浦光区分开来并分别注入光纤，光电探测器用来检测散射光的频移。

Toshio Kurashima等人通过大量研究，发现布里渊频移温度和应变之间近似成线性关系，建立的表达式如下［5］：

式中：υB（t）为布里渊频移；t为光纤温度；tr为参考温度；Ct为温度应变系数（GHz/℃）。

对于特定波长的入射光在普通单模光纤中，温度应变系数是可以计算出来的确定值，对于海南联网海底光缆所属类型的单模光纤，当入射波波长为1 550 nm时，其温度应变系数 Ct=1.18×10-4GHz/℃［6］。参考温度取20℃，此时的频移通过式（1）的计算得到为11.2GHz，则只要测出光纤沿线各点的频移大小，就可以由式（2）求得光纤的分布式温度信息，由于光缆是捆绑在海底电缆的表面，此温度即可认为是海底电缆表层的温度。

2 海底电缆导体温度计算

由分布式光纤测温装置（DTS）可以测出海底电缆表面的温度，结合当前海底电缆的负荷情况、电压电流参数、海缆各层热阻及周围环境的热阻等相关数据，以及电缆发热特性、载流量计算以及热力学传导的相关理论，逆向推导，就可以计算出海底电缆导体的温度。

根据IEC 60287，可以建立海底电缆发热的热路模型，如图3所示［7］。

图3中，Wc为导体发热，Wc=I2R；Wd为介质损耗，Wd=ωCU2tanδ；λ1Wc为铅护套损耗，λ1为铅合金护套损耗系数；λ2Wc为铠装损耗，λ2为铠装损耗系数；T1、T2及T3分别为导体与铅合金护套之间、铅合金护套与铠装之间以及外被层的热阻，T4为海底电缆周围环境的热阻；θc为海底电缆导体的温度，θa为海缆表面的温度。其中海缆电容 C= 0.24×10-6μF/km=0.24×10-12F/km；海缆介损tanδ=0.002 8。

图3 海底电缆热路图

根据热路模型可以得到，海底电缆导体与海缆表面温度差为［8］：

即海底电缆导体温度表达式为：

对于单芯电缆，式（3）、式（4）中n=1。

在IEC 60287标准中，电缆结构较为简单，在导体与铅合金护套之间只计算绝缘层的热阻，在铅合金护套与铠装之间也只计算内衬层的热阻。但是海南联网系统海底电缆在这三层金属层之间各分布有4层其他非金属层，为了使结果更准确，可以将导体与铅合金护套之间及铅合金护套与铠装之间的热阻分别看作由4层非金属层热阻串联而成。

导体与铅合金护套之间的热阻T1可以看作四层非金属层的热阻T1i的串联，则

式中：T1i为导体与铅合金护套之间第i层的热阻；ρT1i为该层的热阻系数；t1i为该层的厚度；D1i为该层内径。

铅护套和铠装之间的加强层、防蛀层为金属部分，相对于非金属部分来说，其热阻要小得多，可以忽略不计，因此，同样可以得到

按照上面的方法，得到海南联网系统海底电缆相关参数及计算出的热阻等参数，见表1。

表1 海底电缆结构参数及热阻计算值

式（3）中T4为海底电缆外部热阻，与海底电缆所处环境特点有关，海南联网系统500 kV海底电缆从广东侧灯楼角入海，跨越琼州海峡，在海南侧玉包角登陆上岸，并且海底电缆轴向间距及掩埋深度也并不是完全相同，因此其外部热阻在不同的地方也不尽相同。海南联网系统海底电缆在两侧终端下方直接裸露在空气中；在南岭登陆段，掩埋于土壤之中；在海洋之中也通过冲埋、抛石保护等掩埋于海床之上，在林诗岛登陆段则是通过挖沟槽回填方式掩埋。根据海缆的沿线环境的特点，可以将海缆分为深海段、浅滩区、南岭登陆段、林诗岛沟槽段及裸露空气段五个区段分别计算其外部热阻。其中，海床热阻系数为0.8 K·m/W，为了方便计算，统一按照设计时的埋深2 m来计算；浅滩区、登陆段及空气裸露段海缆间距为7.5 m，登陆段海缆埋深均约1 m，其中林诗岛登陆段用混凝土包和挖出的淤泥回填［9］，土壤热阻系数为1.0 K·m/W，空气裸露段海缆由地底出来，直接上终端头处，不与日光直接接触，因此可以不考虑日照的影响。外部热阻的计算按照IEC 60287的要求进行，计算结果如表2所示。

λ1、λ2分别为铅合金护套损耗系数及铠装损耗系数。海南联网系统500 kV海底电缆铠装层为铜铠装，属于非磁性铠装。为了防止运行中护套中各层的电压过高，在生产制造时，海缆内部的铅护套与铠装层每隔8 km就短接一次［10］，海缆两端金属护套均有接地，因此，可以将铅合金护套与金属铠装的损耗合并在一起进行计算，通过确认损耗比来计算出λ1及λ2，计算方法为IEC 60287中规定的方法，损耗的计算与海底电缆间距有关，计算结果见表2。

表2 海底电缆损耗系数及外部热阻结算结果［10］

由于在海床上的海底电缆其间距约为水深的2倍，因此水深不同的地方海缆间距也不同，表2中仅计算出水深10 m处的热阻和损耗，在海底其他地方的热阻及损耗按同样的方法计算。

式（4）中各参数计算出来后，通过分布式光纤测温装置测出的海缆表面的温度θa，就可以计算得到海缆导体的温度。图4所示为海南联网系统500 kV海底电缆某一时刻监测到的沿线导体温度分布。

图4 海底电缆实时温度分布图

另外，按照同样的方法，参照热路图3，根据热传导的原理，也可以计算出铅合金护套层的温度θ铅和铠装层的温度θ铠如下：

3 结束语

海南联网系统每根海底电缆都捆绑有一根光缆，通过基于布里渊散射的原理，分布式监测得到光纤的温度，得到海缆表面的温度，依据IEC 60287标准中的热路模型，推导计算出500 kV海底电缆的导体的温度。光在光纤中的布里渊散射会产生频移，频移的大小与温度成近似线性关系，因此，测量出频移的大小就可以反推出光纤的温度，将此温度作为海缆表面的温度，通过计算海缆内部各层的热阻、损耗，依据热传导的原理，就可以从海缆表面的温度逆推出海缆内部铠装、铅合金护套、导体的温度。在计算热阻的过程中，如果严格按照IEC 60287标准的方法，15层的海缆有很多层将会被忽略，误差将会很大，本文的方法是将金属层之间各层热阻分别计算出来，将每两层金属层中间的非金属层热阻并联，从理论上来说将会大大提高准确度。

［1］ 牛海清，周 鑫，王晓兵，等.外皮温度监测的单芯电缆暂态温度计算与试验［J］.高电压技术，2009，35（9）：2138-2143.

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Study on 500kV Submarine Cable Tem perature On-Line M onitoring of Hainan Grid Interconnection System

HUANG Xiao-wei，ZANG Yuan-yuan，WANG Jian-ying
（Guangzhou Bureau，EHV，China Southern Power Grid，Guangzhou 510405，China）

The conductor temperature of the cable is an extremely important parameterwhen it is being running.It is presented the principle of the distributedmeasurementof the surface temperature of the submarine cablewith the theory of Brillouin scattering；and then it references the standard of IEC60287，optimizes the computing method of the thermal resistance，and then deduces the conductor temperature by the surface one，so to achieve distributedmonitoring of the conductor temperature of the submarine cable in real time.

submarine cable；ampacity；temperature；brillouin scattering；distributed measurement

TN818

A

1672-6901（2014）06-0024-04

2014-07-27

黄小卫（1985-），男，助理工程师.

作者地址：海南海口市滨海大道103号财富广场14楼BCD［570105］.