[发明专利]一种光电复合海缆的机械故障监测方法

说明书

本发明公开了属于故障监测技术领域的一种光电复合海缆的机械故障监测方法。该方法是以110kV YJQ41×300mm²型海缆为研究对象，基于ANSYS/LS‑DYNA显式动力学分析建立其结构动力学有限元模型，对海缆拉伸、扭转、锚砸三种典型故障情况进行了建模仿真，得到了海缆复合光纤沿线的应变分布及海缆内相关结构的应变及应力与光纤应变在故障发展过程中的对应关系，建立了拉伸、扭转状态下缆芯、铠装应变及应力与光纤应变的函数关系，以及锚砸状态下海缆损伤状态与光纤应变的评估指标，本发明可对海缆可能处于的机械故障状态类型进行辨识，并结合所建立的函数关系以及损伤评估指标对相应故障的发展程度进行初步判断。

技术领域

本发明属于故障监测技术领域，特别涉及一种光电复合海缆的机械故障监测方法。

背景技术

光电复合海缆造价高昂、结构复杂、运行环境恶劣，对其运行状态进行监测和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。海缆实际安装和运行中随机多样的机械应力会对海缆造成很大威胁。引发机械故障的原因主要包括人类活动中渔具、船锚造成的外力破坏，敷设过程中的损伤以及海底地形环境造成的损伤，外力作用下海缆会形成弯折、同时还可能产生局部扭转和拉伸，甚至断裂。

由于海缆工作环境特殊，很多传统陆上电缆的监测方式难以直接应用到海缆监测中。分布式光纤传感技术的发展为海缆的状态监测提供了机遇，海缆运行以及锚砸、扭转、拉伸等典型故障状态都可以体现为海缆各结构应变及应力的变化，若能进一步将上述主要的应变及应力与海缆中复合光纤的应变建立联系，根据光纤散射信号特征量与应变存在的对应关系有望实现海缆运行状态的监测。到目前为止，基于分布式光纤传感的海缆状态监测系统已基本可对复合光纤的应变信息进行有效监测，但由于缺乏反映海缆状态的诊断特征量和评估标准，造成了大数据贫信息的问题。为了建立海缆的故障阈值信息，NishimotoT和Tayama H等人分别在66kV和6.6kV海缆上采用光纤传感器进行了人为施加的机械挤压、铠装磨损的探测，实现了故障点定位；王国忠等基于海底电缆机械试验标准对型号为YJQF41-26/35 3×120mm²的三芯复合电缆样品进行了盘绕、拉伸、张力弯曲试验，试验研究了海缆的结构变化并对光纤性能进行了测试；中海油研究总院采用不同重量的海军锚进行了光电复合缆的落锚撞击试验，分析了海缆中电单元和光单元的形变，提出了锚砸过程中海缆变化为局部凹陷和整体下沉的共同作用。上述实体试验主要局限于定性分析，最大问题在于难以对试验过程中相关的应变及应力数据进行提取。相比之下，采用数值计算方法建立和求解海缆有限元模型可以有效克服实体实验难度大、成本高、研究案例少、信息采集困难的缺点，采用建模手段研究海缆问题越来越普遍。张旭等人采用有限元软件构建了一种典型的单内铠光电复合海缆仿真模型，比较了仿真与实物试验结果，验证了建模研究拉伸结果的可靠性；张雁龙等通过有限元法对海底光缆在锚害过程中的形变以及铠装的应力变化进行了仿真分析，但未涉及其中的光纤；Knapp.R H采用数值模拟对具有非均匀拉伸和扭转力学性能的铠装电缆进行了非线性分析，并取得了与实验结果良好的一致性。综上所述，现有的关于海缆建模仿真的研究主要为单独分析某种故障状态下的海缆形变和内部物理量，缺乏系统性，尚未形成故障类型的辨识指标，更没有涉及某类故障发展程度与光纤应变关系的定量研究以及诊断特征量的建立。

我们课题组已经于2013年基于BOTDR技术成功实现了对中国东海某处的海缆在线监测，获得了大量的随海缆位置、时间变化的布里渊频移数据，但是根据目前的研究现状还不能有效实现基于测量数据的海缆遭受机械应力下的故障诊断，使得系统的作用不能充分发挥。

发明内容