[发明专利]基于分布式光纤测温的海底电缆埋深分析与计算方法

说明书

本发明公开了属于海底电缆运行和维护领域，特别涉及一种基于分布式光纤测温的海底电缆埋深分析与计算方法；该方法利用有限元仿真软件建立海底电缆在不同埋深、负荷电流、环境温度下的三维电热耦合有限元模型，利用该模型求解海底电缆温度场分布和变化，从中提取光纤温度数据；利用多元非线性拟合法处理仿真数据，获得以光纤温度、负荷电流、环境温度为自变量的海底电缆埋深计算公式；本发明可根据海底电缆内复合光纤的温度直接计算出海底电缆埋深，克服了传统扫海设备埋深探测效率低、成本高、实时难度大等缺点，具有计算速度快、资源消耗少、工程实施方便等优点，为海底电缆运维提供了新的思路和手段。

技术领域

本发明属于海底电缆运行和维护领域，特别涉及一种基于分布式光纤测温的海底电缆埋深分析与计算方法。

背景技术

海底电缆作为岛屿与大陆或岛屿间能源输送的主要通道，在电力传输和光纤通信中起着重要作用，一旦出现故障，会导致严重的社会和经济损失。为了对海底电缆进行机械保护，一般将其敷设于海床下1～3米处。然而，实践表明，海底电缆的埋深受洋流作用会发生变化，随着时间推移，其埋深往往会变浅，甚至出现裸露、悬空等现象，及时发现埋深变浅位置对保证海底电缆安全运行至关重要。

近年来，国内外敷设的海底电缆中一般都含有光纤，用于数据传输和基于分布式光纤传感技术的状态监测，分布式温度传感(DTS)越来越多地用于监测整个电缆线路的温度，以实现海底电缆绝缘温度监测和动态载流量计算。

然而，目前还没有一种实时有效监测埋深的方法。在此背景下，亟需找到一种分布式在线埋深检测方法，降低运维成本，提高运维效率。

自从海底电缆出现至今，研究人员和运维部门对埋深的探测从未停止。现有的方法有如下几种，第一种，以船锚最终的贯入深度作为衡量海底电缆埋深的主要指标，该方法需要考虑海床的地质，实用性不强；第二种，利用TSS350海底电缆检测系统通过感应电缆产生的交变磁场在空间分布上的几何特征，计算出电缆的位置和埋深数据，该方法监测埋深精度高，但测量距离受限，检测效率极低；第三种建立了海底电缆负载变化的热响应模型，利用数值方法分析有效热电阻率和埋深之间的映射关系，计算海底电缆埋深，该方法需根据现场情况建立有效热阻率和埋深之间的关系，计算至少需要几天的时间，实施效率低。

针对以上问题，本发明提出了一种基于分布式光纤测温的海底电缆埋深分析与计算方法，既能提高计算埋深的准确性和可靠性，又能克服实体实验的缺点。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种基于分布式光纤测温的海底电缆埋深分析与计算方法，用于解决现有技术对于海底电缆埋深监测中探测效率低、成本高、实时难度大等缺点。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种基于分布式光纤测温的海底电缆埋深分析与计算方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：建立海底电缆在不同埋深、负荷电流、环境温度下的三维电热耦合有限元模型，利用该模型仿真海底电缆温度场分布和变化，具体方法如下：

(1)选定有限元仿真软件，经过单元与材料模型选择、几何模型建立、网格划分、载荷施加等过程建立电缆和周围环境的电热学有限元模型；选择包含电压、温度自由度的三维单元，用于导体、铅合金护套和钢丝铠装的电热耦合分析；选定有温度自由度的单元构建其他结构层；由导热系数、密度和比热容确定材料特性；根据电缆结构、形状和尺寸确定几何模型；采用非均匀方式进行网格划分；由电缆导体电流、电缆和环境初始温度、电缆与周围环境的换热系数和边界条件来确定载荷；