2024年高压直流海底电缆状态感知技术报告

1、背景
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，但敷设过程中易受自然和人为损伤，导致磨损、机械疲劳等问题。一旦发生故障，修复周期长、成本高。广东电网和汕头海上风电电力有限公司均计划建设±500kV直流海缆，而分布式光纤传感技术因其优势成为海底电缆状态检测的首选，但目前缺乏应用基础研究。

2、载流量计算
基于IEC 60287标准，交流电缆载流量计算考虑集肤效应、邻近效应、环流损耗和涡流损耗，而直流电缆除考虑线芯温度外，还需考虑空间电荷积聚。直流电缆绝缘温差受电流影响较大，电场分布呈阻性，与温度场强耦合。通过有限元法建立的电-热-流耦合模型可准确计算稳态载流量，简化模型计算效率高且误差小。基于光纤的分布式传感技术可间接获取海床热阻等环境参数，提高载流量计算的准确性。

3、埋深检测
基于IEC标准，海底电缆埋深与土壤热阻存在函数关系，但准确计算需土壤热阻率和海床表面温度等参数。通过分布式光纤测量温度、历史负荷和环境热模型可计算埋深，但现有方法的检测深度有限，且未考虑电缆暂态温度场。通过电-热耦合有限元模型可获取铠装层温度等参数，修正热阻计算，提高埋深检测精度。

4、涡激振动检测
建立单芯光纤复合海底电缆无扭转有限元模型，采用流固耦合方法分析涡激振动，并提出扭转光纤位置应力的提取方法。结果表明，水流垂直海缆时，扭转光纤应力变化频率与涡激振动频率一致，可通过应力变化最大值的位置确定涡激振动位置和长度。该方法的准确性已通过三芯海底电缆模型验证。

5、结论与展望
载流量计算不仅用于海缆选型和设计，还可评估温度相关状态，直流电缆计算需考虑空间电荷和绝缘层温差。埋深检测依赖海床热性能参数和表面温度，初始状态数据是状态评估的基础。涡激振动检测可通过光纤应力变化频率和位置确定振动特征，但需进一步研究余长海底电缆的传感模型规律性。局部放电检测难度大，外置式局部放电声波增强光纤传感器可能是中间接头电性能检测的发展方向。