CN104067135A - 海底电力线缆中的故障检测 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种检测在海底电力线缆中或在包括海底电力线缆的直接电加热系统中的故障的方法。测量点沿海底电力线缆分布。该方法包括在每个测量点处测量海底电力线缆中的电流并且比较在不同测量点处测量的电流。

Description

海底电力线缆中的故障检测

技术领域

本发明涉及海底电力线缆中的故障检测。

背景技术

最近，已经存在对离岸烃生产的日益增加的兴趣。烃井（hydrocarbon well）可以位于距海岸地点许多英里并且在向下抵达数千米的水深中。海底管道可以被用于将烃从离岸井输送到生产船或岸上地点，或者可以被用于在被离岸区段分离的不同岸上地点之间输送烃。

在深水中，水温相对低，其可以例如是在大约-1和+4℃之间。当从海底井中产生烃时，它们可能包括一小部分的水，并且它们另外将在到达海床时显著冷却。这可以引起水合物的形成，其一般是加压的烃气体与水的组合。该组合可以在低温下形成水合物，其为固体材料。水合物可以限制管道内的流动，或者甚至可能完全堵塞管道。

在本领域中将化学品用于防止水合物形成的方法是已知的。更加有效的另一种方法是增大管道的温度，例如通过使用直接电加热（DEH）。这样的DEH系统例如从WO 2004/111519中是已知的，其使用被附连到钢管道的两侧的海底单相线缆。50/60 Hz AC电流经过线缆和管道，并且管道由于其电阻而被加热。

电源一般位于岸上位置处或在生产船上，并且这样的电源的示例被描述在WO 2010/031626中。要被加热的管道区段是电力供给布置上的单相负载。

在到高压海底线缆的介质中、特别是用在DEH系统中的海底线缆中检测和发现故障位置一般是困难的。单相海底线缆可以被用于将电力供给到经加热的管道区段并且可以连接到阳极，参见例如图1。由于海底直接电加热是基于阻抗的负载，因此在远程位置处线缆上的电压接近零。

目前为止所使用的在先方法一般而言对于遥远位置处海底故障检测具有有限准确性。

由于海底直接电加热是基于阻抗的负载，因此在远程位置处线缆上的电压接近零。这使得使用故障检测和定位的常规方法变得十分困难。可以使用的方法包括：

1.）反时间-电流曲线；电流对不同的负载不同；这使得针对每个负载都使用一条曲线是不切实际的，因为在现有DEH系统上可以定义例如18个负载。此外，该方法对于遥远的故障可能是不准确的，因为这样一来，在无故障（正常）操作中测量的电流相对低（难以从故障电流区分开来）。

2.）基于阻抗的保护，其中比较所测量的阻抗Z=电压/电流以找到阻抗中的降低并因而找到与负载阻抗相称（proportional）的故障位置。由于故障位置可以位于远离电源处，因此可能仅检测到非常小的阻抗改变。测量仪器和计算中的误差以及诸如线缆加热膨胀之类的对阻抗值的外部影响可以使得该方法使用起来不切实际，特别是对于海底线缆长度的最后10%或20%。

3.）基于光纤的检测方法，诸如在WO 2007/096775和WO 2010/108976中描述的那些，其涉及使用光纤继电器以用于DEH海底线缆保护，这基于线缆绝缘内部所构建的光纤。然而，光纤必须在生产海底线缆时被安装，并且该系统因而不适于现有安装。其还是复杂且昂贵的。如果在线缆内部光纤受损或烧毁，则检测系统不再能够使用并且需要安装新的线缆。这可能造成问题，因为海底线缆是最昂贵的仪器之一。

此外，尽管光纤检测方法在故障检测中可以是非常迅速的，但是它们一般并不非常适于找到故障位置，因为现有检测方法全部都基于检测线缆温度中的改变，假设线缆温度的增大将引起线缆的烧毁。这种假设看起来并不恰当，因为线缆温度在线缆和管道被埋在地下的位置处和其未被掩埋但是利用周围海水来冷却的位置处可以是不同的。

发明内容

因此，存在消除以上提到的缺陷中的至少一些并且提供海底电力线缆中改进的故障检测的需要。

这种需要通过独立权利要求的特征来满足。从属权利要求描述本发明的实施例。实施例提供了一种检测海底电力线缆中或在包括海底电力线缆的直接电加热（DEH）系统中的故障的方法，其中测量点沿海底电力线缆而分布，该方法包括以下步骤：在每个测量点处测量海底电力线缆中的电流；比较在不同测量点处测量的电流；以及基于所述比较来检测海底电力线缆中或DEH系统中故障的存在和位置。

通过利用不同的测量点，从远程位置确定故障位置可以成为可能，使得便于海底电力线缆或DEH系统的维修并使其更加高效。此外，甚至在经由来自DEH系统中的海底电力线缆的电力而被加热的管道区段或海底电力线缆的远端处，检测故障也可以成为可能。

在实施例中，在测量点处测量电流包括测量电流的相位角，并且比较所测量的电流的步骤包括比较所测量的相位角。

在实施例中，该方法还包括在每个测量点处测量海底电力线缆中的电压以及确定电压和电流之间的相位角（或差）。通过利用相位差，便于在海底电力线缆的受保护区的远端处的故障检测，这特别地是由于在这样的位置处的故障发生期间电流大小可能改变不多。在受保护区的远端处的故障的情况下短路电流可以是相对低的。

在实施例中，为不同测量点比较相位角可以通过比较电流和电压之间的相位差、比较电流矢量、比较电压测量的极性，或者比较针对每个测量点从电流测量、特别是从电流测量的相位角得到的方向来完成。在这些示例中，两个测量点的电流比较是基于电流的相位角（相比于相应测量点处的电压）。

可以因而实现不同的有利可能性以用于执行电流比较。特别地，得到针对每个测量点的方向（优选地指向故障的方向）具有便于评估故障位置的优点。

所述方向可以沿海底电力线缆指向一个或另一方向上并且可以从基于相位角所确定的电压极性得到。在一些实施例中，所得到的方向可以沿海底电力线缆指向实际功率流（real power flow）的方向上，并且可以基于在相应测量点处的电流和电压测量来确定。所得到的方向可以因而指向由故障构成的汇点（sink）。

在实施例中，在测量点处测量电流包括测量电流的大小，并且比较所测量的电流的步骤包括比较所测量的电流大小。

在实施例中，检测海底电力线缆中或DEH系统中故障的存在和位置的步骤包括使用基于所测量的电流的定向保护方案以用于检测故障位置。该方案还可以基于在每个测量点处测量的电压，特别是基于电流和电压之间的相位差。使用定向检测方案可以增强针对故障检测、特别是针对远程故障的灵敏性。

在实施例中，该方法还包括以下步骤：从测量点向另一测量点、特别是向相邻测量点和/或向顶侧装置传输关于所测量的电流的信息。所述信息可以特别地被传输到故障检测单元，其可以例如是位于测量点处的保护继电器，特别是主继电器，或者海底控制模块，或者顶侧故障检测单元。

本发明的实施例提供了用于海底电力线缆或用于包括海底电力线缆的直接电加热系统的故障监视系统。故障监视系统包括多个测量单元以及故障检测单元，所述多个测量单元沿海底电力线缆分布并且被适配成在对应测量点处测量海底电力线缆中的电流，所述故障检测单元被适配成比较两个或更多测量单元的电流测量并且基于比较来检测在海底电力线缆中或在DEH系统中故障的存在和位置。通过这样的系统可以实现如以上关于所述方法概述的那些的类似优点。

在实施例中，故障监视系统还可以包括通信单元，其被适配成向故障检测单元传输关于在不同测量点处测量的电流的信息。关于所测量的电流的信息可以包括相位角或相位差、从这样的相位角得到的电压极性或从电流测量得到的方向，如以上所陈述的那样。

在实施例中，故障监视系统可以包括通信单元，其被适配成向顶侧装置传输关于故障的存在和位置的信息。例如，在顶侧装置处，到海底电力线缆的电力可以响应于接收到这样的信息而被切断。

在实施例中，故障检测单元被适配成位于海底。通过在海底执行测量的评估，可以使系统更加有效和/或紧凑。特别地，故障检测单元可以是位于测量点处的保护继电器，特别是连接到测量单元的保护继电器，优选为主继电器。在另一个实施例中，故障检测单元可以是与位于测量点处的保护继电器通信的海底模块。这样的海底模块可以例如实现在海底控制模块中。

在另一个实施例中，故障检测单元可以位于顶侧装置处。

在实施例中，故障检测单元被适配成比较两个或更多测量单元的所测量电流的大小。电流比较还可以通过比较电流究竟是否由两个或更多测量单元测量来执行。在故障的情况下，故障“下游”的测量单元和所连接的保护继电器可能不再接收电力。通过检测这些单元确实不再提供关于电流测量的信息（其可以对应于零电流），故障检测单元可以确定故障的存在和位置。为了比较，故障检测单元可以使用由通信单元传输的信息，其可以包括电流大小、关于测量单元的通/断信息，即所测量的电流大小是高于还是低于给定阈值。

在实施例中，故障检测单元被适配成比较两个或更多测量单元的所测量电流的相位角。

如以上概述的，比较相位角无需直接执行，而是可以比较从相位角得到的量或指示符。这可以包括比较以下各项中的至少一个：电流矢量、从相位角得到的方向（特别是指向故障的方向，例如实际功率流的方向），或者由两个或更多测量单元测量的电压的电压极性。还可以考虑相应测量的大小。相应量可以通过通信单元从相应测量点被传送到故障检测单元。所传送的关于电流测量的信息可以例如包括相位角、电流矢量或所得到的方向。

在实施例中，故障检测单元被适配成如果在一个测量点处得到的方向指向一个方向上而在另一个测量点处得到的方向指向相反方向上，则检测两个相邻测量点之间的故障的存在和位置。两者可以例如都指向故障。因而便于故障位置的检测。

在实施例中，在每个测量点处，提供了测量单元、保护继电器和通信单元。通信单元可以是保护继电器的部分。在实施例中，对于每个测量点，保护继电器可以被适配成通过使用相应测量单元来执行电流和电压测量。其还可以被适配成基于所测量的电流和电压之间的相位差来确定方向。作为示例，方向可以指向实际功率流的方向上。如果故障发生在保护继电器的上游，则在相应测量点处的功率流可以反向，从而引起在测量单元的测量电压变换器处极性中的改变，其可以被检测为电压和电流之间的相位差（或相位角）中的改变。针对该保护继电器的方向因而可以反向，从而指向故障。保护继电器还可以被适配成将所确定的方向传送到故障检测单元，例如通过使用通信单元。

在实施例中，测量单元包括在测量点处安置到海底电力线缆以用于测量所述电流的测量电流变换器。其还可以包括用于在相应测量点处执行电压测量的测量电压变换器。

在实施例中，故障检测单元被适配成将由测量单元所测量的电流与由相邻测量单元所测量的电流进行比较。

在实施例中，故障检测单元被适配成如果一个测量点处的电流矢量指向反向方向上而在相邻测量点处测量的电流矢量指向前向方向上，则检测故障的存在和位置。

在实施例中，故障监视系统还包括在其远程端附近、特别是在海底线缆电耦合到管道区段的要被加热的管道区段的远程端附近的被耦合到海底电力线缆的能量存储装置。如果故障在海底电力线缆处发生在测量点之间，则使得测量单元和相关联的保护继电器能够测量从能量存储装置朝向故障的功率流。这可以使故障位置的确定更加精准。这还可以确保这样的故障之后下游保护继电器的可操作性。当海底电力线缆在去能状态时，能量存储装置可以被配置成将电力供给到海底电力线缆，即在向海底电力线缆提供主电力之前或在故障之后（例如在到海底电力线缆的主电力供给被切断之后）。因而可以使得能够实现故障下游的测量（如从主电源所见的）。

在实施例中，为每个测量单元提供通信单元，其中通信单元被适配成通过使用无线通信或使用通信线路、特别是光纤通信线路或经由海底线缆的电力线通信与彼此通信。一个单元或每个通信单元可以被适配成与顶侧装置通信（例如故障检测单元或用于禁用到海底电力线缆的主电力供给的保护设备可以位于该处），或者可以被适配成与故障检测单元可以位于其中的海底控制模块进行通信。

在本发明的实施例中，故障监视系统还可以被配置以便执行以上概述的方法中的任一个。类似地，以上概述的方法可以在故障监视系统的实施例上执行。

要理解的是以上提到的特征和以下尚待解释的那些不仅可以用在所指示的相应组合中，而且可以用在其它组合中或孤立地使用，而不离开本发明的范围。特别地，以上描述的实施例的特征和以下所描述的那些可以与彼此组合，除非记述成相反。

附图说明

本发明的上述和其它特征及优点将从结合附图进行阅读的以下详细描述中变得进一步显而易见。在附图中，相似的参考数字是指相似的元件。

图1是示出在DEH系统的海底电力线缆中故障发生的可能位置的示意图。

图2是依照本发明的实施例的故障监视系统的示意性框图。

图3是依照本发明的实施例的故障监视系统的示意性框图。

图4是依照本发明的实施例的故障监视系统的示意性框图。

图5是依照本发明的实施例的故障监视系统的示意性框图。

图6是依照本发明的实施例的故障监视系统的示意性框图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。要理解的是，仅仅出于说明的目的给出实施例的以下描述并且其不应以限制性意义来理解。

应当注意，附图仅仅被视为是示意性的表示，并且附图中的元件不一定与彼此按比例绘制。而且，如附图中所示和以下所描述的物理或功能单元的耦合不一定需要是直接连接或耦合，而是还可以是间接连接或耦合，即利用一个或多个附加居间元件的连接或耦合。技术人员还将领会到，本文关于不同实施例说明和描述的物理或功能单元不一定需要被实现为物理分离的单元。一个或多个物理或功能块或单元可以实现在公共电路、电路元件或单元中，而所示的其它物理或功能块或单元可以实现在分离的电路、电路元件或单元中。

尽管关于直接电加热（DEH）系统的海底电力线缆给出以下描述，但是应当清楚的是本发明等同地适用于其它类型的海底电力线缆，例如，适用于被用于将电力输送到海底装置的海底电力线缆，例如适用于海底电力电网或在这样的海底电力电网中或在海底装置的组件之间输送电力。当然可想到其它使用。

图1示出了DEH系统10。DEH系统10包括提供主电源以用于直接电加热的电力系统21。电力系统21可以包括电力电网、发电机等。DEH系统10还包括用于海底负载的电力供给系统22。电力供给系统22可以例如包括用于控制到海底电力线缆中的功率流的装置以及保护性装置，例如电路断路器。

电力系统21和用于海底负载的电力供给系统22二者都被包括在顶侧装置20中。注意到，在其它配置中，电力供给系统22可以位于海底装置处，它可以例如是海底电力电网的部分。

DEH系统10被提供用于加热用于输送烃的海底管道的若干管道区段。在图1的示例中，示出示例性管道区段35。电力供给系统22耦合到管道区段35的两端36、37。海底电力线缆30是所述耦合的部分并且被用于将电能输送到管道区段35的远端36。在操作中，单相AC电压被施加到管道区段的两端36、37。由于管道区段的导电性和阻抗，电流在管道区段35内传导并且加热管道区段。因而得名“直接电加热”。

在操作中，故障可能沿海底电力线缆91发生。这样的故障可以位于靠近电力供给系统22（并且因而靠近用于直接电加热的主电源），如同故障91，或者它们可以位于较为远离处（遥远故障），如同故障92。故障包括地面故障以及由海底电力线缆30和管道区段35之间的电接触（当然除了端36、37处提供的电连接以外）造成的故障。如可以看到的，故障92相对靠近管道区段的端36处提供的电连接。因此，由这样的故障导致的电压降只是微小的并且故障将难以检测。

以上呈现的海底线缆故障检测和定位的问题可以通过使用依照图2中所示的本发明的实施例的故障监视系统40来解决，其中许多测量变换器53、54沿海底电力线缆30、特别是沿海底电力线缆30的遥远部分而被定位。电流变换器53位于所谓的测量点处以测量海底电力线缆30内部的电流。它们被用于比较这些测量点之间的单独段中的电流。

另外，在每个测量点处提供保护继电器51和通信单元55（其可以是保护继电器51的部分）。测量电流变换器53被视为测量单元52的部分。通信单元55、保护继电器51和测量单元52形成保护设备50。沿海底电力线缆、特别是沿着在管道区段35的远程端36附近的其远程部分而在若干测量点处提供这样的保护设备。

通过通信单元55，保护设备50、特别是保护继电器51可以通过使用通信链路或线路41与彼此和/或与例如海底装置或顶侧装置的其它设备通信。这样的通信线路41可以通过无线通信、通过光学通信（例如使用光纤线缆）或通过电力线通信（例如将海底线缆30用作电力线，或使用被提供用于对保护继电器51供电的专用电力线）而提供。

在一些实施例中，测量单元52仅包括测量电流变换器53。在其它实施例中，测量单元52还可以包括测量电压变换器54。

在下文中段被定义为位于两个测量点之间、即两个测量设备50之间的海底电力线缆段。

以下是可以在该布置的情况下使用的检测方法的实施例：

1.）段之间的电流比较：基于将表明故障位置朝向到海底电力线缆30的电力供给的右手侧的最后测量点之后的电流流动中断的监视。故障一般将位于朝向管道区段的远端36在与通过相应电流变换器53测量海底电力线缆30中电流的最后的保护继电器51相邻近的段中。

2.）用于DEH的定向逻辑保护方法：基于单独段中的矢量电流（相量）的方向——该保护方案可以例如在DEH系统卸载时进行操作并且可以在对DEH供能之前或之后使用。段中故障的位置将引起针对位于故障和管道区段35的远端36之间的保护继电器51的电压极性中的改变。电力可以为此目的在海底电力线缆30的远端处被注入以使得能够实现这样的位置处的电压测量。

注意到，除DEH系统的海底电力线缆之外，本发明的系统和方法可以被用于检测任何类型的海底电力线缆上的故障。

若干测量点沿直接电加热单相系统10上的海底电力线缆30的遥远部分而被定位，如图2中所示。每个测量点配备有测量电流变换器53和/或测量电压变换器54，这二者可以被用于电流矢量（大小和相位角）测量。

测量变换器53、54可以沿海底线缆而固定，并且连接到可以被提供在海底箱体中的单独数字保护继电器51。测量变换器53、54可以在机械上受保护以防水并且可以被放置成直接在海底电力线缆30周围或在特殊机械保护工具内部。这样的机械保护工具可用于提供对海底电力线缆的机械保护。

用于每个保护继电器51或保护设备50的电力供给可以通过使用能够从海底电力线缆30取得电力的小型变换器来提供。保护继电器51或保护设备50的功耗典型地低于100瓦特，并且因而相对小。由于海底电力线缆30中的电流可以是数百安培，例如在700和1600A之间，并且所输送的功率可以在从2MW到20MW或更多的范围中，因此被用于为保护设备50（继电器51）供电的电流能够被感测为电流漏一般将不太可能，因为用于保护继电器51的电力将低于DEH负载的0.005%——这一般低于测量准确性。

每个继电器保护设备可以通过使用无线通信或经由通信线路（例如光纤线缆或以上提到的电力线通信）的通信在彼此之间进行通信。设备之间的通信将允许检测故障和将信号发送到顶侧装置，其中该信号可以使海底负载（这里为管道区段35）的电路断路器（例如被包括在电力供给系统22中）跳闸。通信可以是无线的，尽管光学通信（例如经由光纤线缆）是优选的，因为它相对抵抗电磁干扰。

至于测量的评估，可想到若干实现。每个保护继电器51可以已被配置成执行所测量数据的处理，例如得到电流大小、从所测量的电流或电压得到相位角或电流矢量、确定电流大小、确定电压大小、确定电压极性（基于电流的相位角）、（例如从电压和电流之间的相位角）确定实际功率流的方向、确定故障所位于的方向（其可以对应于实际功率流的方向）等等。所有这样的信息从电流测量直接得到并且可以因而被视为表示电流。将电流进行比较可以因而牵涉以上概述的所得量中任一个的比较。这些量中的每一个可以被传送到故障检测单元，其从所接收的数据确定故障的存在和位置。

故障检测单元接收信息，比较不同测量点处测量的电流并且确定故障的存在和位置（如果这存在的话）。如上所提到的，比较可以包括以上概述的量中任一个的比较，例如电流大小、电流相位角、从相位角得到的极性、从相位角得到的方向等等。

故障检测单元可以以若干方式实现。在一些实施例中，它可以位于海底。故障检测单元可以通过每一个保护继电器51中的相应功能性来实现。在其它实施例中，一个保护继电器51可以充当主继电器并且可以实现故障检测单元。这可以例如是位于最靠近主电源22的保护继电器。在另外的实施例中，故障检测单元可以实现在海底控制模块（SCM）中，其可以提供有这样的附加功能性。

在这些实施例中，故障检测单元一般位于海底机壳中。其还被适配成与顶侧装置（例如顶侧装置20）通信，使得其可以在检测到故障的情况下传输用于触发电路断路器或与海底电力线缆30相关联的其它保护性仪器的信号。在其它实施例中，其可以与位于海底装置处的保护性仪器（诸如海底开关设备）通信以用于切断到有故障的海底电力线缆30的电力。可以因而防止对海底电力线缆30和所连接的仪器的进一步损坏。

在其它实施例中，故障检测单元可以位于顶侧装置处，例如在电力供给系统22中。保护继电器51然后可以经由相应通信单元55经由通信链路41向故障检测单元传输关于所测量的电流的信息（例如以上概述的量）。故障检测单元可以直接向电力供给系统22的电路断路器发布跳闸命令以用于在发生故障的情况下断开海底电力线缆30。

故障检测单元的优选实现是在充当主继电器的保护继电器51内。在以下描述和附图中，假设故障检测单元被实现在保护继电器51、特别是最靠近电力供给系统22的那个中。其被配置成基于电流测量和电压极化来计算电流矢量并且其可以被包含在海底筒罐中并被密封以防海水的进入。应当清楚的是，下文中给出的解释等同地适用于其中故障检测单元被实现在SCM中或顶侧装置处的实施例。

可以被故障检测单元使用的检测故障的存在和位置的一种方式是段之间的电流比较。

该逻辑是基于正常操作中的负载电流的比较，而不一定是短路电流，因为短路电流在遥远故障发生时可能非常低。系统中单个测量位置点处的电流通过故障评估单元与相邻测量点进行比较。如果电流低于另一测量点上的电流或为零，则故障一定包含于第一位置的右手侧。故障位置的确定可以是基于图4中所示的逻辑矩阵。此外，如果右手侧的所有继电器上的电流被报告为低于左面的第一继电器上的电流，则这意味着故障一定包含于邻近于第一继电器的右手段中。

在图3和4中，提供了五个保护继电器51，并且它们由数字1-5标明。在图3的示例中，继电器3测量电流I₃而继电器4测量电流I₄。在故障发生在继电器3和4之间的段中的情况下，故障电流I_fault将存在。由I₄测量的电流则为：

（1）I₄=I₃-I_fault。

因而，故障位置可以由相应电流测量来检测并且可以由故障评估单元来确定，所述故障评估单元可以接收由相应继电器测量的电流大小、电流大小低于或高于阈值的指示、或根本没有测量到电流的指示（例如从相应继电器没有接收到通信，即继电器“断”并且所有电流流经故障（完全栓结（fully bolted）的故障），使得到下游继电器的电力供给中断）。在正常操作的情况下，I₄等于I₃并且I_fault=0。

图4示出对于当所有电流被故障消耗并且中断于其它设备和供给时完全栓结故障的逻辑的示例。该图还示出了包括可以被用于基于电流测量来检测故障位置的故障检测逻辑矩阵的表格。

图4中的表格说明了如何基于相应保护继电器是“通”还是“断”（即测量电流或从电力供给被切断）的信息来检测故障位置。这当然可以类似地通过使用电流大小来实现，其中两个测量点之间电流大小的下降指示故障位置（即故障段）。

保护继电器51可以具有能够运行自诊断并且检测相应继电器内部的任何故障的自监视功能，因此无需假设在检测到继电器状态“断”时继电器未能工作（继电器内部的隐藏失灵）。这样的假设可以因而不被用在图4中图示的保护逻辑中。

可以被故障检测单元使用的检测故障的存在和位置的另一方式是定向逻辑方法，其也可以在DEH系统和海底电力线缆的情况下使用。

检测方法是基于以下原理：即便电流大小在故障期间改变不多，电流相位角也将改变。保护继电器可以被编程为使得它们从相位角确定指向故障方向的方向（在图5和6中称为反向（R）或前向（F））。该检测方法在本文中称为定向保护。

在特定实施例中，每个保护继电器51可以被配置成通过测量单元52从电流能够得到电压测量以确定海底电力线缆中实际功率流的方向。在正常操作中，实际功率流动远离电力供给22并朝向负载（图5和6中的方向（R）），这里去往管道区段35。实际功率流的方向可以由保护继电器从电压和电流之间的相位角确定。如果发生故障，则故障将构成实际功率将流向的汇点。因而，故障“上游”的继电器仍然确定朝向负载和故障的方向R，而下游继电器确定相对的方向F，其指向故障而远离负载。

该逻辑是基于负载电流或测试电流的比较，不一定是短路电流，因为短路电流在发生遥远故障时可能非常低。系统中单个测量点位置处的电流矢量将与相邻的测量点进行比较。如果一个继电器指向反向（R）并且相邻继电器指向前向（F）则检测到故障。这在图6中呈现的表格逻辑中被详细说明。

如果在管道或故障的每侧处存在分离的电源，则该逻辑将起作用。典型的DEH应用包括用于管道区段的单个电力供给。电力供给可以位于靠近管道区段的中间或一端。在任何情况下，将存在管道区段的至少一个远程端，其在图5和6中为右手端36。故障因而可以中断去往通向远程端的海底电力线缆的一部分的电力供给。在位于海底电力线缆30的该部分处的测量点处，因而没有电流和相位角测量可以执行。

然而，该问题可以被克服。以例如电池、电容器或类似物的形式的低电压能量存储装置60可以被放置在海底线缆的另一侧上，如图5中所呈现的。该能量存储装置60可以在故障发生之后连接，在所述故障发生之后海底电力线缆的下游部分被去能（下游意味着在远离电力供给并且朝向负载的方向上）。能量存储装置因而允许通过故障下游的继电器而进行的电流和电压测量。能量存储装置60可以包括转换器（inverter）等以用于为了执行测量的目的而生成AC输出。

而且，在故障发生之后，上游继电器可能不再能够进行测量，特别是当到海底电力线缆的电力被切断时。保护继电器51可以因而包括其中它们存储过去的测量、相位角、电流矢量和/或所得到的方向（即R或F）的存储器。故障上游的继电器将因而在系统跳闸（断开）之前已经存储了方向反向（R）。在系统去能之后，接通能够从线缆的另一侧向海底线缆供给电力的低电压能量存储装置60是可能的，并且因而，下游继电器可以确定在该处电流相量或所得到的方向指向正向（F）方向的测量点。因此，可以为每个测量点确定方向F或R。基于图6中呈现的逻辑方案，可以得到故障的位置。

应当清楚的是这仅仅是可以如何实现定向保护的示例。其它实现也是可想到的，例如在每个测量点处对电流矢量或电流相量的确定和在故障检测单元处对这些的比较等等。

本文中所描述的本发明的实施例具有若干优点。能够以高速度和高灵敏度来检测故障。因为可以比较负载电流，而不仅仅是如常规继电器保护方法中的短路电流（I>、I>>、I>>>），所以对故障的灵敏度特别高。还因为总是通过比较测量点处（电流和电压变换器）的类似电流和电压幅度的值来比较信号而实现对故障的高灵敏度，使得差异相对易于检测。可以实现高可靠性，因为误故障的检测减少，其实际上可以被消除。另一个优点是系统的相对简单设置和估计海底故障位置的可能性。

虽然本文公开了具体实施例，但是可以做出各种改变和修改而不脱离于本发明的范围。本实施例要在所有方面被视为说明性而非限制性的，并且在随附权利要求的意义和等价范围内的所有改变旨在被涵盖于其中。

Claims (23)

1.一种检测海底电力线缆（30）中或包括海底电力线缆（30）的直接电加热（DEH）系统（10）中的故障的方法，其中测量点沿海底电力线缆分布，所述方法包括以下步骤

-在每个测量点处测量海底电力线缆（30）中的电流；

-比较在不同测量点处测量的电流；以及

-基于所述比较来检测海底电力线缆中或DEH系统中故障的存在和位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在测量点处测量电流包括测量电流的相位角，并且其中比较所测量的电流的步骤包括比较所测量的相位角。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述方法还包括在每个测量点处测量海底电力线缆中的电压以及确定电压和电流之间的相位差。

4.根据权利要求3所述的方法，其中比较所测量的电流的步骤包括以下各项的至少一个：比较相位角、比较电流矢量、比较电压测量的极性或比较针对每个测量点从电流测量得到的方向。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在测量点处测量电流包括测量电流的大小，并且其中比较所测量的电流的步骤包括比较所测量的电流大小。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中检测海底电力线缆中或DEH系统中故障的存在和位置的步骤包括使用基于所测量电流的定向保护方案以用于检测故障的位置。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括从测量点向另一测量点、特别是向相邻测量点和/或向顶侧装置传输关于所测量电流的信息的步骤。

8.一种用于海底电力线缆（30）或用于包括海底电力线缆（30）的直接电加热系统（10）的故障监视系统（40），所述故障监视系统包括：

-多个测量单元（52），其沿海底电力线缆分布并且被适配成在对应测量点处测量海底电力线缆（30）中的电流；以及

-故障检测单元，其被适配成比较两个或更多测量单元（52）的电流测量并且基于所述比较来检测在海底电力线缆中或在DEH系统中故障的存在和位置。

9.根据权利要求8所述的故障监视系统，还包括通信单元（55），其被适配成向故障检测单元传输关于在不同测量点处测量的电流的信息。

10.根据权利要求8或9所述的故障监视系统，其中故障监视系统（40）包括通信单元（55），其被适配成向顶侧装置（20）传输关于故障的存在和位置的信息。

11.根据权利要求8-10中任一项所述的故障监视系统，其中故障检测单元被适配成位于海底。

12.根据权利要求8-11中任一项所述的故障监视系统，其中故障检测单元是位于测量点处的保护继电器（51）或与位于测量点处的保护继电器（51）通信的海底模块。

13.根据权利要求8或9所述的故障监视系统，其中故障检测单元位于顶侧装置（20）处。

14.根据权利要求8-13中任一项所述的故障监视系统，其中故障检测单元被适配成通过比较两个或更多测量单元的所测量电流的大小或者通过比较电流究竟是否由两个或更多测量单元测量来比较电流测量。

15.根据权利要求8-14中任一项所述的故障监视系统，其中故障检测单元被适配成通过比较两个或更多测量单元（52）的所测量电流的相位角、特别是通过比较以下各项中的至少一个来比较电流测量：电流矢量、从相位角得到的方向、或由两个或更多测量单元测量的电压的电压极性。

16.根据权利要求15所述的故障监视系统，其中故障检测单元被适配成，如果在一个测量点处得到的方向指向一个方向上而在另一个测量点处得到的方向指向相反方向上，则检测两个相邻测量点之间故障的存在和位置。

17.根据权利要求8-17中任一项所述的故障监视系统，其中在每个测量点处，提供测量单元（52）、保护继电器（51）和通信单元（55）。

18.根据权利要求17所述的故障监视系统，其中对于每个测量点，保护继电器被适配成通过使用相应测量单元来执行电流和电压测量并且基于所测量的电流和电压之间的相位差来确定方向。

19.根据权利要求8-18中任一项所述的故障监视系统，其中测量单元包括在测量点处安置到海底电力线缆的测量电流变换器（53）并且优选地还包括测量电压变换器（54）。

20.根据权利要求8-19中任一项所述的故障监视系统，其中故障检测单元被适配成将由测量单元（52）测量的电流与由一个或多个相邻测量单元测量的电流进行比较。

21.根据权利要求8-20中任一项所述的故障监视系统，其中故障监视系统还包括在其远程端附近、特别是在海底电力线缆（30）电耦合到管道区段（35）的要被加热的管道区段（35）的远程端（36）附近的被耦合到海底电力线缆（30）的能量存储装置（60）。

22.根据权利要求8-21中任一项所述的故障监视系统，其中在每个测量点处提供通信单元（55），其中通信单元被适配成通过使用无线通信或使用通信线路、特别是光纤通信线路或经由海底线缆（30）的电力线通信与彼此通信。

23.包括根据权利要求8-22中任一项所述的故障监视系统（40）的DEH系统（10）。