CN106052614A - 用于监测海底缆线的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于监测海底缆线的方法及设备，所述设备包括：至少一个设置在所述海底缆线中或上的光导纤维；至少一个激光源，所述激光源的光可耦合输入到光导纤维中，其中，在光导纤维中散射回的光的部分能从光导纤维耦合输出；检测和评价工具，这些工具可检测散射回的光并且能从检测的光分辨区位地测定所述光导纤维的温度；用于在海底缆线中流动的电流的检测工具；评价工具，所述评价工具可存储测定的温度的时间曲线以及检测的电流的时间曲线，其中，所述评价工具能由温度和电流的时间曲线分辨区位地计算包围所述海底缆线的土壤的热阻并且能由该分辨区位地测定的土壤的热阻推算出海底缆线的覆盖高度。

Description

用于监测海底缆线的方法及设备
技术领域
本发明涉及一种用于监测海底缆线的方法和设备，所述海底缆线尤其用于传输能量。
定义：在本申请中，所述海底缆线的覆盖高度是指土壤材料位于布设的海底缆线上的高度，所述土壤材料通常为沙子。
背景技术
海底缆线的使用越来越多，以便从风力发电厂或者在不同地区之间传输大量能量。为了保护缆线以防锚勾情况以及类似的情况，海底缆线通常被沙层以尤其法定的沙子的最小层厚、例如以1.5米量级覆盖。如果沙层不完备，那么缆线可能由于洋流而被运动并且也由此还遭受提高的机械磨损。
迄今没有已知的技术性解决方案用于永久监测在海底缆线上的沙的层厚或者监测海底缆线的冲刷暴露。因此，必须用潜水机器人和类似的耗费的设备进行定期检查。
发明内容
本发明基于的问题是提出一种方法和一种设备，它们实现对海底缆线的可靠且经济的监测。
这按照本发明通过一种具有权利要求1的特征的方法以及通过一种具有权利要求9的特征的设备实现。从属权利要求涉及本发明的优选的实施方案。
按照权利要求1规定，所述方法包括以下方法步骤：
-通过用于分布式地测量温度的光纤系统分辨区位地测定海底缆线的温度的时间曲线；
-测定流过海底缆线的电流(Strom，能量)的时间曲线；
-由测定的温度和电流的时间曲线分辨区位地计算包围所述海底缆线的土壤的热阻；
-由分辨区位地计算的土壤的热阻推算出该海底缆线的覆盖高度。
通过这种方式，可以省去由现有技术已知的耗费的解决方案、如用潜水机器人进行定期检查。为此，所述光纤系统例如包括安装在海底缆线上或中的光导纤维，所述光导纤维尤其在海底缆线的整个长度上延伸。在所述光导纤维的辅助下，所述光纤系统能分辨区位地测定海底缆线的温度。尤其通过连续地测定温度和流过海底缆线的电流，可探查出在海底缆线的确定的区位上的热阻的变化，这使得又可推算出在相应的区位所述海底缆线用沙子覆盖的变化。
可规定，温度和/或电流的时间曲线经由至少一个小时的时间段，尤其至少一天的时间段，优选多天、例如一周的时间段测定。尤其如果电流在测定温度和/或电流的时间曲线的所述时间段期间中变化，那么包围海底缆线的土壤的热阻能被相对准确地确定。
存在这样的可能性，即，针对沿海底缆线的多个区位，尤其针对布设在水中的海底缆线长度的一半以上，优选针对布设在水中的海底缆线的整个长度，计算土壤的热阻。在此，土壤的热阻可针对沿海底缆线的许多个区位而同时计算，其中，土壤的热阻尤其被连续计算。由此，可允许沿布设在水中的整个海底缆线连续且即时地确定包围该海底缆线的土壤的热阻，从而保证对海底缆线的覆盖进行可靠的监测。
可规定，为了评价测定的温度和电流的时间曲线使用一种算法，所述算法将土壤的热阻和海底缆线的周围的温度作为可变参数适配到测量的温度和电流的时间曲线上。在此，可在热模型中将这些环境参数的拟合(Fit)用于沿海底缆线连续确定沙层厚度。外部的热阻尤其是沙层厚度的函数并且因此可用于确定沙层厚度。
即，本发明采取确定海底缆线周围热阻的办法，以从该热阻推算出覆盖的高度。即已被证明的是，具有过小的沙层厚度的位置并非总是简单地位于测得最低温度的区位。即，低温也可能由寒流引起并且因此不一定是沙层厚度过小的标志。此外，在简单地确定最低温度之后缺少一种用于层厚的尺度，该尺度可实现维护措施的触发。
存在这样的可能性，即，用于分布式地测量温度的光纤系统基于拉曼散射或布里渊散射。在此涉及多样经过验证的测量方法，这些测量方法具有高准确性和可靠性。
根据权利要求9规定，用于监测海底缆线的设备包括：
-至少一个用于分辨区位地测量温度的光导纤维，其中，所述光导纤维设置或者可设置在所述海底缆线中或上；
-至少一个激光源，所述激光源的光可耦合输入到所述光导纤维中，其中，由所述激光源产生的光在光导纤维中散射回的部分能从光导纤维耦合输出；
-检测和评价工具，所述检测和评价工具能检测散射回的光并且能从检测的散射回的光分辨区位地测定所述光导纤维的温度；
-检测工具，该检测工具用于在海底缆线中流动的电流；
-评价工具，所述评价工具可存储所述分辨区位地测定的温度的时间曲线以及检测的电流的时间曲线，其中，所述评价工具能由温度和电流的时间曲线分辨区位地计算包围所述海底缆线的土壤的热阻并且能由该分辨区位地测定的土壤的热阻推算出海底缆线的覆盖高度。
利用一种这样的设备能够可靠地监测海底缆线的覆盖，其中，所述设备尤其适用于实施按照本发明的方法。
附图说明
本发明的另外的特征和优点借助以下对优选实施例的说明、参照附图而清楚。附图如下：
图1示出示意性的按照本发明的设备；
图2示出以光导纤维布设在海底缆线中的第一示例的示意性地示出的第一海底缆线的横截面；
图3示出以光导纤维布设在海底缆线中的第二示例的示意性地示出的第一海底缆线的横截面；
图4示出以光导纤维布设在海底缆线中的多个示例的示意性地示出的第二海底缆线的横截面；
图5示出以光导纤维布设在海底缆线中的多个示例的示意性地示出的第三海底缆线的横截面；
图6示出用于布设的海底缆线的热学等效电路图；
图7示出一种曲线图，在该曲线图中相对于海底缆线的布设深度描述在光导纤维与水温之间的温度差ΔT；
图8示出一种曲线图，在该曲线图中相对于海底缆线的布设深度描述在海底缆线和周围的水之间的热阻。
在附图中，相同的或者功能相同的部件设有相同的附图标记。
具体实施方式
海底缆线有不同的结构种类。在交流电输送中使用这样的海底缆线，所有三个相位相线共同包含在该海底缆线中。用于沿着海底缆线进行线性测量温度的光导纤维可具有不同的纤维位置。除了在各个相位之间的海底缆线中心处的位置之外，也可考虑侧向偏移、与三个相位中的两个相位直接接触的位置以及在海底线缆填充中的位置。此外，所述光学的光导纤维也可处于金属丝网屏蔽层中或者与海底缆线的外套直接接触。
作为替换也可能的是，三个单独的海底缆线布设有各一个电导体。但是，这在实际中不付诸实施，因为布设耗费可能明显更高。在直流电输送的情况下，通常使用两个单相的海底缆线。在此，作为温度传感器使用的光导纤维通常位于金属丝网屏蔽层中，或者与外套直接接触。
除了直接布设在海底土壤中之外，海底缆线也可布设在附加的管道(例如，由高密度聚乙烯或者混凝土制成的管道)中。这种框围结构尤其构造在从海洋到陆地的过渡区域中以及反之(从陆地到海洋的过渡区域中)或者构造在水深小的区域中。在由按照本发明的方法使用的软件中，可存储尺寸和材料方面的详细的说明，其中，算法在可执行对框围结构之外周围环境的分析。
在图1中示意性地示出海底缆线1，该海底缆线在图1中向右超出所画的端部往外延伸，尤其延伸通过若干千米。海底缆线1应用于传输能量，使得强电流在海底缆线1中流动。在海底缆线1中设置有光导纤维2，所述光导纤维尤其延伸通过海底缆线1的布设在海平面下方的整个长度。
图2和图3示出光导纤维2在海底缆线1中的两种示例性的布置结构。在示意地示出的海底缆线1中示出有多个缆线8，这些缆线被一个共同的缆线护套9包围。在图2中示出的第一示例中，光导纤维2在缆线护套9中延伸。在图3中示出的第二示例中，光导纤维2在缆线8的三角空隙(Zwickel)中延伸。
在图4中示出海底缆线1的略微示意性示出的示例。该海底缆线1具有三个相位并且用于交流电输送。在海底缆线1中设有三个单独的缆线8，这些缆线分别具有一个位于中心的导体10用于三个相位中的一个相位。所述位于中心的导体10被内导体层11、绝缘体12、外导体层13和金属屏蔽层14包围。
在为了交流电的三个相位而使用三个缆线8时，内导体层和外导体层11、13不必须用于引导电流。甚至导体层11、13之一可用作为零线。然而并不必须如此。此外，所述金属屏蔽层可分别与地电位连接。
所述三个缆线8共同被一个用作为铠装的金属丝网屏蔽层15包围，所述金属丝网屏蔽层又被外套16包围。所述用作为铠装的金属丝网屏蔽层15和外套16共同构成缆线护套9。
此外，图4示出光导纤维2在海底缆线1中的不同的替代的布置结构。如在图3中的那样，光导纤维2可设置在缆线8的三角空隙中。此外，光导纤维2可设置在海底缆线1的内部空间的其他的区位上。此外，该光导纤维也可类似于图2地设置在缆线护套9中并且在此尤其设置在用作为铠装的金属丝网屏蔽层15中。一种另外的可能性是，所述光导纤维2设置在所述外套16的外部并且直接与该外套接触。
在图5中同样示出海底缆线1的略微示意地示出的示例。该海底缆线1仅仅具有一个相位并且被用于输送直流电流。在海底缆线1中设置有单独的缆线8，该缆线具有位于中心的导体10用于一个相位。该位于中心的导体10被内导体层11、绝缘体12、外导体层13、用作为铠装的金属丝网屏蔽层15和外套16包围。所述用作为铠装的金属丝网屏蔽层15和外套16共同构成缆线护套9。
图5也示出光导纤维2在海底缆线1中的不同的替代的布置结构。如在图2中的那样，光导纤维2可设置在缆线护套9中并且在此尤其设置在作为铠装的金属丝网屏蔽层15中。一种另外的可能性在于，光导纤维2设置在外套16的外部并且与该外套直接接触。
激光源3的光能通过相应的耦合工具4耦合输入到光导纤维2中。在该光导纤维2中，光的各个部分能通过与温度有关的拉曼散射或布里渊散射而散射回(参见图1)。这些散射回的部分能由耦合工具4输送给检测和评价工具5，所述检测和评价工具检测散射回的光并且由该检测的散射回的光分辨区位地测定光导纤维2的温度。该由光导纤维2、激光源3，耦合工具4以及检测和评价工具5构成的用于分布式地测量温度的光纤系统本身已知。
在此，由检测和评价工具5尤其同时且连续地测定在光导纤维2的每个区位上的光导纤维2温度并且因此测定在海底缆线1的每个区位上的光导纤维温度。
此外，在图1中示意性地示出用于在海底缆线1中流动的电流的检测工具6。作为检测工具6可使用任意的、尤其商业上通用的电流测量设备。
此外，所述设备包括评价工具7，该评价工具与所述检测工具6以及所述检测和评价工具5连接。所述评价工具7可存储所述分辨区位地测定的温度的时间曲线以及检测的电流的时间曲线。
此外，评价工具7能由所述温度和电流的时间曲线分辨区位地计算包围海底缆线的土壤的热阻。为了实现该计算，在将适宜的热学模型适配到温度和电流的时间曲线上时，用合适算法将热阻和海底缆线1的周围温度确定为可变的参数。在此使用的时间曲线可例如考虑一周的时间段。
在这种方法中重要的是，电流在所考虑的时间段期间变化。必要时可预先给定电流的时间变化，以便可靠地设计对热阻的测定。
所使用的算法考虑到，外部的参数(尤其例如土壤的热阻以及周围温度)遭受季节性的波动。
在此，按照本发明的方法使得通过使用用于分布式地测量温度的光纤系统以及通过所述的计算手段能连续且同时地在海底缆线的每个区位测定热阻。
评价工具7可由分辨区位地测定的土壤的热阻推算出在海底缆线1的每个单独的区位的覆盖高度。为此，数据例如存储在所述评价工具7中或者在与该评价工具7连接的存储工具中，这些数据反映出海底缆线1的周围的热阻与海底缆线1上的覆盖的层厚的相关性。
在此，所述评价工具7能尤其连续且同时地测定海底缆线1的每个区位的覆盖的层厚。
如果评价工具7确认海底缆线1的一部分不再用沙子足够地覆盖，那么该评价工具可将该情况显示给使用者和/或触发相应的维护措施。
在海底缆线1中的负载特性循环时，温度分布和时间进展可通过图6中画出的等效电路图计算。在此，热源被视为电源Wi,热阻被视为电阻Ri，热容被视为电容(在此忽略)。在电力缆线中，不同的热损失起作用，视该损失是用直流电还是用交流电促成而定。介电的损失在绝缘体以及金属丝网屏蔽层中的涡流中产生。根据负载状态和缆线的运行，这些损失不同程度地对电力缆线变热做贡献。
因此，从电导体(热)到周围(冷)的温度分布可视为如电压通过电阻而下降那样并且因此得到在相应的缆线层中的温度。该电路图在由按照本发明的方法使用的软件中扩展用于由“土壤”或者R4表示的周围。在此，用T(DTS)表示光导纤维2的温度。
海底缆线是否仍被覆盖或者由多少保护材料覆盖通过一种算法借助在电流的相应的负载特性中的T(DTS)来确定。作为结果获得周围温度T(水)和海底土壤R4的热阻。
随着布设深度的增加，平衡状态(稳态)中的温度差由于土壤热阻而增大，所述温度差为在测量的DTS系统(分布反馈)的温度或者说由光导纤维2测量的温度和水温之间的温度差，例如在缆线的外部套体上的光导纤维2和水温之间的温度差。
图7示出一方面光导纤维2上的温度与另一方面水的温度之间的温度差与海底缆线1的布设深度或者与海底缆线1的覆盖的层厚的相关性。如果外套(光导纤维2例如设置在该外套上)的温度在平衡状态中接近于水温，那么该外套在布设深度为2米时已经明显超过周围温度。
所使用的算法借助直至七天的用于环境参数(周围温度T(水)和海底土壤的热阻R4)的历史数据通过一种拟合对在图6中绘制的全等效电路图求解，所述拟合借助方差优化所述两个参数。该拟合的初始值也可选择地从附加的传感器中获得。在软件中存储有电力缆线在海底土壤中设定的布设深度。如果海底缆线1例如由于洋流而越来越多地暴露，那么瞬时的温度特性由于海底缆线1的不同的周围因素也发生变化。所述算法用土壤越来越低的热阻来评估这一点温度特性。从图8中得知，在海底缆线1暴露在海洋中之前该效应体现得尤其强烈。因此也可观察布设深度的持续减少。
存在这样的可能性，即，该分析在有规律的时间间隔和空间间隔中进行并因此可对整个海底缆线1的布设深度进行分析。
海底土壤可由不同的材料组成并且由此具有不同的热学特征。表格1列出不同的类型并且描述热学的导热性或者单位热阻的可能的波动幅度。该表格摘录于由海因里希.布拉克尔曼在2010年莱茵贝格市发表的“在海上风力发电厂(阿卡迪斯东)内部的缆线连接－1.热学排放及磁排放”(“Kabelverbindungen innerhalb der Offshore－WindfarmArcadis Ost 1.Thermische und magnetische Emissionen”von Heinrich Brakelmann,Rheinberg,2010)。
因为海底缆线的典型的延伸长度为50千米及更多，所以海底缆线可能被不同类型的海底土壤包围。原则上，使用的算法能针对不同类型的海底土壤确定布设深度。附加的信息(地质勘查、沙子测试结果及类似信息)以及这些不同海底土壤沿缆线的确切的配属关系使得实现最大的准确度成为可能。
表格1：水饱和的土壤的热学特征。

Claims (10)

1.用于监测海底缆线(1)的方法，所述海底缆线尤其用于传输能量，所述方法包括以下的方法步骤：
-通过用于分布式地测量温度的光纤系统分辨区位地测定海底缆线(1)的温度的时间曲线；
-测定流过所述海底缆线(1)的电流的时间曲线；
-由测定的温度和电流的时间曲线分辨区位地计算包围所述海底缆线(1)的土壤的热阻。
-由所述分辨区位地计算的土壤的热阻推算出海底缆线(1)的覆盖高度。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述温度和/或电流的时间曲线经由至少一小时的时间段，尤其经由至少一天的时间段，优选经由多天、例如一周的时间段测定。
3.按照权利要求1或者2之一所述的方法，其特征在于，电流在测定温度和/或电流的时间曲线的时间段期间变化。
4.按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，针对沿海底缆线(1)的多个区位，尤其针对海底缆线(1)布设在水中的长度的一半以上，优选针对海底缆线(1)布设在水中的整个长度，计算土壤的热阻。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，针对沿海底缆线(1)的多个区域，同时计算土壤的热阻。
6.按照权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，连续地计算所述土壤的热阻。
7.按照权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，为了评价所述测定的温度和电流的时间曲线而使用一种算法，所述算法将土壤的热阻和海底缆线(1)的周围的温度作为可变的参数适配到测得的温度和电流的时间曲线上。
8.按照权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，所述用于分布式地测量温度的光纤系统基于拉曼散射或布里渊散射。
9.用于监测海底缆线(1)的设备，所述海底缆线尤其用于传输能量，所述设备包括：
-至少一个用于分辨区位地测量温度的光导纤维(2)，所述光导纤维设置或者可设置在所述海底缆线(1)中或上；
-至少一个激光源(3)，所述激光源的光可耦合输入到所述光导纤维(2)中，其中，由所述激光源(3)产生的光在光导纤维(2)中散射回的部分能从光导纤维(2)耦合输出；
-检测和评价工具(5)，所述检测和评价工具能检测散射回的光并且能从检测的散射回的光分辨区位地测定所述光导纤维(2)的温度；
-检测工具(6)，该检测工具用于在海底缆线(1)中流动的电流；
-评价工具(7)，所述评价工具可存储所述分辨区位地测定的温度的时间曲线以及检测的电流的时间曲线，其中，所述评价工具(7)能由温度和电流的时间曲线分辨区位地计算包围所述海底缆线(1)的土壤的热阻并且能由该分辨区位地测定的土壤的热阻推算出海底缆线(1)的覆盖高度。
10.按照权利要求9所述的设备，其特征在于，所述设备适用于执行按照权利要求1至8中的任一项或多项所述的方法。
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