CN113569435A - 光电复合海缆埋深监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光电复合海缆埋深监测方法，包含：建立海缆的几何模型；建立海缆的材料物性参数模型；匹配几何模型与材料物性参数模型；通过改变模型的边界温度和电流，求解海缆的温度场分布，生成电流、光纤温度和环境温度的映射表；利用光纤传感设备获得海缆初始埋深的光纤温度；利用电流互感器测量海缆的初始电流；查阅上述映射表获取海缆初始埋深的环境温度；利用海底测温设备测量待测点的海床表面温度，根据初始埋深、初始埋深的环境温度、海床表面温度、待测点的光纤温度，通过线性插值计算该点的实际埋深。本发明利用有限元温度场建模技术和光纤传感技术监测光电复合海缆的埋深，防止海缆因埋深异常而受到外界损伤。
Description
技术领域
本发明涉及光电复合海缆分布式实时监控测量技术和有限元温度场建模技术，具体涉及一种计算光电复合海缆埋深的方法。
背景技术
海底电缆敷设后，由于海床受地壳运动及其他因素影响，导致海缆的敷设深度与其初始深度不符。若海缆敷设深度过浅或裸露在海床表面，可能会由于外界的因素导致海缆损坏，从而影响电能的传输，因此需要对光电复合海缆的埋深进行准确计算。
发明内容
本发明在于提出一种计算光电复合海缆埋深的方法。由于光电复合海缆敷设在海底中，无法直接测量敷设深度，但可以利用有限元法对光电复合海缆进行温度场建模计算，建立光电复合海缆工作电流、光纤温度与初始埋深环境温度之间的映射数据库，再通过线性差值的方法计算海缆的实际埋深。
为实现上述目的，本发明提供一种复合海缆埋深计算方法，其特点是，该方法包含以下步骤：
步骤1 根据光电复合海缆的结构参数以及敷设环境参数，建立海缆的几何实体模型；
步骤2 根据光电复合海缆的各层材料特性，建立海缆的材料物性参数模型；
步骤3 根据光电复合海缆各个结构层的材料分布情况，将几何实体模型与材料物性参数模型相匹配；
步骤4 定义网格划分的方式，对已匹配完成的光电复合海缆的几何实体模型进行全区域的网格划分，建立起光电复合海缆的有限元模型；
步骤5 定义有限元分析类型为稳态热分析；
步骤6 设置光电复合海缆的环境温度以及边界上的对流换热系数；
步骤7 取不同的负载电流，在有限元模型中的导体区域施加电流载荷；
步骤8 求解光电复合海缆的有限元模型温度云图，将模型求解的光纤温度输出到温度数据库中；
步骤9 建立光电复合海缆负载电流、光纤温度与环境温度关系的数据库，形成光纤温度与环境温度的映射表；
步骤10 利用光电复合海缆中内置的单模光纤，并采用布里渊光时域分析技术实时监测光电复合海缆中光纤的温度，并求取沿线光纤温度均值为Tm,利用电流互感器（CT）测量海缆的负载电流，通过查阅步骤9的映射表得到初始埋深的环境温度Ta；
步骤11 取某一位置点的实时光纤温度Tx,查阅步骤9的映射表得到当前埋深对应的环境温度Tb;
步骤12 利用海底测温设备获取海床表面温度Tc；
步骤13 在已知初始埋深的环境温度Ta、当前埋深的环境温度Tb、海床表面温度Tc和初始埋深H的情况下，通过线性插值的方式可计算得到海缆当前的埋深h。
上述步骤2中材料物性参数包含：密度、比热容、导热系数。
上述步骤8中计算光电复合海缆温度云图的计算公式如下：
式中，p为材料的密度，单位kg/m3；c为材料的比热，单位J/(kg·℃)；T为物体的瞬态温度，单位℃；τ为过程进行的时间，单位s；λ为材料的导热系数，单位W/(m·℃)；qv为材料的内热源，单位W/m3。
上述步骤13计算海缆当前埋深的公式为：
式中，h为海缆实际埋深，单位m；H为海缆初始埋深，单位m；Ta为初始埋深的环境温度，单位℃；Tb为实际埋深的环境温度，单位℃；Tc海床表面温度，单位℃。
本发明光电复合海缆埋深监测方法和现有技术相比，其优点在于，巧妙地将有限元温度场建模技术与分布式光纤传感技术结合，建立相应的映射数据库，通过简单的线性插值就能计算海缆的实际埋深。
附图说明
图1为本发明光电复合海缆埋深计算方法的方法流程图；
图2为光电复合海缆的结构示意图；
图3为光电复合海缆中光缆的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。
如图1所示，本发明公开一种光电复合海缆埋深监测的方法，该方法包含以下步骤：
步骤1 根据光电复合海缆的结构参数以及敷设环境参数，建立海缆的几何实体模型。
如图2所示，为复合海缆的整体结构示意图，复合海缆包含并行设置的三根海底电缆、设置在海底电缆一侧的光缆14，以及包覆在海底电缆和光缆14外的保护层。
保护层由内向外依次为绕包垫层9、内浸渍外被层12、钢丝铠装层10、防腐沥青11、外浸渍外被层13。
海底电缆由内到外包含导体1、导体屏蔽2、绝缘3、绝缘屏蔽4、阻水层5、铅套6、聚乙烯护套7。
在海底电缆和光缆14与保护层之间充满有填充物8。
如图3所示，为光缆部分的结构示意图，光缆14由内向外依次包含有若干光纤144组成的光纤束、包裹在光纤144外的纤膏143、套设在纤膏143外的不锈钢管142、以及套设在不锈钢管142外的PE护套141。
结构参数即为复合海缆各组成部分的直径大小。
敷设环境包含：环境温度（埋深处土壤的温度、海水与空气的温度），复合海缆周围介质（土壤、海水、空气等），土壤介质的导热系数，流体与复合海缆表面的对流换热情况。
步骤2 根据光电复合海缆的各层材料特性，建立海缆的材料物性参数模型,材料物性参数包含：密度、比热容、导热系数。
步骤3 根据光电复合海缆各个结构层的材料分布情况，将步骤1的几何实体模型与步骤2的材料物性参数模型相匹配。
步骤4 定义自适应的网格划分方式，对步骤3已匹配完成的光电复合海缆的几何实体模型进行全区域的网格划分，建立起光电复合海缆的有限元模型。
步骤5 定义有限元分析类型为稳态热分析。
步骤6 设置光电复合海缆敷设环境的边界温度以及边界上的对流换热系数，本实施例中，初始埋深的环境温度取4-15℃，对流换热系数取1 W/(m·℃)。
步骤7 根据海缆实际负载电流，在有限元模型中的导体区域施加电流载荷，本实施例中取电流值为200-400安培（A）。
步骤8 输入光电复合海缆的负载电流、环境温度、对流换热系数，根据笛卡尔坐标系中三维非稳态导热微分方程计算光电复合海缆的温度场分布，获取光电复合海缆中光纤温度。
计算光电复合海缆的温度场分布的计算公式如下：
式中，p为材料的密度，单位kg/m3；c为材料的比热，单位J/(kg·℃)；T为物体的瞬态温度，单位℃；τ为过程进行的时间，单位s；λ为材料的导热系数，单位W/(m·℃)；qv为材料的内热源，单位W/m3。
步骤9 记录当前负载电流、环境温度下的光纤温度，形成光纤温度与环境温度的映射表。
步骤10 利用光电复合海缆中内置的单模光纤，采用布里渊光时域分析（BOTDA，Brillouin Optical Time Domain Analysis）技术实时采集光电复合海缆中光纤的温度，并求取沿线光纤温度均值Tm,利用电流互感器（CT）测量海缆的负载电流，通过查阅步骤9的映射表得到初始埋深的环境温度Ta；
步骤11 针对某一位置点的埋深所对应的环境温度，取该点的实时光纤温度Tx,查阅步骤9的映射表得到当前埋深对应的环境温度Tb。
步骤12 利用海底测温设备获取海床表面温度Tc；
步骤13 在已知初始埋深的环境温度Ta、当前埋深的环境温度Tb、海床表面温度Tc和初始埋深H的情况下，通过线性插值的方式可计算得到海缆当前的埋深h，其计算公式为：
式中，h为海缆实际埋深，单位m；H为海缆初始埋深，单位m；Ta为初始埋深的环境温度，单位℃；Tb为实际埋深的环境温度，单位℃；Tc海床表面温度，单位℃。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (5)
1.一种光电复合海缆埋深监测方法，其特征在于，该监测方法包含以下步骤：
步骤1 根据光电复合海缆的结构参数以及敷设环境参数，建立海缆的几何实体模型；
步骤2 根据光电复合海缆的各层材料特性，建立海缆的材料物性参数模型；
步骤3 根据光电复合海缆各个结构层的材料分布情况，将几何实体模型与材料物性参数模型相匹配；
步骤4 定义网格划分的方式，对已匹配完成的光电复合海缆的几何实体模型进行全区域的网格划分，建立起光电复合海缆的有限元模型；
步骤5 定义有限元分析类型为稳态热分析；
步骤6 设置光电复合海缆的环境温度以及边界上的对流换热系数；
步骤7 取不同的负载电流，在有限元模型中的导体区域施加电流载荷；
步骤8 求解光电复合海缆的有限元模型温度云图，将模型求解的光纤温度输出到温度数据库中；
步骤9 建立光电复合海缆负载电流、光纤温度与环境温度关系的数据库，形成光纤温度与环境温度的映射表；
步骤10 利用光电复合海缆中内置的单模光纤，并采用布里渊光时域分析技术实时监测光电复合海缆中光纤的温度，并求取沿线光纤温度均值为Tm,利用电流互感器（CT）测量海缆的负载电流，通过查阅步骤9的映射表得到初始埋深的环境温度Ta；
步骤11 取某一位置点的实时光纤温度Tx,查阅步骤9的映射表得到当前埋深对应的环境温度Tb;
步骤12 利用海底测温设备获取海床表面温度Tc；
步骤13 在已知初始埋深的环境温度Ta、当前埋深的环境温度Tb、海床表面温度Tc和初始埋深H的情况下，通过线性插值的方式可计算得到海缆当前的埋深h。
2.如权利要求1所述的光电复合海缆埋深监测方法，其特征在于，所述步骤1中敷设环境参数包括环境温度，光电复合海缆周围介质，土壤介质的导热系数，流体与光电复合海缆表面的对流换热情况；环境温度包含埋深处土壤的温度、海水与空气的温度；光电复合海缆周围介质包含土壤、海水、空气。
3.如权利要求1所述的光电复合海缆载流量计算方法，其特征在于，所述步骤2中材料物性参数包含：密度、比热容、导热系数。
4. 如权利要求1所述的光电复合海缆埋深监测方法，其特征在于，所述步骤8中计算光电复合海缆温度云图的计算公式如下：
式中，p为材料的密度，单位kg/m3；c为材料的比热，单位J/(kg·℃)；T为物体的瞬态温度，单位℃；τ为过程进行的时间，单位s；λ为材料的导热系数，单位W/(m·℃)；qv为材料的内热源，单位W/m3。
5.如权利1所述的光电复合海缆埋深监测方法，其特征在于，所述步骤13
计算海缆当前埋深的公式为：
式中，h为海缆实际埋深，单位m；H为海缆初始埋深，单位m；Ta为初始埋深的环境温度，单位℃；Tb为实际埋深的环境温度，单位℃；Tc海床表面温度，单位℃。
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