TWI797786B

TWI797786B - 海底電纜、海底電纜故障監控裝置與海底電纜故障監控方法

Info

Publication number: TWI797786B
Application number: TW110138944A
Authority: TW
Inventors: 黃玉君; 黃彥傑; 孫寀祐; 洪政源
Original assignee: 財團法人金屬工業研究發展中心
Priority date: 2021-10-20
Filing date: 2021-10-20
Publication date: 2023-04-01
Also published as: TW202318028A

Abstract

一種海底電纜故障監控裝置包括海底電纜、水下無人載具及裝設於水下無人載具上的電磁感測裝置。海底電纜包括電纜纜芯、包含鐵電材料的磁感測元件、包覆電纜纜芯的包覆層。包覆層包覆磁感測元件或者是包覆層設於電纜纜芯與磁感測元件之間。當海底電纜的溫度超過海底電纜的額定工作溫度時，鐵電材料轉變為順磁性材料。電磁感測裝置用以感測海底電纜的磁場分布。海底電纜故障監控裝置根據海底電纜的磁場分布來判斷海底電纜的危害區段。

Description

海底電纜、海底電纜故障監控裝置與海底電纜故障監控方法

本發明是關於一種海底電纜故障故障監控裝置，且特別是關於一種海底電纜、海底電纜故障監控裝置與海底電纜故障監控方法。

由於海域地形變遷頻率遽增且海域會受強勁季風、波浪、海流、颱風及地震等影響，海床下的海底電纜會遇到十分複雜的海況，包括海床掏刷、地質狀況、海床變動條件等因素將都造成海底電纜發生裸露或掩埋偏移現象，離岸風場運維商需針對水下基礎之海床淘刷檢測或海底電纜裸露檢測為必要性運維工作。

離岸風場運維作業屬高難度、高風險，從業人員流動性高，其中水下運維監控更是一大難事，船隻出海檢測維修每次需要耗費的成本相當龐大，除了基本船隻的開銷外，船組作業人員也是成本昂貴的原因之一，因此，增加每次量測的精準程度及維修的效率，對海底電力電纜檢測來說是創造非常大的效益。

目前海底電力電纜的危害監控是採用分散式溫度感測(Distributed Temperature Sensing，DTS)系統，利用光通信光纖來監控海底電力電纜之各個長度區段的溫度變化情形，一旦海底電力電纜遭危害(例如:扭轉、掏刷造成懸空彎曲…等)，將會造成海底電力電纜電流過高而發熱。然而，雖然透過分散式溫度感測(DTS)可以準確達到監視海底電力電纜運作狀態之功效，但其回饋的數據僅能得知海底電力電纜在哪個長度區段需要進行維護維修，這對於要搜索埋設在海床底下好幾公尺的海底電力電纜猶如大海撈針。

本發明之目的在於提出一種海底電纜，包括電纜纜芯、包含鐵電材料的磁感測元件、包覆電纜纜芯的包覆層。包覆層包覆磁感測元件或者是包覆層設於電纜纜芯與磁感測元件之間。當海底電纜的溫度超過海底電纜的額定工作溫度時，鐵電材料轉變為順磁性材料。

在一些實施例中，鐵電材料的具有居禮溫度，居禮溫度比海底電纜的額定工作溫度低7.5K至30K。

在一些實施例中，磁感測元件包含多個區段，所述多個區段之兩相鄰者以間隔距離隔開且所述多個區段沿著海底電纜的延伸方向鄰設於電纜纜芯。

在一些實施例中，包覆層包括內被覆層、鎧裝層與外被覆層，鎧裝層外覆於內被覆層且外被覆層外覆於鎧裝層。

在一些實施例中，磁感測元件為鐵電材料製成的網狀結構，磁感測元件環繞包覆電纜纜芯。

在一些實施例中，鐵電材料包括下列中的一者：La _0.6Sr _0.2Ba _0.2MnO ₃、La _0.6Ca _0.4MnO ₃、La _0.65Ca _0.35Mn _0.9Ti _0.1O ₃、La _0.975Li _0.025Mn _0.9Ti _0.1O ₃、La _0.65Sr _0.35MnO ₃、La _0.6Sr _0.2Ca _0.2MnO ₃、La _0.7Ba _0.3MnO ₃、La _0.7Ca _0.06Ba _0.24MnO ₃、La _0.65Nd _0.05Ca _0.3MnO ₃、La _0.65Nd _0.05Ca _0.3Mn _0.9Cr _0.1O ₃、La _0.65Nd _0.05Ca _0.3Mn _0.9Fe _0.1O ₃、Gd、Gd ₅(Si ₂Ge ₂)。

本發明之目的在於另提出一種海底電纜故障監控裝置，包括海底電纜、水下無人載具及裝設於水下無人載具上的電磁感測裝置。海底電纜包括電纜纜芯、包含鐵電材料的磁感測元件、包覆電纜纜芯的包覆層。包覆層包覆磁感測元件或者是包覆層設於電纜纜芯與磁感測元件之間。電磁感測裝置用以感測海底電纜的磁場分布。海底電纜故障監控裝置根據海底電纜的磁場分布來判斷海底電纜的危害區段。

在一些實施例中，上述海底電纜故障監控裝置更包括顯示裝置，用以顯示海底電纜的磁場分布。沿著海底電纜的延伸方向，海底電纜包含多個長度段。當顯示裝置顯示所述多個長度段的一者呈現退磁狀態時，電磁感測裝置判定所述多個長度段的該者為海底電纜的危害區段。

本發明之目的在於另提出一種海底電纜故障監控方法，包括：將電磁感測裝置裝設於水下無人載具上；由電磁感測裝置感測海底電纜的磁場分布，其中海底電纜包括電纜纜芯、包含鐵電材料的磁感測元件、包覆電纜纜芯的包覆層，包覆層包覆磁感測元件或者是包覆層設於電纜纜芯與磁感測元件之間；及根據海底電纜的磁場分布來判斷海底電纜的危害區段。

在一些實施例中，上述之根據海底電纜的磁場分布來判斷海底電纜的危害區段包括：判斷海底電纜沿著海底電纜的延伸方向所包含的多個長度段的一者是否呈現退磁狀態；及當海底電纜的所述多個長度段的該者呈現退磁狀態時，判定海底電纜的所述多個長度段的該者為海底電纜的危害區段。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

以下仔細討論本發明的實施例。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論、揭示之實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。關於本文中所使用之『第一』、『第二』、…等，並非特別指次序或順位的意思，其僅為了區別以相同技術用語描述的元件或操作。

圖1係根據本發明的實施例之海底電纜50的剖視示意圖。海底電纜50包括電纜纜芯12、磁感測元件14、填充物16、包覆層18。磁感測元件14包含鐵電材料。包覆層18包含內被覆層20、鎧裝層30及外被覆層40。電纜纜芯12由三根絕緣線芯所組成(即，三芯線纜)，但本發明不限於此，電纜纜芯12也可由單根絕緣線芯所組成(即，單芯線纜)。絕緣線芯包括導體12a及外覆於導體12a的絕緣層12b。填充物16外覆於電纜纜芯12與磁感測元件14。包覆層18包覆電纜纜芯12、磁感測元件14與填充物16。

在本發明的實施例中，導體12a例如為銅導體、止水導體、止水銅導體或銅絞線導體。在本發明的實施例中，絕緣層12b例如為交連聚乙烯(Cross-linked polyethylene，XLPE)絕緣體或由乙丙烯橡膠所製成的絕緣層。在本發明的實施例中，導體12a與絕緣層12b之間設置有半導電層(半導電止水層)(圖未示)。在本發明的實施例中，填充物16例如為聚丙烯(polypropylene，PP)填充繩或聚丙烯充麻所製成的填充材料。

如圖1所示，內被覆層20外覆於電纜纜芯12、磁感測元件14與填充物16，鎧裝層30外覆於內被覆層20，外被覆層40外覆於鎧裝層30。在本發明的實施例中，內被覆層20與外被覆層40例如為聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，PVC)或高密度聚乙烯(High Density Polyethylene，HDPE)製成的構件，用以防止海水滲入、腐蝕。在本發明的實施例中，鎧裝層30例如為鍍鋅鋼線(鍍鋅鋼絲)所製成的鎧裝層。

在本發明的實施例中，磁感測元件14所包含的鐵電材料包括下列中的一者：La _0.6Sr _0.2Ba _0.2MnO ₃、La _0.6Ca _0.4MnO ₃、La _0.65Ca _0.35Mn _0.9Ti _0.1O ₃、La _0.975Li _0.025Mn _0.9Ti _0.1O ₃、La _0.65Sr _0.35MnO ₃、La _0.6Sr _0.2Ca _0.2MnO ₃、La _0.7Ba _0.3MnO ₃、La _0.7Ca _0.06Ba _0.24MnO ₃、La _0.65Nd _0.05Ca _0.3MnO ₃、La _0.65Nd _0.05Ca _0.3Mn _0.9Cr _0.1O ₃、La _0.65Nd _0.05Ca _0.3Mn _0.9Fe _0.1O ₃、Gd、Gd ₅(Si ₂Ge ₂)。

在本發明的實施例中，磁感測元件14所包含的鐵電材料的選用依據乃是根據海底電纜50的額定工作溫度來選擇。具體而言，磁感測元件14所包含的鐵電材料的居禮溫度會比海底電纜50的額定工作溫度低7.5K至30K。舉例而言，一般常見使用在連接路上變電站的交連聚乙烯(Cross-linked polyethylene，XLPE)的高壓直流輸電(High Voltage Direct Current，HVDC)電力電纜線的額定工作溫度為363.15K(即90˚C)，是故將會選用居禮溫度為354K的La _0.6Sr _0.2Ba _0.2MnO ₃作為磁感測元件14所包含的鐵電材料，因其居禮溫度(354K)比XLPE的電力電纜線的額定工作溫度(363.15K)低9.15K。

具體而言，本發明乃是將包含鐵電材料的磁感測元件14埋設於海底電纜50以增強海底電纜50的電磁訊號，從而改善海底電纜50的危害監控之精確度。

在本發明的實施例中，包含鐵電材料的磁感測元件14的埋設方式可為陣列區域埋設或者是網狀分布。其中，陣列區域埋設的方式為：磁感測元件14包含多個區段，所述多個區段之兩相鄰者以間隔距離隔開且所述多個區段沿著海底電纜50的延伸方向鄰設於電纜纜芯12。舉例來說，沿著海底電纜50的延伸方向每隔5公分至10公分的間隔距離對於電纜纜芯12鄰設一個區段(例如長10公分)的磁感測元件14。其中，網狀分布的方式為：磁感測元件14為鐵電材料製成的網狀結構且磁感測元件14環繞包覆電纜纜芯12，換言之，磁感測元件14以網狀結構使鐵電材料環繞包覆於電纜纜芯12的外部表面。在本發明的其他實施例中，磁感測元件亦可藉由貼片形式貼附於海底電纜的包覆層的外部(意即，包覆層設於電纜纜芯與磁感測元件之間)，例如將鐵電材料設為寬度1公分至5公分的膠帶式材料貼片，以供離岸風場運維商將該膠帶式材料貼片自行施工而貼附於海底電纜的包覆層的外部。

一旦海底電纜50在不穩定的狀態下運作，例如:因扭轉、掏刷造成懸空或彎曲…等，將造成海底電纜50的負載飆升，使得海底電纜50的電纜纜芯12的電流過高，致使海底電纜50發熱，而長時間的高溫將會造成海底電纜50故障。因此，有必要對於海底電纜50進行故障監控/危害監控。在本發明的實施例中，當海底電纜50的溫度超過海底電纜50的額定工作溫度時，磁感測元件14所包含的鐵電材料的溫度同樣亦會超過鐵電材料的居禮溫度，此時，由於鐵電材料的自身共通特性，將造成鐵電材料轉變為順磁性材料因此產生磁力降低的狀況（即退磁狀態），本發明即可據此特性來實現海底電纜50的危害監控，以達到海底電纜故障安全監控的目的。

圖2係根據本發明的實施例之海底電纜故障監控裝置100的示意圖。圖3係根據本發明的實施例之海底電纜故障監控方法1000的流程圖。海底電纜故障監控裝置100包括海底電纜50、水下無人載具60及電磁感測裝置70。海底電纜50具有包含鐵電材料的磁感測元件14埋設於其中。

在本發明的實施例中，水下無人載具60例如為遙控潛水器(Remotely Operated Vehicle，ROV)、自主水下載具(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)、拖曳體等。在本發明的實施例中，電磁感測裝置70例如為Innovatum公司的SMARTRAK系统或Teledyne Marine公司的Teledyne TSS系统，利用電磁波感應技術來進行磁力探測以實現海底電纜的檢測。

海底電纜故障監控方法1000包括步驟S1、S2及S3。於步驟S1，將電磁感測裝置70裝設於水下無人載具60上。於步驟S2，由電磁感測裝置70感測海底電纜50的磁場分布。於步驟S3，根據電磁感測裝置70所感測得之海底電纜50的磁場分布來判斷海底電纜50的危害區段。

具體而言，本發明乃是將包含鐵電材料的磁感測元件14埋設於海底電纜50以增強海底電纜50的電磁訊號，從而提升電磁感測裝置70之海底電纜的檢測精準度、減低電磁感測裝置70所需的量測深度、減少電磁感測裝置70所需的量測時間，同時也能夠有效縮短水下無人載具60的作業時程，以節省水下無人載具60的租賃成本。

在本發明的實施例中，海底電纜故障監控裝置100更包括通訊連接電磁感測裝置70的顯示裝置(圖未示)，顯示裝置用以顯示海底電纜50的磁場分布。

海底電纜故障監控方法1000的步驟S3之根據海底電纜50的磁場分布來判斷海底電纜50的危害區段包括：藉由顯示裝置所顯示的海底電纜50的磁場分布來判斷海底電纜50沿著海底電纜50的延伸方向所包含的多個長度段(圖未示)的一者是否呈現退磁狀態(即海底電纜50的多個長度段的該者所相鄰的磁感測元件14所包含的鐵電材料是否已轉變為順磁性材料)；及當海底電纜50的所述多個長度段的該者呈現退磁狀態時(即海底電纜50的多個長度段的該者所相鄰的磁感測元件14所包含的鐵電材料已轉變為順磁性材料時)，電磁感測裝置70判定海底電纜50的所述多個長度段的該者為海底電纜50的危害區段。具體而言，在本發明的實施例中，海底電纜50包括多個長度段，當海底電纜50的某一長度段因在不穩定的狀態下運作導致其電纜纜芯12的溫度超過電纜纜芯12的額定工作溫度時，海底電纜50的該長度段的磁感測元件14所包含的鐵電材料的溫度同樣亦會超過鐵電材料的居禮溫度，此時，由於鐵電材料的自身共通特性，海底電纜50的該長度段的鐵電材料將會轉變為順磁性材料，從而導致海底電纜50的該長度段的磁力訊號顯示較弱(呈現退磁狀態)，據此，海底電纜故障監控裝置100即可藉由電磁感測裝置70來檢測海底電纜50的該長度段是否呈現退磁狀態，從而判定海底電纜50的危害區段。換言之，海底電纜50的危害區段的電纜纜芯12的溫度超過電纜纜芯12的額定工作溫度，且海底電纜50的危害區段的磁感測元件14所包含的鐵電材料為順磁性材料。

圖4係示出未埋設鐵電材料之海底電纜與有埋設鐵電材料之海底電纜的磁場分布的示意圖。其中，圖4的示意圖是透過Ansys HFSS三維高頻電磁場模擬分析軟體的模擬結果。圖4的上圖為未埋設鐵電材料之海底電纜的磁場分布的示意圖。圖4的下圖為有埋設鐵電材料之海底電纜的磁場分布的示意圖。由圖4可知，海底電纜於埋設鐵電材料處的磁場明顯增加。具體而言，本發明乃是將鐵電材料埋設於海底電纜50以增強海底電纜50的電磁訊號，達到「可視化」之效果，從而改善海底電纜50的危害監控之精確度。

圖5係根據本發明的實施例之海底電纜50在穩定的狀態下運作與在不穩定的狀態下運作之海底電纜50的磁場分布的示意圖。其中，圖5的示意圖是透過Ansys HFSS三維高頻電磁場模擬分析軟體的模擬結果。圖5的上圖為海底電纜50在穩定的狀態下運作之海底電纜50的磁場分布的示意圖。圖5的下圖為海底電纜50在不穩定的狀態下運作之海底電纜50的磁場分布的示意圖。由圖5可知，當海底電纜50在不穩定的狀態下運作時，鐵電材料磁力降低且轉變為順磁性材料，使得海底電纜50呈現區域退磁現象。具體而言，本發明藉由檢測海底電纜50的磁場分布來實現海底電纜50的危害監控。

藉由顯示裝置來呈現海底電纜的磁場分布，本發明實現了海底電纜50的磁場的影像辨識機制。舉例而言，可透過人力辨識或者是影像處理辨識技術來辨識如圖4或圖5的顏色分布來得知海底電纜50的磁場分布的狀況，從而能夠判讀出海底電纜50的某一長度段的鐵電材料是否已轉變順磁性材料，以進一步地標註/標籤海底電纜50的危害區段。

綜合上述，本發明提出一種海底電纜、海底電纜故障監控裝置與海底電纜故障監控方法。將鐵電材料埋設於海底電纜以增強海底電纜的電磁訊號，從而改善電磁感測裝置於檢測海底電纜時的精確度、減低電磁感測裝置所需的量測深度、減少電磁感測裝置所需的量測時間，同時也能夠有效縮短水下無人載具的作業時程，以節省水下無人載具的租賃成本。

以上概述了數個實施例的特徵，因此熟習此技藝者可以更了解本發明的態樣。熟習此技藝者應了解到，其可輕易地把本發明當作基礎來設計或修改其他的製程與結構，藉此實現和在此所介紹的這些實施例相同的目標及/或達到相同的優點。熟習此技藝者也應可明白，這些等效的建構並未脫離本發明的精神與範圍，並且他們可以在不脫離本發明精神與範圍的前提下做各種的改變、替換與變動。

12:電纜纜芯 12a:導體 12b:絕緣層 14:鐵電材料 16:填充物 18:包覆層 20:內被覆層 30:鎧裝層 40:外被覆層 50:海底電纜 60:水下無人載具 70:電磁感測裝置 100:海底電纜故障監控裝置 1000:海底電纜故障監控方法 S1,S2,S3:步驟

從以下結合所附圖式所做的詳細描述，可對本發明之態樣有更佳的了解。需注意的是，根據業界的標準實務，各特徵並未依比例繪示。事實上，為了使討論更為清楚，各特徵的尺寸都可任意地增加或減少。 [圖1]係根據本發明的實施例之海底電纜的剖視示意圖。 [圖2]係根據本發明的實施例之海底電纜故障監控裝置的示意圖。 [圖3]係根據本發明的實施例之海底電纜故障監控方法的流程圖。 [圖4]係示出未埋設鐵電材料之海底電纜與有埋設鐵電材料之海底電纜的磁場分布的示意圖。 [圖5]係根據本發明的實施例之海底電纜在穩定的狀態下運作與在不穩定的狀態下運作之海底電纜的磁場分布的示意圖。

12:電纜纜芯

12a:導體

12b:絕緣層

14:鐵電材料

16:填充物

18:包覆層

20:內被覆層

30:鎧裝層

40:外被覆層

50:海底電纜

Claims

一種海底電纜，包括：一電纜纜芯；一磁感測元件，包含一鐵電材料；及一包覆層，包覆該電纜纜芯；其中該包覆層包覆該磁感測元件或者是該包覆層設於該電纜纜芯與該磁感測元件之間；其中當該海底電纜的溫度超過該海底電纜的一額定工作溫度時，該鐵電材料轉變為一順磁性材料。
如請求項1所述之海底電纜，其中該鐵電材料具有一居禮溫度，該居禮溫度比該海底電纜的該額定工作溫度低7.5K至30K。
如請求項1所述之海底電纜，其中該磁感測元件包含多個區段，其中該些區段之兩相鄰者以一間隔距離隔開且該些區段沿著該海底電纜的一延伸方向鄰設於該電纜纜芯。
如請求項3所述之海底電纜，其中該包覆層包括一內被覆層、一鎧裝層與一外被覆層，其中該鎧裝層外覆於該內被覆層且該外被覆層外覆於該鎧裝層。
如請求項1所述之海底電纜，其中該磁感測元件為鐵電材料製成的網狀結構，其中該磁感測元件環繞包覆該電纜纜芯。
如請求項1所述之海底電纜，其中該鐵電材料包括下列中的一者：La_0.6Sr_0.2Ba_0.2MnO₃、La_0.6Ca_0.4MnO₃、La_0.65Ca_0.35Mn_0.9Ti_0.1O₃、La_0.975Li_0.025Mn_0.9Ti_0.1O₃、La_0.65Sr_0.35MnO₃、La_0.6Sr_0.2Ca_0.2MnO₃、La_0.7Ba_0.3MnO₃、La_0.7Ca_0.06Ba_0.24MnO₃、La_0.65Nd_0.05Ca_0.3MnO₃、La_0.65Nd_0.05Ca_0.3Mn_0.9Cr_0.1O₃、La_0.65Nd_0.05Ca_0.3Mn_0.9Fe_0.1O₃、Gd、Gd₅(Si₂Ge₂)。
一種海底電纜故障監控裝置，包括：一海底電纜，包括：一電纜纜芯；一磁感測元件，包含鐵電材料；及一包覆層，包覆該電纜纜芯；其中該包覆層包覆該磁感測元件或者是該包覆層設於該電纜纜芯與該磁感測元件之間；一水下無人載具；及一電磁感測裝置，裝設於該水下無人載具上；其中該電磁感測裝置用以感測該海底電纜的一磁場分布，其中該海底電纜故障監控裝置根據該海底電纜的該磁場分布來判斷該海底電纜的一高溫故障區段。
如請求項7所述之海底電纜故障監控裝置，更包括：一顯示裝置，用以顯示該海底電纜的該磁場分布；其中沿著該海底電纜的一延伸方向，該海底電纜包含複數個長度段；其中當該顯示裝置顯示該些長度段的一者呈現退磁狀態時，該電磁感測裝置判定該些長度段的該者為該海底電纜的該高溫故障區段。
一種海底電纜故障監控方法，包括：將一電磁感測裝置裝設於一水下無人載具上；由該電磁感測裝置感測一海底電纜的一磁場分布，其中該海底電纜包括一電纜纜芯、包含鐵電材料的一磁感測元件、包覆該電纜纜芯的一包覆層，其中該包覆層包覆該磁感測元件或者是該包覆層設於該電纜纜芯與該磁感測元件之間；及根據該海底電纜的該磁場分布來判斷該海底電纜的一高溫故障區段。
如請求項9所述之海底電纜故障監控方法，其中根據該海底電纜的該磁場分布來判斷該海底電纜的該高溫故障區段包括：判斷該海底電纜沿著該海底電纜的一延伸方向所包含的複數個長度段的一者是否呈現退磁狀態；及當該海底電纜的該些長度段的該者呈現退磁狀態時，判定該海底電纜的該些長度段的該者為該海底電纜的該高溫故障區段。