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原文传递一种光电复合海缆的机械故障监测方法

专利名称：	一种光电复合海缆的机械故障监测方法
摘要：	本发明公开了属于故障监测技术领域的一种光电复合海缆的机械故障监测方法。该方法是以110kV YJQ41×300mm2型海缆为研究对象，基于ANSYS/LS‑DYNA显式动力学分析建立其结构动力学有限元模型，对海缆拉伸、扭转、锚砸三种典型故障情况进行了建模仿真，得到了海缆复合光纤沿线的应变分布及海缆内相关结构的应变及应力与光纤应变在故障发展过程中的对应关系，建立了拉伸、扭转状态下缆芯、铠装应变及应力与光纤应变的函数关系，以及锚砸状态下海缆损伤状态与光纤应变的评估指标，本发明可对海缆可能处于的机械故障状态类型进行辨识，并结合所建立的函数关系以及损伤评估指标对相应故障的发展程度进行初步判断。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	河北;13
申请人：	华北电力大学(保定)
发明人：	赵丽娟;徐志钮;胡志伟;李永倩
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-14T00:00:00+0800
发布日期：	2019-10-01T00:00:00+0800
申请号：	CN201910193537.7
公开号：	CN110296885A
代理机构：	北京众合诚成知识产权代理有限公司
代理人：	张文宝
分类号：	G01N3/08(2006.01);G;G01;G01N;G01N3
申请人地址：	071003 河北省保定市永华北大街619号
主权项：	1.一种光电复合海缆的机械故障监测方法，其特征在于，以110kV YJQ41×300mm2型海缆为研究对象，基于ANSYS/LS-DYNA显式动力学分析建立其结构动力学有限元模型，对海缆拉伸、扭转、锚砸三种典型故障情况进行了建模仿真，得到了海缆在上述故障情况下复合光纤沿线的应变分布以及海缆内相关结构部件的应变及应力与光纤应变在故障发展过程中的对应关系，建立了拉伸、扭转状态下缆芯、铠装应变及应力与光纤应变的函数关系，以及锚砸状态下海缆损伤状态与光纤应变的评估指标，所述海缆机械故障的状态监测方法包括： 1，海缆结构及状态监测系统 1.1，.基于BOTDR的海缆状态监测系统以110kV YJQ41×300mm2光电复合海缆连接的中国东部某一海域A、B两岛，用于其电能输送和电力系统通道通信运行、传输电网调度自动化的实时运行信息；为此建设了110kV光电复合海缆的立体综合监测系统，其中基于布里渊光时域散射(BOTDR)的110kV海缆状态监测子系统采用分布式光纤测量仪实时监测海缆复合光纤的应变、温度分布；海缆状态监测子系统有6个通道，通道1/2、3/4、5/6分别应用于东、中、西三相海缆的监测；BOTDR测试设备放置在B岛侧，通过普缆连接后将激光脉冲入射进海缆复合单模光纤中，激光在光纤中传输产生布里渊散射光，布里渊散射光反向传输到达发射端，在发射端利用数据采集单元(DAU)和数据处理单元(DPU)检测布里渊散射光信号的频移和强度即可得到光纤的应变、温度信息； 1.2，采用布里渊频移监测海缆应变的有效性布里渊散射的频移、强度与温度和应变存在线性关系；对于普通的单模光纤，布里渊频移νB与温度T和应变ε的表达式如下 νB(T)＝νB0+1.158×10-4ΔT (1) νB(ε)＝νB0+5.6ε (2) 式中，νB0为初始温度T0且无应变时的布里渊频移，单位为GHz；ΔT＝T-T0为相对于T0的温度变化量，单位为℃； 2，海缆的有限元建模 2.1，海缆几何建模从网格剖分的质量、初始穿透的可能性和海缆中各结构部件对仿真结果的影响三个角度，对实际海缆进行了简化，省略了海缆中厚度相对来说很薄且对模型影响很小的导体屏蔽层、绝缘屏蔽层、黄铜带层，将内外被层简化为壳结构，最终建立的海缆模型包括铜缆芯、交联聚乙烯绝缘层、铅合金护套、高密度聚乙烯护套、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)填充条层、光单元、内外被层、铠装层，其中光单元包括光纤、钢管、聚丙烯护套；海缆几何建模中，铠装、PET填充条、光单元三种绞合结构部件的建模最为关键，精确的绞合结构模型对真实表现海缆的结构力学特性至关重要，由此依赖于ANSYS特有的APDL语言构建单根绞合体，然后根据绞合根数在柱坐标系下对其进行复制即可得到绞合层； 2.2，单元材料的选择与网格剖分对于海缆中结构薄、贡献小的内外被层，选择SHELL163薄壳单元对其进行建模，采用默认对简单壳单元高效稳定的Belytschko-Tsay算法进行求解；海缆其他部分选择显式体单元SOLID164，并采用缺省的单点积分算法对其进行求解，在有效控制了沙漏模式的情况下，单点积分对于大变形单元效果好，相对于全积分算法求解效率理论上能提升8倍；所述海缆各部件的材料按照其物理特性可以分为两类：一类是金属材料，包括缆芯、铅合金护套、铠装以及光单元中的钢管，金属材料具有典型的弹塑性特征，采用经典BKIN(Bilinear Kinematic Hardening)模型作为其材料模型，该模型采用分段线性函数来表达材料的本构关系，其余非金属结构部件材料的弹性模量相较于金属材料来说要小得多，仿真过程中始终处于弹性阶段，采用线弹性模型Isotropic进行研究，对于船锚，由于锚砸前后锚的变形可忽略，故对船锚采用刚体材料模型Rigid；网格剖分的方式会影响到模型的初始穿透、最小单元尺寸比例以及计算的收敛性，在综合考虑了网格剖分密度和计算效率的前提下，采用自定义扫掠的方式单独对海缆各个结构部件进行网格剖分； 2.3，接触定义与沙漏能控制选择自动接触作为建模的接触类型，其允许模型的任何表面与其他表面包括它本身接触，非常适用于海缆机械故障建模时无法预知接触面的情况，采用广泛使用的单面接触算法来处理这种自接触或大变形问题；综上所述，海缆建模接触定义为自动单面接触；沙漏模式是一种在数学上稳定，但在物理上无法实现的状态，必须控制仿真过程中计算模型的总体沙漏能小于总体内能的10％，仿真结果才是有效的；从提高网格剖分质量和对沙漏能较大的海缆部件施加沙漏控制算法来减小它们各自的沙漏能；经过多次尝试，仿真全过程的沙漏能与内能的比值控制在2％以下； 3，海缆故障情况的载荷施加 3.1，拉伸故障载荷施加根据国际大电网委员会提出的海缆机械试验标准，选取典型拉伸载荷施加于海缆模型轴向方向上，海缆的拉伸率和拉伸载荷作用时间分别为5‰和0.1s，匀速拉伸；对模型一端面上的所有节点施加固定约束，截取另一端一小段长度的海缆段作为组件，设置其材料类型为刚体，通过给该组件施加刚体位移-时间载荷，进而拉伸海缆； 3.2，扭转故障载荷施加与拉伸载荷施加方法类似，海缆扭转的实现是对其一端节点施加固定约束，对组件的刚体部分施加刚体旋转-时间载荷，匀速扭转，通过设置刚体旋转载荷的正负和最大值来控制海缆扭转的方向和角度，通过改变载荷施加的时间控制扭转的速度，扭转方向的不同体现为刚体旋转方向与海缆绞合方向相同和相反，根据海缆实际卷绕方法，取典型扭转情况下0°～20°的扭转角范围，扭转速度分别为±4°/s、±6°/s和±8°/s，扭转速度为正表示刚体扭转方向与海缆绞合方向相同，为负则方向相反； 3.3，锚砸故障载荷施加根据海缆所在水域上方船只大小和配锚情况选取最具有代表性的660kg霍尔锚作为建模对象，在保证锚重和底部投影面积不变的前提下对船锚进行简化；根据船锚的下落速度计算方法求得船锚接触海缆瞬间的最大下落速度，控制船锚的下落速度小于等于最大速度以符合实际情况，建模时，控制船锚与海缆的碰撞区域位于仿真段的中间区域，对海缆两端的节点施加固定约束，仅对船锚部分施加竖直向下的刚体位移-时间载荷，由于锚缆撞击过程极短，认为整个撞击过程为匀速，取一典型锚砸故障情况，锚砸深度8cm，本文根据船锚计算速度设置撞击时间为0～0.036s，为了避免结构突然卸载造成模型异常收敛，载荷施加时间略长为0.04s，为了得到实际船锚停止下沉后的稳定状态，求解时间设置为足够长的10s，剩余时间船锚保持在最深撞击位置处；由于船锚动能的计算中已添加了土壤穿透阻力的影响，相对来说包裹海缆的松软水饱和土壤在撞击瞬间对锚缆的阻力可忽略，省略海缆周围土壤的建模； 4，有限元仿真结果及分析 4.1，拉伸仿真结果分析对于海缆中结构类似的圆柱体，它们在轴向拉伸过程中表现类似，以海缆中最重要的缆芯部件为代表进行分析，拉伸过程中海缆轴向上光纤与缆芯的应变均随着拉伸程度的增大而增大，缆芯应变不随轴向距离的变化而变化，且与拉伸程度成正比，沿线光纤在刚体位移载荷施加的主要拉伸区域应变量最大，距离海缆主要拉伸区域越远，光纤应变量越小，则将此光纤应变分布特征作为海缆处于拉伸状态的判据并进行故障定位；取海缆轴向2～4.5m范围内光纤应变变化相对明显区域的光纤和缆芯的平均应变，建立缆芯应变与光纤应变的关系；可得到缆芯应变与光纤应变近似呈线性关系，同时，由于光纤余长在实际使用时会随着累积应变逐渐耗尽，在建模时未考虑光纤余长的情况下，光纤和缆芯的初始应变均为零，据此拟合缆芯应变与光纤应变数据，确定系数R2＝0.9877，标准误差RMSE＝1.237×10-4，可得式(3)； εc＝1.204εf (3) 式中，εc表示缆芯应变，εf表示光纤应变；基于式(3)和光纤应变可判断海缆的拉伸程度和状态； 4.2，扭转仿真结果分析 4.2.1，扭转方向与海缆绞合方向相反 (1)光纤海缆轴向光纤应变整体随海缆扭转程度的增大而增大，光纤应变分布受端部效应的影响在载荷施加端和约束端略高于中间段，中间区域的应变基本相等；从仿真段中间区域光纤平均应变与扭转角的关系可知光纤应变与扭转角成正比； (2)缆芯由于扭转时缆芯外层单元所受应力最大，所述的缆芯应变及应力均指其最外层的应变及应力；由海缆扭转状态下缆芯应变及应力与光纤应变的关系可知，扭转状态下缆芯应变始终与光纤应变成正比，拟合结果如式(4)，拟合R2＝0.9999，RMSE＝1.04×10-5； εc＝4.16εf (4) 缆芯材料随扭转角的增大由弹性形变转变为塑性形变，在材料弹性阶段，缆芯应力与光纤应变成正比，超过屈服点后，缆芯应力与光纤应变满足线性关系，采用分段线性函数拟合结果如式(5)；拟合函数第一段R2＝1，RMSE＝0.1171；第二段R2＝1，RMSE＝0.5608，扭转速度对结果无影响；式中，σc为缆芯应力，单位为0.1Mpa； (3)铠装由铠装应变及应力与光纤应变的关系曲线可知，不同扭转速度下，铠装应变及应力与光纤应变近似成正比，这是因为当扭转方向与海缆绞合方向相反时，扭转过程中光纤与铠装绞合结构处于同步离散状态，光纤应变和铠装的应变及应力仅由扭转产生，由于扭转导致的海缆拉伸可忽略，故铠装的应变及应力不会由于扭转和拉伸的叠加出现突变，与光纤应变始终呈线性；在设置的20°反向扭转角范围内，铠装始终处于弹性阶段，其承受的最大应力未达到材料屈服点，扭转速度对结果基本无影响；铠装应变及应力与光纤应变关系的拟合结果如式(6)和式(7)所示，式(6)拟合R2＝0.9993，RMSE＝7.572×10-6；式(7)拟合R2＝0.9990，RMSE＝20.53， εt＝1.15εf (6) σt＝2.593×106εf 0≤εf≤8.28×10-4 (7) 式中，εt为铠装应变；σt为铠装应力，单位为0.1Mpa； 4.2.2，扭转方向与海缆绞合方向相同此状态下，缆芯等圆柱体的应力及应变仍仅由扭转产生，与扭转方向无关；在扭转程度不大时，光纤和铠装等绞合结构的应变及应力主要由扭转产生，此时段应力及应变的变化不大；随着扭转程度加深，其应变及应力开始由扭转和拉伸共同导致，其值明显增大； (1)光纤根据不同扭转角时海缆轴向光纤的应变分布，可知光纤应变随海缆扭转程度的增加而增大，海缆轴向上的光纤应变值基本相等，由此作光纤沿线平均应变随扭转角变化的曲线，可见在扭转程度不大时，光纤应变与扭转角成线性关系，随着扭转程度的加深，光纤应变增大的速率加快，最后回到线性增大，可分为三段； (2)缆芯对于圆柱体缆芯结构，其应变及应力随扭转角的变化规律与扭转方向无关，始终分别与扭转角成线性和分段线性函数关系，由光纤应变与扭转角的三段关系，缆芯应变及应力与光纤应变的关系进行三分段函数拟合，拟合结果如式(8)和式(9)所示，式(8)拟合R2分别为0.9999、0.9951和0.9996，RMSE分别为1.458×10-6、2.318×10-5和1.185×10-5；式(9)拟合R2分别为0.9999、0.9949和0.9997，RMSE分别1.746、11.79和5.542； (3)铠装根据不同扭转速度下铠装应变及应力与光纤应变的关系可知，铠装应变与光纤应变在扭转过程中可分为两个阶段，扭转程度不大时铠装应变与光纤应变成正比，应变仅由扭转产生；当扭转程度进一步增大，应变产生于扭转和拉伸，铠装应变随着光纤应变的增大进一步增大；铠装应力与光纤应变的关系分为三个阶段，前两个阶段与应变的变化规律相似，此时铠装处于弹性阶段；当铠装应力随着扭转程度的加深进一步增大到材料的屈服点后，铠装出现塑性变形，其应力和光纤应变的关系进入第三阶段；扭转速度对结果基本无影响；铠装应变及应力分别与光纤应变的关系采用分段函数进行拟合的结果如式(10)和式(11)所示；式(10)拟合R2分别为0.9994和0.9998，RMSE分别为4.434×10-7和1.274×10-5；式(11)拟合R2分别为0.9994、0.9994和0.9996，RMSE分别4.496、23.39和25.03，式(10)和(11)的第一段函数均有较高的线性拟合度，这与式(6)和(7)反映的规律一致；结合4.2.1节的结果可知，相同扭转角下，海缆扭转方向与其绞合方向相同时，内部光纤和铠装绞合结构的应变及应力的变化程度要明显大于海缆扭转方向与其绞合方向相反时的情况；根据建立的海缆扭转状态下缆芯、铠装应变及应力与光纤应变的关系(式(4)～式(11))以及BOTDR系统实测的光纤应变，可对缆芯与铠装的应变及应力进行预测，进而判断海缆的扭转故障程度； 4.3，锚砸仿真结果分析 (1)锚砸过程总体分析锚砸故障早期海缆仅发生局部变形，随后才发生整体变形，整个过程可分为铠装层局部变形阶段、海缆下沉阶段和海缆回弹阶段；在海缆仅发生铠装局部变形的时间区间为0～t1(t1＝0.003s)，出现整体下沉的时间区间为t1～t2(t2＝0.0036s)，随后在t2～t3(t3＝0.004s)出现轻微回弹，整个过程海缆下沉位移量为7.3cm，船锚位移量为8cm，在海缆的下沉阶段，铠装从弹性阶段过渡到屈服和强化阶段，此时锚缆接触面上的单根铠装钢丝自身形变可忽略不计，而随着船锚的下沉发生同步下沉，铠装下沉到达保护极限后对缆芯发生挤压导致缆芯形变，说明铠装在一定程度上对海缆内部结构具有保护作用，但保护程度有限； (2)光纤锚砸状态下，由海缆轴向光纤应变分布与时间的关系可知，海缆轴向光纤应变整体随着锚砸深度的增加而增大且其分布具有对称性，中间落锚处光纤应变小，在落锚点附近向两侧发展光纤应变增大，离落锚点一定距离后海缆弯曲程度降低，光纤应变趋于下降；光纤应变分布的这一特点可做为根据光纤应变判断海缆发生锚砸故障的依据； (3)铠装塑性应变是变形过程中产生的永久应变，工程上将其作为材料破坏的标志，铠装的塑性应变很大程度上反映了海缆的损伤状态，以落锚中心点为基准，提取中心点及其两侧各5cm、10cm、15cm处的铠装应力和塑性应变，将铠装平均应力、塑性应变以及光纤应变与时间的关系一并绘成曲线进行比较；根据工程上弹塑性材料的本构关系，将铠装在整个锚砸过程中的状态分为以下时间段：OA时间段，铠装处于弹性阶段，在A点达到材料的弹性极限，OA段中部有一段应力基本不变的波动区间，这是因为在该区间内海缆由铠装的局部变形阶段过渡到下沉阶段；AB时间段，A点过后，铠装应力大于材料的屈服强度，铠装出现塑性变形进入屈服阶段，该时间段铠装应变依然在增加而应力没有增加，应力-时间曲线呈现锯齿形波动，似乎失去了抵抗形变的能力，应力曲线上AB段的最低点称为屈服点；BC时间段，海缆随船锚继续下沉，铠装从屈服阶段过渡到强化阶段，其应力随时间先减小后增大，该阶段内铠装应力的大小始终小于其材料的屈服强度，塑性应变保持不变；CD时间段，铠装仍处于强化阶段，其应力随时间持续增大，说明要使铠装应变增大则必须增大应力，铠装恢复了抵抗变形的能力，这也是强化阶段的主要特征，C点之后，铠装应力的大小再次超过材料的屈服强度，其塑性应变值再次开始增加；DE时间段，由于船锚刚体位移载荷的卸载，海缆下沉阶段结束进入回弹阶段，铠装仍保留塑性应变但由于少量的回弹导致应力下降； (4)锚砸故障下海缆主要特征时刻分析上述海缆锚砸主要分为三个过程：过程I是碰撞初期海缆的局部变形阶段，时间0～0.003s；过程II是海缆下沉阶段，时间0.003s～0.036s；过程III是海缆的回弹阶段，时间0.036s～0.04s；将过程II细分为四个阶段：第一阶段即为OA段的后半段，从0.003s～0.0045s，此阶段海缆发生初始下沉，从海缆刚开始下沉一直到A点，铠装处于弹性阶段未出现塑性变形，铠装出现鸟笼状形变，海缆内部维持正常结构，第二阶段为AB段，从0.0045s～0.012s，铠装鸟笼状形变进一步发展，进入屈服阶段出现塑性应变，在铠装的保护下，海缆内部结构仍基本保持正常；第三阶段为BC段，从0.012s～0.03s，此阶段海缆下沉量进一步增大，海缆在下沉过程中，铠装首先经历了从鸟笼状凸起到形变逐渐恢复的一小段过程，该过程铠装应力减小，随后进入强化阶段应力再次增大，塑性应变保持不变，该阶段内海缆绞合层对其内部结构的挤压明显增大，铠装的保护已趋于极限，由此，此阶段需高度注意；第四阶段为CD段，从0.03s～0.036s，此阶段铠装已经无法维持正常的绞合结构，丧失了对海缆内部结构的有效保护，海缆内部缆芯截面出现变形，危及海缆的正常使用，因此认为此阶段海缆发生损坏；基于综述前面分析，则能够进行特征提取与故障辨识。
所属类别：	发明专利