应用于光纤传感网络的热电发生器设计与研究

研制并测试了用于光纤海底地震传感网络节点的热电能量收集系统。基于碲化铋热电材料,制作了用于光纤传感器的热电发生器(TEG),建立了热电模型并进行了验证。提出了一种将TEG输出的能量收集并利用的能量管理电路。详细介绍了该系统的设计思想、电路原理图和模拟水下环境实验。实验数据表明:所制作的TEG能够以2.67%的效率将热能直接转换成电能,设计的能量管理电路能够以23.09%的效率将电能收集并利用。该研究结果对延长光纤海底节点工作时间、增加系统可靠性有重要意义。

基于海底光缆埋设的海底冲沟泵选型研究

海底光缆能够实现远距离信息传输,帮助全球各国之间的电信传输互通互联。但其铺设设备复杂、工作环境恶劣、维护困难。海底冲沟泵作为其中的重要一环,在选型与应用上有诸多需要考虑的因素。通过分析复杂的海洋环境,如海水盐度、温度、海风海浪及海生物影响等,提出海底冲沟泵的材质选择、结构设计、附加保护等选型建议。研究表明:过流部件材质根据不同海域的盐度推荐选用316、316 L、904 L、双相不锈钢、超级双相钢,其耐腐蚀性由弱到强依次为:304、316、316 L、2205、904 L、2507;水导轴承常用材质包括橡胶、陶瓷、高分子材料、赛龙及碳纤维,建议优先选用赛龙及碳纤维材质;结构设计时着重考虑滤网孔目数、抗沙能力、防海生物影响。在经济预算较高的情况下,还可以考虑增加阴极保护和表面涂层工艺,进一步提高泵组的耐腐蚀性、稳定性、耐久性。对海底冲沟泵的选型研究,可为其他相似领域的应用提供参考,促进海上平台用泵的发展。

构建海底信息网技术分析

本文介绍了国内外各种海底网络的最新研究和应用情况。在现有典型网络的基本结构和技术特点基础上,提出适时构建海底信息网以实现海底光缆网、海底警戒网和海底观测网的“三网合一”,并针对最新相关软硬件技术进行了系统分析。

VMD和SO优化SVM的光纤复合海缆故障诊断研究

为了进一步提高光纤复合海底电缆的故障诊断准确率,提出了基于VMD及SO优化SVM的故障诊断方法。首先,使用VMD对故障数据进行分解,得到若干条IMF分量并利用皮尔逊相关系数做进一步筛选。其次,对筛选得到的IMF分量进行特征提取,分别提取各分量的峭度、近似熵及模糊熵。最后,将上述特征值构成的特征向量输入经SO优化的SVM中进行训练及分类,得到故障诊断结果。实验结果表明,采用本文提出的基于VMD和SO优化SVM的故障识别方法,光纤复合海底电缆的故障识别准确率达到了100%,分别比SVM、GA-SVM、GWO-SVM、CNN方法的识别准确度高7.5%、5%、5%、7.5%。

高压海底电缆监测技术与应用综述

随着国家能源转型需要,海上风电场迅猛发展,海缆在跨海域联网中起到关键作用,其安全稳定运行十分重要,这离不开相应的监测技术。归纳了针对海缆监测的常用技术,包括温度与载流量监测、应变监测、扰动监测和路由监测四个方面,并对原理与工程应用进行了简述,最后列举了国内海缆综合监测平台的应用情况,总结出海缆监测技术的关键技术的发展现状,探究了未来的发展趋势。

光纤传感用于海缆扰动探测的试验研究

海缆是海缆基础设施供电和通信的关键载体,海缆监测对于保障海缆基础设施安全稳定运行具有重要工程意义。针对海缆扰动监测需求开展海缆扰动探测试验研究。首先,搭建基于分布式光纤传感技术的海缆扰动探测试验系统,并接入南海深海海底观测网试验系统海缆暗光纤进行扰动探测试验,试验结果表明本系统能够有效探测铁锹拍击、车辆振动、海水冲刷及台风影响引起的海缆扰动。然后,根据海缆光纤瑞利背向散射(Rayleigh Backscattering,RBS)幅度信号特征,提出一种基于双向长短期记忆(Bidirectional Long Short-Term Memory,BiLSTM)神经网络的海缆扰动定位方法,本方法以海缆光纤RBS幅度信号的谱熵和瞬时频率作为特征参量输入,使用海缆光纤RBS幅度信号样本对本方法进行测试,结果表明本方法对海缆沿线扰动信号和非扰动信号的平均检测准确率高于99.6%。将海缆扰动探测试验系统与海缆扰动定位方法结合应用于海缆监测可有效探测海缆沿线扰动。

海底光纤复合缆机械损伤有限元仿真分析综述

海底光纤复合缆广泛应用于跨海洋信息能源互联互通工程中,在国家海洋发展战略中发挥着关键作用。海底环境复杂,不同类型机械损伤将直接影响海缆的安全运行,有限元仿真技术通过分工况模拟,为海缆的安全监测提供了一种低成本高效率的理论支撑手段。为总结现有技术,评估未来发展方向,文章梳理了海缆的拉伸、扭转和弯曲机械形变有限元仿真技术,并从锚害和自然洋流等因素层面,总结了海缆机械损伤有限元仿真研究结果,为光纤传感等监测技术提供了依据,最后对仿真技术进行了总结展望。

海管结构状态监测研究进展

海管在长期运营过程中,受到海水腐蚀、海沙冲蚀及海洋波浪作用,易发生局部屈曲、开裂和穿孔等损坏,引发油气泄漏事故,造成严重的环境污染和巨大的经济损失。因此,运营中海管的结构抗力、损伤和安全状态及剩余服役寿命等信息的掌握成为工程领域的关注重点。鉴于此,归纳总结了运营中海管结构的特征参数和可能的损伤模式,对检测和监测海管结构状态的技术进行了国内外研究进展综述,同时结合运营中的海管监测需求重点介绍了光纤传感技术在海管结构状态监测方面的优势、研究现状及应用前景,以期为维护海管结构安全经济运行提供有效器件和可靠技术参考。

海底复合电缆海上中间接头施工案例解析

介绍了国内某高压海缆工程项目中的海上中间接头施工方案,方案对海上施工的气象环境、施工船舶的定位和硬件设施做了要求,并增加一个内工棚来控制电气连接时的温度与湿度,对中间接头制作前后的相关光学和电气性能进行检测,确保方案的有效实施和完工接头的安全可靠。在电气连接部分,为绝缘表面处理、绝缘回缩、界面压力等问题给出了解决方法,其中电气连接接头选用了“品”字形的方案布置。在保证质量和安全的前提下,方案选择同步进行光纤连接和接头机械保护外壳安装的施工。最后介绍了接头沉放施工的注意事项与后保护要点。

海底光缆分布式监测技术研究及应用现状

海底光缆是现代信息网络的重要组成部分,对其性能和物理状态的监测是网络维护工作的重要方面,利用分布式光纤传感技术对海底光缆扰动状态进行监测,既可达成对海底光缆故障的定位分析,也可用于对周边环境和目标状态的监测,具有广阔的应用场景。本文对当前主要的适用于水下光缆的分布式光纤传感技术现状进行了梳理,阐述了主要技术方向的基本原理,分析了其应用场合和主要性能特性,并展望了未来水下光缆扰动监测技术的研究和应用发展。

海底光缆传输网及其关键技术研究

论文介绍了国内外海底光缆传输网络的发展现状,提出了具有网格拓扑结构的海底光缆传输网的总体架构,研究信息接入与传输、远程供电、海底节点、光电综合网络监测等关键技术,实现各类海洋信息大容量、高速、可靠接入和传输至岸基中心,提高海底区域的抗毁生存、信息综合传输和远程供电等能力,为我国海底光缆传输网络的设计和建设提供参考。

智能浮标系统的架构与关键技术

随着对海洋的探索开发,人类对海洋数据的需求日益增长。海上浮标作为海洋水文气象的自动观测站,在技术的加持下被赋予了越来越多的功能,被运用到探索开发海洋的方方面面。但是,目前海上浮标的应用场景比较单调,其信息传输仍受到诸如气候环境、通信距离等因素的影响。为满足对海洋数据日益增长的需求,该文提出一种基于海上浮标技术、海底光缆技术与网络技术相结合的智能浮标系统,并设想了这套系统的若干应用场景。

基于BOTDR的光纤复合海底电缆应变/温度监测

高压光纤复合海底电缆结构复杂、敷设环境特殊,日常巡检和状态检测实现难度大,利用分布式光纤应变和温度测量设备对其进行监测十分必要。为此,利用Brillouin光时域反射计(BOTDR)对110 kV光纤复合海底电缆中的复合光纤进行了应变和温度标定实验,比较了不同光纤Brillouin频移的应变/温度系数和初始频移的区别,给出了利用光纤中Brillouin频移分布曲线进行接续点精确定位的方法,对运行中的海缆进行了全面、实时、长期的状态监测和数据分析。结果表明:海缆光单元中不同光纤的Brillouin频移应变/温度系数基本相同,约为0.05 MHz/10-6和1.05 MHz/℃,但初始频移差别较大,变化范围约20 MHz;光路中接续点处的Brillouin频移变化明显,可作为定位依据;利用Brillouin频移监测海缆的应变和温度需结合海底地形、地质、洋流、环境温度、负荷电流等因素。

光电复合海缆中光纤与导体温度关系的有限元分析方法

根据光电复合海缆中的光纤温度计算导体温度是进行导体温度监测和载流量计算的关键。本文利用有限元法建立了110 kV光电复合海缆的有限元模型,根据IEC 60287标准计算出热载荷,分析了负荷电流、环境温度、土壤与海水的表面传热系数等因素对海缆本体及周围温度分布的影响,建立了海缆导体温度、光纤温度和环境温度的关系式。结果表明,导体温度与光纤温度呈线性关系,光纤温度每升高1℃,导体温度升高1.3℃;相同光纤温度下,环境温度每升高1℃,导体温度下降0.3℃;海缆发热主要耗散于周围1.6m以内的土壤中,土壤与海水表面传热系数对结果的影响可以忽略。根据光纤温度和海水温度,可计算出导体温度,作为海缆导体温度监测和载流量计算的理论依据。

利用光纤应变判断光电复合海缆锚害程度的有限元分析法

锚害占海缆机械故障的80%以上,不同程度的锚害会导致海缆发生漏电、接地、短路和断缆事故,及时发现锚害并判断锚害程度十分重要。本文提出了利用光电复合海缆中光纤的应变判断海缆锚害程度的有限元分析法。建立了110k V光电复合海缆的有限元模型,对海缆锚害过程进行了仿真和分析,建立了海缆锚害过程中铠装层应力和光纤应变的分段时间函数,对锚害程度进行了分级,并用海缆模型试验验证了仿真结果。结果表明,海缆锚害程度的加剧导致光纤应变的增加,海缆锚害过程可用5个分段函数表示,锚害程度可分为三级,分别对应0.12%、0.35%和1.1%的光纤应变,可利用分布式光纤传感技术测量的光纤应变判断海缆的锚害程度。

基于BOTDR监测数据的光纤复合海底电缆状态预测

为了判断光纤复合海底电缆状态的发展趋势,及时发出故障预警信号,提出了基于加权最小二乘支持向量机(WLS-SVM)的海缆BOTDR监测数据多步预测模型。利用Birge-Massart策略计算实测数据小波分解后不同尺度上的阈值,使用软阈值法消除随机噪声对预测准确性的影响;在混沌序列分析的基础上,采用G-P算法进行相空间重构,确定最佳嵌入维数,同时验证频移时间序列的混沌特性;将重构相空间中的相点馈入到WLSSVM模型完成递归多步预测;最后对海缆两个典型位置处测点进行了频移6步预测。结果表明,递归6步预测的最大平均相对误差为1.80%,具有比标准支持向量机预测结果更高的预测精度和更好的适用性。

海底高压动力电缆在线监测技术与实验研究

海底动力电缆经常出现故障,为探索寻找电缆监测技术方法,分析了胜利油田埕岛海域海底动力电缆多次出现短路故障的可能原因和产生故障的机理,并由此提出了采用基于BOTDR技术的分布式光纤传感系统监测电缆所受外力变化和监测电缆内部温度变化的技术,以及应用局部放电检测技术监测电缆绝缘破损后放电现象。电缆截面温度场和电缆外表受力的数值模拟分布式光纤传感监测电缆内部不同温度和外部受力变形的实验,以及电缆绝缘破损后的局部放电监测证明,所研究的方法可较好地在线监测动力电缆的工作状态,能有效监测和预测海底高压动力电缆运行中的主要故障,该研究可对海洋动力电缆的健康运行与维护提供一种技术方法。

三芯海底电缆中复合光纤与导体温度关系建模

三芯光纤复合海底电缆中光纤以内填充层热阻的准确计算是建立光纤与导体温度关系的关键和难点。本文在建立三芯海缆热路模型的基础上,根据虚拟热源和镜像法,利用光纤温度计算出填充层外径处温度,进而计算出铠装层外径处温度;根据傅氏传热学原理计算出光纤处等温面至铠装层外径处等温面的热阻;利用形状因子法计算出填充层内径至铠装层外径的总热阻,再减去光纤处等温面至铠装层外径处等温面的热阻,得到光纤以内填充层的热阻;根据热路模型建立了光纤与导体的温度关系方程,并用有限元求解结果验证了方程的正确性。结果表明,三芯海缆的光纤与导体温度呈线性关系,导体温度每上升1.15℃,光纤温度上升1℃;相同导体温度下,环境温度每上升7.7℃,光纤温度上升1℃。根据光纤温度和环境温度可计算出导体温度,作为三芯海缆导体温度监测和载流量计算的理论依据。

500kV充油海底电缆导体温度分布式光纤传感监测及应用

依据海南联网系统500 kV海底电缆捆绑特殊海底光缆的实际情况,通过分布式光纤传感技术结合经有限元仿真模型优化的IEC60287热路模型的方法可以监测海底电缆内部的温度分布。在实验室中搭建岸上模拟实验平台,利用中压电缆捆绑光纤的结构进行捆绑电缆岸上模拟实验。同时,将经验证的温度监测方法应用于海南联网系统500 kV海底电缆,以C相空气段为例监测捆绑电缆光单元的温度。采用有限元仿真计算电缆表面的温度,根据电缆表面的温度基于热路模型推导出对应的导体温度,得到电缆导体在实际运行过程中的温度变化。岸上模拟实验测量的导体温度与数值计算得到导体温度的误差低于1.77%,验证了海底电缆导体温度监测方法的准确性。

基于单斜坡法的光电复合海缆温度、应变快速测量方法

介绍了海缆监测的必要性和基于光纤分布式传感的高压光电复合海缆在线监测系统。为了提高基于布里渊散射的海缆温度、应变测量的实时性,介绍了单斜坡法的原理并将其引入海缆在线监测方法中。给出了基于洛伦兹模型时单斜坡法布里渊频移的计算公式。基于数值产生不同信噪比的布里渊谱和实测裸光纤/海缆复合光纤的布里渊谱。比较了单斜坡法和基于扫频方式的谱拟合法的准确性和实时性,重点研究了布里渊谱不同信噪比和光纤沿线布里渊频移不同程度波动情况下工作点的选择问题。结果表明:单斜坡法可使布里渊谱测量时间减少到原来的几十分之一甚至更小,同时布里渊频移误差仅小幅增加。用于海缆温度和应变监测时单斜坡法工作点建议选择为光纤沿线布里渊频移的均值减去一半的线宽,所确定的工作点对不同信噪比和光纤/海缆复合光纤沿线布里渊频移常见程度波动情况均具有不错的适应性。