海底電力線纜中的故障檢測的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種檢測在海底電力線纜中或在包括海底電力線纜的直接電加熱系統(tǒng)中的故障的方法。測量點沿海底電力線纜分布。該方法包括在每個測量點處測量海底電力線纜中的電流并且比較在不同測量點處測量的電流。
【專利說明】海底電力線纜中的故障檢測

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及海底電力線纜中的故障檢測。

【背景技術(shù)】
[0002] 最近，已經(jīng)存在對離岸經(jīng)生產(chǎn)的日益增加的興趣。經(jīng)井（hydrocarbon well)可以 位于距海岸地點許多英里并且在向下抵達數(shù)千米的水深中。海底管道可以被用于將烴從離 岸井輸送到生產(chǎn)船或岸上地點，或者可以被用于在被離岸區(qū)段分離的不同岸上地點之間輸 送烴。
[0003] 在深水中，水溫相對低，其可以例如是在大約-1和+4°C之間。當(dāng)從海底井中產(chǎn)生 烴時，它們可能包括一小部分的水，并且它們另外將在到達海床時顯著冷卻。這可以引起水 合物的形成，其一般是加壓的烴氣體與水的組合。該組合可以在低溫下形成水合物，其為固 體材料。水合物可以限制管道內(nèi)的流動，或者甚至可能完全堵塞管道。
[0004] 在本領(lǐng)域中將化學(xué)品用于防止水合物形成的方法是已知的。更加有效的另一 種方法是增大管道的溫度，例如通過使用直接電加熱（DH0。這樣的EffiH系統(tǒng)例如從TO 2004/111519中是已知的，其使用被附連到鋼管道的兩側(cè)的海底單相線纜。50/60 Hz AC電 流經(jīng)過線纜和管道，并且管道由于其電阻而被加熱。
[0005] 電源一般位于岸上位置處或在生產(chǎn)船上，并且這樣的電源的示例被描述在W0 2010/031626中。要被加熱的管道區(qū)段是電力供給布置上的單相負載。
[0006] 在到高壓海底線纜的介質(zhì)中、特別是用在DH1系統(tǒng)中的海底線纜中檢測和發(fā)現(xiàn)故 障位置一般是困難的。單相海底線纜可以被用于將電力供給到經(jīng)加熱的管道區(qū)段并且可以 連接到陽極，參見例如圖1。由于海底直接電加熱是基于阻抗的負載，因此在遠程位置處線 纜上的電壓接近零。
[0007] 目前為止所使用的在先方法一般而言對于遙遠位置處海底故障檢測具有有限準(zhǔn) 確性。
[0008] 由于海底直接電加熱是基于阻抗的負載，因此在遠程位置處線纜上的電壓接近 零。這使得使用故障檢測和定位的常規(guī)方法變得十分困難?？梢允褂玫姆椒òǎ?1.)反時間-電流曲線；電流對不同的負載不同；這使得針對每個負載都使用一條曲線 是不切實際的，因為在現(xiàn)有DEH系統(tǒng)上可以定義例如18個負載。此外，該方法對于遙遠的 故障可能是不準(zhǔn)確的，因為這樣一來，在無故障(正常）操作中測量的電流相對低(難以從故 障電流區(qū)分開來)。
[0009] 2.)基于阻抗的保護，其中比較所測量的阻抗Z=電壓/電流以找到阻抗中的降低 并因而找到與負載阻抗相稱（proportional)的故障位置。由于故障位置可以位于遠離電 源處，因此可能僅檢測到非常小的阻抗改變。測量儀器和計算中的誤差以及諸如線纜加熱 膨脹之類的對阻抗值的外部影響可以使得該方法使用起來不切實際，特別是對于海底線纜 長度的最后10%或20%。
[0010] 3.)基于光纖的檢測方法，諸如在W0 2007/096775和W0 2010/108976中描述的那 些，其涉及使用光纖繼電器以用于DH1海底線纜保護，這基于線纜絕緣內(nèi)部所構(gòu)建的光纖。 然而，光纖必須在生產(chǎn)海底線纜時被安裝，并且該系統(tǒng)因而不適于現(xiàn)有安裝。其還是復(fù)雜且 昂貴的。如果在線纜內(nèi)部光纖受損或燒毀，則檢測系統(tǒng)不再能夠使用并且需要安裝新的線 纜。這可能造成問題，因為海底線纜是最昂貴的儀器之一。
[0011] 此外，盡管光纖檢測方法在故障檢測中可以是非常迅速的，但是它們一般并不非 常適于找到故障位置，因為現(xiàn)有檢測方法全部都基于檢測線纜溫度中的改變，假設(shè)線纜溫 度的增大將引起線纜的燒毀。這種假設(shè)看起來并不恰當(dāng)，因為線纜溫度在線纜和管道被埋 在地下的位置處和其未被掩埋但是利用周圍海水來冷卻的位置處可以是不同的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 因此，存在消除以上提到的缺陷中的至少一些并且提供海底電力線纜中改進的故 障檢測的需要。
[0013] 這種需要通過獨立權(quán)利要求的特征來滿足。從屬權(quán)利要求描述本發(fā)明的實施例。 實施例提供了一種檢測海底電力線纜中或在包括海底電力線纜的直接電加熱（DEH)系統(tǒng)中 的故障的方法，其中測量點沿海底電力線纜而分布，該方法包括以下步驟：在每個測量點處 測量海底電力線纜中的電流；比較在不同測量點處測量的電流；以及基于所述比較來檢測 海底電力線纜中或EffiH系統(tǒng)中故障的存在和位置。
[0014] 通過利用不同的測量點，從遠程位置確定故障位置可以成為可能，使得便于海底 電力線纜或DH1系統(tǒng)的維修并使其更加高效。此外，甚至在經(jīng)由來自DH1系統(tǒng)中的海底電 力線纜的電力而被加熱的管道區(qū)段或海底電力線纜的遠端處，檢測故障也可以成為可能。
[0015] 在實施例中，在測量點處測量電流包括測量電流的相位角，并且比較所測量的電 流的步驟包括比較所測量的相位角。
[0016] 在實施例中，該方法還包括在每個測量點處測量海底電力線纜中的電壓以及確 定電壓和電流之間的相位角（或差)。通過利用相位差，便于在海底電力線纜的受保護區(qū)的 遠端處的故障檢測，這特別地是由于在這樣的位置處的故障發(fā)生期間電流大小可能改變不 多。在受保護區(qū)的遠端處的故障的情況下短路電流可以是相對低的。
[0017] 在實施例中，為不同測量點比較相位角可以通過比較電流和電壓之間的相位差、 比較電流矢量、比較電壓測量的極性，或者比較針對每個測量點從電流測量、特別是從電流 測量的相位角得到的方向來完成。在這些示例中，兩個測量點的電流比較是基于電流的相 位角（相比于相應(yīng)測量點處的電壓)。
[0018] 可以因而實現(xiàn)不同的有利可能性以用于執(zhí)行電流比較。特別地，得到針對每個測 量點的方向(優(yōu)選地指向故障的方向）具有便于評估故障位置的優(yōu)點。
[0019] 所述方向可以沿海底電力線纜指向一個或另一方向上并且可以從基于相位角所 確定的電壓極性得到。在一些實施例中，所得到的方向可以沿海底電力線纜指向?qū)嶋H功率 流（real power flow)的方向上，并且可以基于在相應(yīng)測量點處的電流和電壓測量來確定。 所得到的方向可以因而指向由故障構(gòu)成的匯點（sink)。
[0020] 在實施例中，在測量點處測量電流包括測量電流的大小，并且比較所測量的電流 的步驟包括比較所測量的電流大小。
[0021] 在實施例中，檢測海底電力線纜中或DH1系統(tǒng)中故障的存在和位置的步驟包括使 用基于所測量的電流的定向保護方案以用于檢測故障位置。該方案還可以基于在每個測量 點處測量的電壓，特別是基于電流和電壓之間的相位差。使用定向檢測方案可以增強針對 故障檢測、特別是針對遠程故障的靈敏性。
[0022] 在實施例中，該方法還包括以下步驟：從測量點向另一測量點、特別是向相鄰測量 點和/或向頂側(cè)裝置傳輸關(guān)于所測量的電流的信息。所述信息可以特別地被傳輸?shù)焦收蠙z 測單元，其可以例如是位于測量點處的保護繼電器，特別是主繼電器，或者海底控制模塊， 或者頂側(cè)故障檢測單元。
[0023] 本發(fā)明的實施例提供了用于海底電力線纜或用于包括海底電力線纜的直接電加 熱系統(tǒng)的故障監(jiān)視系統(tǒng)。故障監(jiān)視系統(tǒng)包括多個測量單元以及故障檢測單元，所述多個測 量單元沿海底電力線纜分布并且被適配成在對應(yīng)測量點處測量海底電力線纜中的電流，所 述故障檢測單元被適配成比較兩個或更多測量單元的電流測量并且基于比較來檢測在海 底電力線纜中或在DH1系統(tǒng)中故障的存在和位置。通過這樣的系統(tǒng)可以實現(xiàn)如以上關(guān)于所 述方法概述的那些的類似優(yōu)點。
[0024] 在實施例中，故障監(jiān)視系統(tǒng)還可以包括通信單元，其被適配成向故障檢測單元傳 輸關(guān)于在不同測量點處測量的電流的信息。關(guān)于所測量的電流的信息可以包括相位角或相 位差、從這樣的相位角得到的電壓極性或從電流測量得到的方向，如以上所陳述的那樣。
[0025] 在實施例中，故障監(jiān)視系統(tǒng)可以包括通信單元，其被適配成向頂側(cè)裝置傳輸關(guān)于 故障的存在和位置的信息。例如，在頂側(cè)裝置處，到海底電力線纜的電力可以響應(yīng)于接收到 這樣的信息而被切斷。
[0026] 在實施例中，故障檢測單元被適配成位于海底。通過在海底執(zhí)行測量的評估，可以 使系統(tǒng)更加有效和/或緊湊。特別地，故障檢測單元可以是位于測量點處的保護繼電器，特 別是連接到測量單元的保護繼電器，優(yōu)選為主繼電器。在另一個實施例中，故障檢測單元可 以是與位于測量點處的保護繼電器通信的海底模塊。這樣的海底模塊可以例如實現(xiàn)在海底 控制|吳塊中。
[0027] 在另一個實施例中，故障檢測單元可以位于頂側(cè)裝置處。
[0028] 在實施例中，故障檢測單元被適配成比較兩個或更多測量單元的所測量電流的大 小。電流比較還可以通過比較電流究竟是否由兩個或更多測量單元測量來執(zhí)行。在故障的 情況下，故障"下游"的測量單元和所連接的保護繼電器可能不再接收電力。通過檢測這些 單元確實不再提供關(guān)于電流測量的信息(其可以對應(yīng)于零電流)，故障檢測單元可以確定故 障的存在和位置。為了比較，故障檢測單元可以使用由通信單元傳輸?shù)男畔?，其可以包括?流大小、關(guān)于測量單元的通/斷信息，即所測量的電流大小是高于還是低于給定閾值。
[0029] 在實施例中，故障檢測單元被適配成比較兩個或更多測量單元的所測量電流的相 位角。
[0030] 如以上概述的，比較相位角無需直接執(zhí)行，而是可以比較從相位角得到的量或指 示符。這可以包括比較以下各項中的至少一個：電流矢量、從相位角得到的方向（特別是指 向故障的方向，例如實際功率流的方向），或者由兩個或更多測量單元測量的電壓的電壓極 性。還可以考慮相應(yīng)測量的大小。相應(yīng)量可以通過通信單元從相應(yīng)測量點被傳送到故障檢 測單元。所傳送的關(guān)于電流測量的信息可以例如包括相位角、電流矢量或所得到的方向。
[0031] 在實施例中，故障檢測單元被適配成如果在一個測量點處得到的方向指向一個方 向上而在另一個測量點處得到的方向指向相反方向上，則檢測兩個相鄰測量點之間的故障 的存在和位置。兩者可以例如都指向故障。因而便于故障位置的檢測。
[0032] 在實施例中，在每個測量點處，提供了測量單元、保護繼電器和通信單元。通信單 元可以是保護繼電器的部分。在實施例中，對于每個測量點，保護繼電器可以被適配成通過 使用相應(yīng)測量單元來執(zhí)行電流和電壓測量。其還可以被適配成基于所測量的電流和電壓 之間的相位差來確定方向。作為示例，方向可以指向?qū)嶋H功率流的方向上。如果故障發(fā)生 在保護繼電器的上游，則在相應(yīng)測量點處的功率流可以反向，從而引起在測量單元的測量 電壓變換器處極性中的改變，其可以被檢測為電壓和電流之間的相位差(或相位角）中的改 變。針對該保護繼電器的方向因而可以反向，從而指向故障。保護繼電器還可以被適配成 將所確定的方向傳送到故障檢測單元，例如通過使用通信單元。
[0033] 在實施例中，測量單元包括在測量點處安置到海底電力線纜以用于測量所述電流 的測量電流變換器。其還可以包括用于在相應(yīng)測量點處執(zhí)行電壓測量的測量電壓變換器。 [0034] 在實施例中，故障檢測單元被適配成將由測量單元所測量的電流與由相鄰測量單 元所測量的電流進行比較。
[0035] 在實施例中，故障檢測單元被適配成如果一個測量點處的電流矢量指向反向方向 上而在相鄰測量點處測量的電流矢量指向前向方向上，則檢測故障的存在和位置。
[0036] 在實施例中，故障監(jiān)視系統(tǒng)還包括在其遠程端附近、特別是在海底線纜電耦合到 管道區(qū)段的要被加熱的管道區(qū)段的遠程端附近的被耦合到海底電力線纜的能量存儲裝置。 如果故障在海底電力線纜處發(fā)生在測量點之間，則使得測量單元和相關(guān)聯(lián)的保護繼電器能 夠測量從能量存儲裝置朝向故障的功率流。這可以使故障位置的確定更加精準(zhǔn)。這還可以 確保這樣的故障之后下游保護繼電器的可操作性。當(dāng)海底電力線纜在去能狀態(tài)時，能量存 儲裝置可以被配置成將電力供給到海底電力線纜，即在向海底電力線纜提供主電力之前或 在故障之后(例如在到海底電力線纜的主電力供給被切斷之后)。因而可以使得能夠?qū)崿F(xiàn)故 障下游的測量(如從主電源所見的）。
[0037] 在實施例中，為每個測量單元提供通信單元，其中通信單元被適配成通過使用無 線通信或使用通信線路、特別是光纖通信線路或經(jīng)由海底線纜的電力線通信與彼此通信。 一個單元或每個通信單元可以被適配成與頂側(cè)裝置通信(例如故障檢測單元或用于禁用到 海底電力線纜的主電力供給的保護設(shè)備可以位于該處)，或者可以被適配成與故障檢測單 元可以位于其中的海底控制模塊進行通信。
[0038] 在本發(fā)明的實施例中，故障監(jiān)視系統(tǒng)還可以被配置以便執(zhí)行以上概述的方法中的 任一個。類似地，以上概述的方法可以在故障監(jiān)視系統(tǒng)的實施例上執(zhí)行。
[0039] 要理解的是以上提到的特征和以下尚待解釋的那些不僅可以用在所指示的相應(yīng) 組合中，而且可以用在其它組合中或孤立地使用，而不離開本發(fā)明的范圍。特別地，以上描 述的實施例的特征和以下所描述的那些可以與彼此組合，除非記述成相反。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0040] 本發(fā)明的上述和其它特征及優(yōu)點將從結(jié)合附圖進行閱讀的以下詳細描述中變得 進一步顯而易見。在附圖中，相似的參考數(shù)字是指相似的元件。
[0041] 圖1是示出在DEH系統(tǒng)的海底電力線纜中故障發(fā)生的可能位置的示意圖。
[0042] 圖2是依照本發(fā)明的實施例的故障監(jiān)視系統(tǒng)的不意性框圖。
[0043] 圖3是依照本發(fā)明的實施例的故障監(jiān)視系統(tǒng)的示意性框圖。
[0044] 圖4是依照本發(fā)明的實施例的故障監(jiān)視系統(tǒng)的示意性框圖。
[0045] 圖5是依照本發(fā)明的實施例的故障監(jiān)視系統(tǒng)的示意性框圖。
[0046] 圖6是依照本發(fā)明的實施例的故障監(jiān)視系統(tǒng)的示意性框圖。

【具體實施方式】
[0047] 在下文中，將參照附圖詳細描述本發(fā)明的實施例。要理解的是，僅僅出于說明的目 的給出實施例的以下描述并且其不應(yīng)以限制性意義來理解。
[0048] 應(yīng)當(dāng)注意，附圖僅僅被視為是示意性的表示，并且附圖中的元件不一定與彼此按 比例繪制。而且，如附圖中所示和以下所描述的物理或功能單元的耦合不一定需要是直接 連接或耦合，而是還可以是間接連接或耦合，即利用一個或多個附加居間元件的連接或耦 合。技術(shù)人員還將領(lǐng)會到，本文關(guān)于不同實施例說明和描述的物理或功能單元不一定需要 被實現(xiàn)為物理分離的單元。一個或多個物理或功能塊或單元可以實現(xiàn)在公共電路、電路元 件或單元中，而所示的其它物理或功能塊或單元可以實現(xiàn)在分離的電路、電路元件或單元 中。
[0049] 盡管關(guān)于直接電加熱（DEH)系統(tǒng)的海底電力線纜給出以下描述，但是應(yīng)當(dāng)清楚的 是本發(fā)明等同地適用于其它類型的海底電力線纜，例如，適用于被用于將電力輸送到海底 裝置的海底電力線纜，例如適用于海底電力電網(wǎng)或在這樣的海底電力電網(wǎng)中或在海底裝置 的組件之間輸送電力。當(dāng)然可想到其它使用。
[0050] 圖1示出了 EffiH系統(tǒng)10。EffiH系統(tǒng)10包括提供主電源以用于直接電加熱的電力 系統(tǒng)21。電力系統(tǒng)21可以包括電力電網(wǎng)、發(fā)電機等。DE：H系統(tǒng)10還包括用于海底負載的 電力供給系統(tǒng)22。電力供給系統(tǒng)22可以例如包括用于控制到海底電力線纜中的功率流的 裝置以及保護性裝置，例如電路斷路器。
[0051] 電力系統(tǒng)21和用于海底負載的電力供給系統(tǒng)22二者都被包括在頂側(cè)裝置20中。 注意到，在其它配置中，電力供給系統(tǒng)22可以位于海底裝置處，它可以例如是海底電力電 網(wǎng)的部分。
[0052] DH1系統(tǒng)10被提供用于加熱用于輸送烴的海底管道的若干管道區(qū)段。在圖1的示 例中，示出示例性管道區(qū)段35。電力供給系統(tǒng)22耦合到管道區(qū)段35的兩端36、37。海底電 力線纜30是所述耦合的部分并且被用于將電能輸送到管道區(qū)段35的遠端36。在操作中， 單相AC電壓被施加到管道區(qū)段的兩端36、37。由于管道區(qū)段的導(dǎo)電性和阻抗，電流在管道 區(qū)段35內(nèi)傳導(dǎo)并且加熱管道區(qū)段。因而得名"直接電加熱"。
[0053] 在操作中，故障可能沿海底電力線纜91發(fā)生。這樣的故障可以位于靠近電力供給 系統(tǒng)22 (并且因而靠近用于直接電加熱的主電源)，如同故障91，或者它們可以位于較為遠 離處(遙遠故障)，如同故障92。故障包括地面故障以及由海底電力線纜30和管道區(qū)段35 之間的電接觸（當(dāng)然除了端36、37處提供的電連接以外）造成的故障。如可以看到的，故障 92相對靠近管道區(qū)段的端36處提供的電連接。因此，由這樣的故障導(dǎo)致的電壓降只是微小 的并且故障將難以檢測。
[0054] 以上呈現(xiàn)的海底線纜故障檢測和定位的問題可以通過使用依照圖2中所示的本 發(fā)明的實施例的故障監(jiān)視系統(tǒng)40來解決，其中許多測量變換器53、54沿海底電力線纜30、 特別是沿海底電力線纜30的遙遠部分而被定位。電流變換器53位于所謂的測量點處以測 量海底電力線纜30內(nèi)部的電流。它們被用于比較這些測量點之間的單獨段中的電流。
[0055] 另外，在每個測量點處提供保護繼電器51和通信單元55 (其可以是保護繼電器 51的部分)。測量電流變換器53被視為測量單元52的部分。通信單元55、保護繼電器51 和測量單元52形成保護設(shè)備50。沿海底電力線纜、特別是沿著在管道區(qū)段35的遠程端36 附近的其遠程部分而在若干測量點處提供這樣的保護設(shè)備。
[0056] 通過通信單元55,保護設(shè)備50、特別是保護繼電器51可以通過使用通信鏈路或線 路41與彼此和/或與例如海底裝置或頂側(cè)裝置的其它設(shè)備通信。這樣的通信線路41可以 通過無線通信、通過光學(xué)通信(例如使用光纖線纜）或通過電力線通信(例如將海底線纜30 用作電力線，或使用被提供用于對保護繼電器51供電的專用電力線）而提供。
[0057] 在一些實施例中，測量單元52僅包括測量電流變換器53。在其它實施例中，測量 單元52還可以包括測量電壓變換器54。
[0058] 在下文中段被定義為位于兩個測量點之間、即兩個測量設(shè)備50之間的海底電力 線纜段。
[0059] 以下是可以在該布置的情況下使用的檢測方法的實施例： 1.)段之間的電流比較：基于將表明故障位置朝向到海底電力線纜30的電力供給的右 手側(cè)的最后測量點之后的電流流動中斷的監(jiān)視。故障一般將位于朝向管道區(qū)段的遠端36 在與通過相應(yīng)電流變換器53測量海底電力線纜30中電流的最后的保護繼電器51相鄰近 的段中。
[0060] 2.)用于DH1的定向邏輯保護方法：基于單獨段中的矢量電流(相量）的方向-- 該保護方案可以例如在DH1系統(tǒng)卸載時進行操作并且可以在對DH1供能之前或之后使用。 段中故障的位置將引起針對位于故障和管道區(qū)段35的遠端36之間的保護繼電器51的電 壓極性中的改變。電力可以為此目的在海底電力線纜30的遠端處被注入以使得能夠?qū)崿F(xiàn) 這樣的位置處的電壓測量。
[0061] 注意到，除DH1系統(tǒng)的海底電力線纜之外，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以被用于檢測 任何類型的海底電力線纜上的故障。
[0062] 若干測量點沿直接電加熱單相系統(tǒng)10上的海底電力線纜30的遙遠部分而被定 位，如圖2中所示。每個測量點配備有測量電流變換器53和/或測量電壓變換器54,這二 者可以被用于電流矢量(大小和相位角）測量。
[0063] 測量變換器53、54可以沿海底線纜而固定，并且連接到可以被提供在海底箱體中 的單獨數(shù)字保護繼電器51。測量變換器53、54可以在機械上受保護以防水并且可以被放置 成直接在海底電力線纜30周圍或在特殊機械保護工具內(nèi)部。這樣的機械保護工具可用于 提供對海底電力線纜的機械保護。
[0064] 用于每個保護繼電器51或保護設(shè)備50的電力供給可以通過使用能夠從海底電力 線纜30取得電力的小型變換器來提供。保護繼電器51或保護設(shè)備50的功耗典型地低于 100瓦特，并且因而相對小。由于海底電力線纜30中的電流可以是數(shù)百安培，例如在700和 1600A之間，并且所輸送的功率可以在從2MW到20MW或更多的范圍中，因此被用于為保護設(shè) 備50 (繼電器51)供電的電流能夠被感測為電流漏一般將不太可能，因為用于保護繼電器 51的電力將低于EffiH負載的0. 005%--這一般低于測量準(zhǔn)確性。
[0065] 每個繼電器保護設(shè)備可以通過使用無線通信或經(jīng)由通信線路(例如光纖線纜或以 上提到的電力線通信）的通信在彼此之間進行通信。設(shè)備之間的通信將允許檢測故障和將 信號發(fā)送到頂側(cè)裝置，其中該信號可以使海底負載(這里為管道區(qū)段35)的電路斷路器(例 如被包括在電力供給系統(tǒng)22中)跳閘。通信可以是無線的，盡管光學(xué)通信(例如經(jīng)由光纖線 纜）是優(yōu)選的，因為它相對抵抗電磁干擾。
[0066] 至于測量的評估，可想到若干實現(xiàn)。每個保護繼電器51可以已被配置成執(zhí)行所測 量數(shù)據(jù)的處理，例如得到電流大小、從所測量的電流或電壓得到相位角或電流矢量、確定電 流大小、確定電壓大小、確定電壓極性(基于電流的相位角）、（例如從電壓和電流之間的相 位角）確定實際功率流的方向、確定故障所位于的方向（其可以對應(yīng)于實際功率流的方向） 等等。所有這樣的信息從電流測量直接得到并且可以因而被視為表示電流。將電流進行比 較可以因而牽涉以上概述的所得量中任一個的比較。這些量中的每一個可以被傳送到故障 檢測單元，其從所接收的數(shù)據(jù)確定故障的存在和位置。
[0067] 故障檢測單元接收信息，比較不同測量點處測量的電流并且確定故障的存在和位 置(如果這存在的話)。如上所提到的，比較可以包括以上概述的量中任一個的比較，例如電 流大小、電流相位角、從相位角得到的極性、從相位角得到的方向等等。
[0068] 故障檢測單元可以以若干方式實現(xiàn)。在一些實施例中，它可以位于海底。故障檢 測單元可以通過每一個保護繼電器51中的相應(yīng)功能性來實現(xiàn)。在其它實施例中，一個保護 繼電器51可以充當(dāng)主繼電器并且可以實現(xiàn)故障檢測單元。這可以例如是位于最靠近主電 源22的保護繼電器。在另外的實施例中，故障檢測單元可以實現(xiàn)在海底控制模塊（SCM)中， 其可以提供有這樣的附加功能性。
[0069] 在這些實施例中，故障檢測單元一般位于海底機殼中。其還被適配成與頂側(cè)裝置 (例如頂側(cè)裝置20)通信，使得其可以在檢測到故障的情況下傳輸用于觸發(fā)電路斷路器或與 海底電力線纜30相關(guān)聯(lián)的其它保護性儀器的信號。在其它實施例中，其可以與位于海底裝 置處的保護性儀器(諸如海底開關(guān)設(shè)備）通信以用于切斷到有故障的海底電力線纜30的電 力?？梢砸蚨乐箤５纂娏€纜30和所連接的儀器的進一步損壞。
[0070] 在其它實施例中，故障檢測單元可以位于頂側(cè)裝置處，例如在電力供給系統(tǒng)22 中。保護繼電器51然后可以經(jīng)由相應(yīng)通信單元55經(jīng)由通信鏈路41向故障檢測單元傳輸 關(guān)于所測量的電流的信息(例如以上概述的量)。故障檢測單元可以直接向電力供給系統(tǒng)22 的電路斷路器發(fā)布跳閘命令以用于在發(fā)生故障的情況下斷開海底電力線纜30。
[0071] 故障檢測單元的優(yōu)選實現(xiàn)是在充當(dāng)主繼電器的保護繼電器51內(nèi)。在以下描述和 附圖中，假設(shè)故障檢測單元被實現(xiàn)在保護繼電器51、特別是最靠近電力供給系統(tǒng)22的那個 中。其被配置成基于電流測量和電壓極化來計算電流矢量并且其可以被包含在海底筒罐中 并被密封以防海水的進入。應(yīng)當(dāng)清楚的是，下文中給出的解釋等同地適用于其中故障檢測 單元被實現(xiàn)在SCM中或頂側(cè)裝置處的實施例。
[0072] 可以被故障檢測單元使用的檢測故障的存在和位置的一種方式是段之間的電流 比較。
[0073] 該邏輯是基于正常操作中的負載電流的比較，而不一定是短路電流，因為短路電 流在遙遠故障發(fā)生時可能非常低。系統(tǒng)中單個測量位置點處的電流通過故障評估單元與相 鄰測量點進彳丁比較。如果電流低于另一測量點上的電流或為零，則故障一定包含于第一位 置的右手側(cè)。故障位置的確定可以是基于圖4中所示的邏輯矩陣。此外，如果右手側(cè)的所 有繼電器上的電流被報告為低于左面的第一繼電器上的電流，則這意味著故障一定包含于 鄰近于第一繼電器的右手段中。
[0074] 在圖3和4中，提供了五個保護繼電器51，并且它們由數(shù)字1-5標(biāo)明。在圖3的示 例中，繼電器3測量電流1 3而繼電器4測量電流14。在故障發(fā)生在繼電器3和4之間的段 中的情況下，故障電流I fault將存在。由14測量的電流則為： (1) I4_I3_Ifauit。
[0075] 因而，故障位置可以由相應(yīng)電流測量來檢測并且可以由故障評估單元來確定，所 述故障評估單元可以接收由相應(yīng)繼電器測量的電流大小、電流大小低于或高于閾值的指 示、或根本沒有測量到電流的指示(例如從相應(yīng)繼電器沒有接收到通信，即繼電器"斷"并 且所有電流流經(jīng)故障(完全栓結(jié)（fully bolted)的故障)，使得到下游繼電器的電力供給中 斷)。在正常操作的情況下，14等于13并且I fault=〇。
[0076] 圖4示出對于當(dāng)所有電流被故障消耗并且中斷于其它設(shè)備和供給時完全栓結(jié)故 障的邏輯的示例。該圖還示出了包括可以被用于基于電流測量來檢測故障位置的故障檢測 邏輯矩陣的表格。
[0077] 圖4中的表格說明了如何基于相應(yīng)保護繼電器是"通"還是"斷"（即測量電流或 從電力供給被切斷)的信息來檢測故障位置。這當(dāng)然可以類似地通過使用電流大小來實現(xiàn)， 其中兩個測量點之間電流大小的下降指示故障位置（即故障段)。
[0078] 保護繼電器51可以具有能夠運行自診斷并且檢測相應(yīng)繼電器內(nèi)部的任何故障的 自監(jiān)視功能，因此無需假設(shè)在檢測到繼電器狀態(tài)"斷"時繼電器未能工作(繼電器內(nèi)部的隱 藏失靈)。這樣的假設(shè)可以因而不被用在圖4中圖示的保護邏輯中。
[0079] 可以被故障檢測單元使用的檢測故障的存在和位置的另一方式是定向邏輯方法， 其也可以在DH1系統(tǒng)和海底電力線纜的情況下使用。
[0080] 檢測方法是基于以下原理：即便電流大小在故障期間改變不多，電流相位角也將 改變。保護繼電器可以被編程為使得它們從相位角確定指向故障方向的方向（在圖5和6 中稱為反向（R)或前向（F))。該檢測方法在本文中稱為定向保護。
[0081] 在特定實施例中，每個保護繼電器51可以被配置成通過測量單元52從電流能夠 得到電壓測量以確定海底電力線纜中實際功率流的方向。在正常操作中，實際功率流動遠 離電力供給22并朝向負載（圖5和6中的方向（R))，這里去往管道區(qū)段35。實際功率流的 方向可以由保護繼電器從電壓和電流之間的相位角確定。如果發(fā)生故障，則故障將構(gòu)成實 際功率將流向的匯點。因而，故障"上游"的繼電器仍然確定朝向負載和故障的方向R，而下 游繼電器確定相對的方向F，其指向故障而遠離負載。
[0082] 該邏輯是基于負載電流或測試電流的比較，不一定是短路電流，因為短路電流在 發(fā)生遙遠故障時可能非常低。系統(tǒng)中單個測量點位置處的電流矢量將與相鄰的測量點進行 比較。如果一個繼電器指向反向（R)并且相鄰繼電器指向前向（F)則檢測到故障。這在圖 6中呈現(xiàn)的表格邏輯中被詳細說明。
[0083] 如果在管道或故障的每側(cè)處存在分離的電源，則該邏輯將起作用。典型的DH1應(yīng) 用包括用于管道區(qū)段的單個電力供給。電力供給可以位于靠近管道區(qū)段的中間或一端。在 任何情況下，將存在管道區(qū)段的至少一個遠程端，其在圖5和6中為右手端36。故障因而可 以中斷去往通向遠程端的海底電力線纜的一部分的電力供給。在位于海底電力線纜30的 該部分處的測量點處，因而沒有電流和相位角測量可以執(zhí)行。
[0084] 然而，該問題可以被克服。以例如電池、電容器或類似物的形式的低電壓能量存儲 裝置60可以被放置在海底線纜的另一側(cè)上，如圖5中所呈現(xiàn)的。該能量存儲裝置60可以 在故障發(fā)生之后連接，在所述故障發(fā)生之后海底電力線纜的下游部分被去能(下游意味著 在遠離電力供給并且朝向負載的方向上)。能量存儲裝置因而允許通過故障下游的繼電器 而進行的電流和電壓測量。能量存儲裝置60可以包括轉(zhuǎn)換器（inverter )等以用于為了執(zhí) 行測量的目的而生成AC輸出。
[0085] 而且，在故障發(fā)生之后，上游繼電器可能不再能夠進行測量，特別是當(dāng)?shù)胶５纂娏?線纜的電力被切斷時。保護繼電器51可以因而包括其中它們存儲過去的測量、相位角、電 流矢量和/或所得到的方向（即R或F)的存儲器。故障上游的繼電器將因而在系統(tǒng)跳閘（斷 開）之前已經(jīng)存儲了方向反向（R)。在系統(tǒng)去能之后，接通能夠從線纜的另一側(cè)向海底線纜 供給電力的低電壓能量存儲裝置60是可能的，并且因而，下游繼電器可以確定在該處電流 相量或所得到的方向指向正向（F)方向的測量點。因此，可以為每個測量點確定方向F或 R。基于圖6中呈現(xiàn)的邏輯方案，可以得到故障的位置。
[0086] 應(yīng)當(dāng)清楚的是這僅僅是可以如何實現(xiàn)定向保護的示例。其它實現(xiàn)也是可想到的， 例如在每個測量點處對電流矢量或電流相量的確定和在故障檢測單元處對這些的比較等 等。
[0087] 本文中所描述的本發(fā)明的實施例具有若干優(yōu)點。能夠以高速度和高靈敏度來檢測 故障。因為可以比較負載電流，而不僅僅是如常規(guī)繼電器保護方法中的短路電流（1>、1>>、 1>>>)，所以對故障的靈敏度特別高。還因為總是通過比較測量點處（電流和電壓變換器)的 類似電流和電壓幅度的值來比較信號而實現(xiàn)對故障的高靈敏度，使得差異相對易于檢測。 可以實現(xiàn)高可靠性，因為誤故障的檢測減少，其實際上可以被消除。另一個優(yōu)點是系統(tǒng)的相 對簡單設(shè)置和估計海底故障位置的可能性。
[〇〇88] 雖然本文公開了具體實施例，但是可以做出各種改變和修改而不脫離于本發(fā)明的 范圍。本實施例要在所有方面被視為說明性而非限制性的，并且在隨附權(quán)利要求的意義和 等價范圍內(nèi)的所有改變旨在被涵蓋于其中。
【權(quán)利要求】
1. 一種檢測海底電力線纜（30 )中或包括海底電力線纜（30 )的直接電加熱（DEH)系統(tǒng) (10)中的故障的方法，其中測量點沿海底電力線纜分布，所述方法包括以下步驟 -在每個測量點處測量海底電力線纜（30)中的電流； -比較在不同測量點處測量的電流；以及 -基于所述比較來檢測海底電力線纜中或DH1系統(tǒng)中故障的存在和位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在測量點處測量電流包括測量電流的相位角，并 且其中比較所測量的電流的步驟包括比較所測量的相位角。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述方法還包括在每個測量點處測量海底電 力線纜中的電壓以及確定電壓和電流之間的相位差。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中比較所測量的電流的步驟包括以下各項的至少一 個：比較相位角、比較電流矢量、比較電壓測量的極性或比較針對每個測量點從電流測量得 到的方向。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中在測量點處測量電流包括測量電流的 大小，并且其中比較所測量的電流的步驟包括比較所測量的電流大小。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中檢測海底電力線纜中或DEH系統(tǒng)中故 障的存在和位置的步驟包括使用基于所測量電流的定向保護方案以用于檢測故障的位置。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，還包括從測量點向另一測量點、特別是向 相鄰測量點和/或向頂側(cè)裝置傳輸關(guān)于所測量電流的信息的步驟。
8. -種用于海底電力線纜（30)或用于包括海底電力線纜（30)的直接電加熱系統(tǒng)（10) 的故障監(jiān)視系統(tǒng)（40)，所述故障監(jiān)視系統(tǒng)包括： -多個測量單元（52)，其沿海底電力線纜分布并且被適配成在對應(yīng)測量點處測量海底 電力線纜（30)中的電流；以及 -故障檢測單元，其被適配成比較兩個或更多測量單元（52)的電流測量并且基于所述 比較來檢測在海底電力線纜中或在DEH系統(tǒng)中故障的存在和位置。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的故障監(jiān)視系統(tǒng)，還包括通信單元（55)，其被適配成向故障檢 測單元傳輸關(guān)于在不同測量點處測量的電流的信息。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的故障監(jiān)視系統(tǒng)，其中故障監(jiān)視系統(tǒng)（40)包括通信單元 (55)，其被適配成向頂側(cè)裝置（20)傳輸關(guān)于故障的存在和位置的信息。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8-10中任一項所述的故障監(jiān)視系統(tǒng)，其中故障檢測單元被適配成位 于海底。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8-11中任一項所述的故障監(jiān)視系統(tǒng)，其中故障檢測單元是位于測量 點處的保護繼電器（51)或與位于測量點處的保護繼電器（51)通信的海底模塊。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的故障監(jiān)視系統(tǒng)，其中故障檢測單元位于頂側(cè)裝置（20) 處。
14. 根據(jù)權(quán)利要求8-13中任一項所述的故障監(jiān)視系統(tǒng)，其中故障檢測單元被適配成通 過比較兩個或更多測量單元的所測量電流的大小或者通過比較電流究竟是否由兩個或更 多測量單元測量來比較電流測量。
15. 根據(jù)權(quán)利要求8-14中任一項所述的故障監(jiān)視系統(tǒng)，其中故障檢測單元被適配成通 過比較兩個或更多測量單元（52)的所測量電流的相位角、特別是通過比較以下各項中的至 少一個來比較電流測量：電流矢量、從相位角得到的方向、或由兩個或更多測量單元測量的 電壓的電壓極性。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的故障監(jiān)視系統(tǒng)，其中故障檢測單元被適配成，如果在一個 測量點處得到的方向指向一個方向上而在另一個測量點處得到的方向指向相反方向上，則 檢測兩個相鄰測量點之間故障的存在和位置。
17. 根據(jù)權(quán)利要求8-17中任一項所述的故障監(jiān)視系統(tǒng)，其中在每個測量點處，提供測 量單元（52)、保護繼電器（51)和通信單元（55)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的故障監(jiān)視系統(tǒng)，其中對于每個測量點，保護繼電器被適配 成通過使用相應(yīng)測量單元來執(zhí)行電流和電壓測量并且基于所測量的電流和電壓之間的相 位差來確定方向。
19. 根據(jù)權(quán)利要求8-18中任一項所述的故障監(jiān)視系統(tǒng)，其中測量單元包括在測量點處 安置到海底電力線纜的測量電流變換器（53)并且優(yōu)選地還包括測量電壓變換器（54)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求8-19中任一項所述的故障監(jiān)視系統(tǒng)，其中故障檢測單元被適配成將 由測量單元（52)測量的電流與由一個或多個相鄰測量單元測量的電流進行比較。
21. 根據(jù)權(quán)利要求8-20中任一項所述的故障監(jiān)視系統(tǒng)，其中故障監(jiān)視系統(tǒng)還包括在其 遠程端附近、特別是在海底電力線纜（30)電耦合到管道區(qū)段（35)的要被加熱的管道區(qū)段 (35)的遠程端（36)附近的被耦合到海底電力線纜（30)的能量存儲裝置（60)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求8-21中任一項所述的故障監(jiān)視系統(tǒng)，其中在每個測量點處提供通信 單元（55)，其中通信單元被適配成通過使用無線通信或使用通信線路、特別是光纖通信線 路或經(jīng)由海底線纜（30)的電力線通信與彼此通信。
23. 包括根據(jù)權(quán)利要求8-22中任一項所述的故障監(jiān)視系統(tǒng)（40)的DH1系統(tǒng)（10)。
【文檔編號】H02H7/26GK104067135SQ201380007427
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月31日
【發(fā)明者】D.拉丹 申請人:西門子公司