基于brilouin頻移的高壓光纖復(fù)合海底電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)

基于brilouin頻移的高壓光纖復(fù)合海底電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)

0基于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膽?yīng)變和溫度監(jiān)測(cè)中國(guó)海岸線長(zhǎng)3.2萬(wàn)公里，擁有6000多個(gè)島嶼和密集的海上運(yùn)營(yíng)平臺(tái)。海上電纜在遠(yuǎn)程供電、高壓供電、電氣通信、信號(hào)傳輸、島嶼居民的生產(chǎn)、生活和海上工作平臺(tái)的正常運(yùn)行中起著重要作用。隨著海洋開(kāi)發(fā)活動(dòng)的日益增加,海域內(nèi)的養(yǎng)殖、漁網(wǎng)、船錨等對(duì)海纜運(yùn)行的影響不容忽視,海纜機(jī)械故障時(shí)有發(fā)生,此類故障一般都能體現(xiàn)為應(yīng)變變化。此外,海水沖刷、侵蝕等因素易造成海纜的阻水性能變差、絕緣老化,使海纜產(chǎn)生漏電流,從而造成海纜在故障點(diǎn)處溫度升高,進(jìn)而引起更大的故障。其次,海纜負(fù)荷電流的變化,也會(huì)使海纜的溫度產(chǎn)生變化。因此,海纜的應(yīng)變和溫度變化可以反映海纜的運(yùn)行狀況,海纜應(yīng)變/溫度監(jiān)測(cè)方法的研究對(duì)于確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)具有非常重要的意義。分布式光纖傳感技術(shù)以其抗電磁干擾、適應(yīng)惡劣環(huán)境、分布式長(zhǎng)距離測(cè)量等優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越受到電力部門(mén)的青睞,利用Raman光時(shí)域反射計(jì)(Ramanopticaltimedomainreflectometer,ROTDR)或光頻域反射計(jì)(opticalfrequencydomainreflectometer,OFDR)測(cè)量地下電纜溫度的研究和工程應(yīng)用已有報(bào)道。但是,國(guó)內(nèi)外將分布式光纖傳感技術(shù)用于海纜應(yīng)變和溫度監(jiān)測(cè)的研究較少。日本學(xué)者NishimotoT和HirohumiT分別利用光時(shí)域反射計(jì)(opticaltimedomainreflectermetry,OTDR)和ROTDR技術(shù),先后對(duì)66kV和6.6kV高壓海底電纜進(jìn)行了錨害、鎧裝磨損和溫度監(jiān)測(cè),取得了一定的效果;亞喀巴灣橫跨海峽連接約旦和埃及的400kV海底電纜和加拿大某海島上525kV高壓充油海底電纜都采用ROTDR技術(shù)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè);MarcNiklès等人基于受激Brillouin散射原理測(cè)量了湖底高壓電纜中復(fù)合光纖的Brillouin頻移,并定性分析了頻移與各處應(yīng)變和溫度的關(guān)系;蔣奇和楊黎鵬分別利用Brillouin光時(shí)域反射計(jì)(Brillouinopticaltimedomainreflectometer,BOTDR)研究了三相海纜所受外力變化和內(nèi)部溫度變化的測(cè)量方法,并進(jìn)行了應(yīng)變和溫度實(shí)驗(yàn),證明了BOTDR監(jiān)測(cè)海纜應(yīng)變和溫度的可行性;陸瑩等人針對(duì)分布式光纖傳感器在線監(jiān)測(cè)高壓海底電纜運(yùn)行狀況的方法,利用有限元軟件建立了交聯(lián)聚乙烯(crosslinkedpoly-ethylene,XLPE)絕緣高壓海底電纜模型,仿真分析了海底電纜受外力損壞時(shí)內(nèi)部物理量的變化。綜上所述,分布式光纖傳感技術(shù)經(jīng)歷了從OTDR、ROTDR、OFDR到BOTDR的過(guò)程,其中OTDR只能通過(guò)光纖中瑞利散射信號(hào)的功率粗略判斷應(yīng)變和溫度的較大變化量,ROTDR和OFDR只能測(cè)量溫度,且大都需要多模光纖作為傳感介質(zhì),不適合于已敷設(shè)好的復(fù)合單模光纖的海纜,而B(niǎo)OTDR可很好地解決以上問(wèn)題。但已有文獻(xiàn)沒(méi)有對(duì)BOTDR測(cè)量光纖復(fù)合海底電纜應(yīng)變和溫度的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行深入研究,也沒(méi)有對(duì)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。本文將針對(duì)以上問(wèn)題,介紹基于BOTDR的110kV光纖復(fù)合海底電纜應(yīng)變/溫度監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)構(gòu)成、傳感光纖Brillouin頻移的應(yīng)變溫度系數(shù)標(biāo)定方法、傳感光路關(guān)鍵點(diǎn)的定位和海纜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,為海纜監(jiān)測(cè)的深入研究提供參考。1監(jiān)控系統(tǒng)和方法1.1海峽兩岸ctd比較以某海峽110kV光纖復(fù)合海底電纜監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為例介紹系統(tǒng)構(gòu)成。該海纜為單芯導(dǎo)體結(jié)構(gòu),如圖1所示,內(nèi)含2根光單元,每個(gè)光單元中包含8根G.652通信用普通單模光纖。三相海纜間距60m敷設(shè)于海床下2m的淤泥里,每相海纜長(zhǎng)度約3.3km,如圖2所示。在海峽兩岸設(shè)有登陸站,將BOTDR設(shè)備安裝于登陸站1所在海島的值班室內(nèi)。從登陸站1架設(shè)約1km的光纖復(fù)合架空地線(opticalfibercompositeoverheadgroundwire,OPGW)經(jīng)普通光纜接入值班室內(nèi)的BOTDR上。利用BOTDR實(shí)時(shí)測(cè)量海纜中復(fù)合光纖的Brillouin散射功率譜,獲取Brillouin散射頻移,進(jìn)行海纜應(yīng)變和溫度的分布式測(cè)量。1.2brllauin頻移的測(cè)量脈沖光在單模光纖中傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生Brillouin散射,該散射是由介質(zhì)中的聲學(xué)聲子引起的一種非彈性光散射,其散射光相對(duì)于入射光的Brillouin頻移υB由介質(zhì)的聲學(xué)特性和彈性力學(xué)特性決定,且與入射光頻率υ0有關(guān),即式中:n為介質(zhì)折射率;vA為光纖中的聲速;c為真空中的光速。v0、c均為常數(shù),n和vA對(duì)應(yīng)變和溫度敏感。因此,利用光纖中的Brillouin頻移可以實(shí)現(xiàn)光纖應(yīng)變和溫度的測(cè)量。利用Taylor級(jí)數(shù)和二項(xiàng)式展開(kāi)公式對(duì)式(1)進(jìn)行變換,可得到Brillouin頻移與應(yīng)變和溫度的線性方程為式中:υB(T,ε)是處于溫度T和應(yīng)變?chǔ)畔碌墓饫w中的Brillouin頻移;vB(T0,ε0)是處于初始溫度T0和初始應(yīng)變?chǔ)?下的光纖中的Brillouin初始頻移;CvT是Brillouin頻移的溫度系數(shù);Cvε是Brillouin頻移的應(yīng)變系數(shù);ΔT和Δε分別是相對(duì)于初始溫度和初始應(yīng)變的變化量,vB(T0,ε0)、CvT和Cvε可以通過(guò)標(biāo)定獲得。因此,可利用Brillouin測(cè)量設(shè)備實(shí)時(shí)測(cè)量光纖各處的Brillouin頻移vυB(T,ε)反映光纖的應(yīng)變和溫度,進(jìn)而判斷光纖沿線的狀態(tài)。1.3br水生植物的影響因素光單元中的G.652型通信用普通單模光纖雖為同型號(hào)光纖,但由于受制作工藝誤差、光纖材料物性系數(shù)誤差等因素的影響,光纖Brillouin頻移的應(yīng)變和溫度系數(shù)以及初始頻移可能會(huì)不同,為實(shí)現(xiàn)應(yīng)變/溫度的準(zhǔn)確測(cè)量,必須對(duì)每一根光纖進(jìn)行準(zhǔn)確的標(biāo)定。1.3.1標(biāo)準(zhǔn)方法和過(guò)程1brin頻移曲線光纖Brillouin頻移溫度系數(shù)的標(biāo)定應(yīng)保證光纖在恒定應(yīng)變下進(jìn)行,且溫度控制精度高于BOTDR測(cè)量精度±1℃一個(gè)數(shù)量級(jí),溫度標(biāo)定范圍應(yīng)處于光纖運(yùn)行中的溫度范圍內(nèi)。本文將松弛光纖(應(yīng)變恒為零)放入控溫精度±0.05℃的恒溫水浴中,設(shè)置溫度控制點(diǎn)為8、18、28、38、48℃,測(cè)量棕色光纖的Brillouin頻移曲線如圖3所示。采用最小二乘法對(duì)頻移和溫度進(jìn)行擬合,如圖4所示。擬合結(jié)果顯示棕色纖芯頻移的溫度系數(shù)為1.060MHz/℃,擬合確定系數(shù)R2為0.999,標(biāo)準(zhǔn)偏差(rootmeansquareerror,RMSE)為0.26MHz,滿足BOTDR溫度測(cè)量精度的要求。8℃時(shí),Brillouin初始頻移為10.864GHz。2光纖應(yīng)變標(biāo)定光纖Brillouin頻移應(yīng)變系數(shù)的標(biāo)定應(yīng)保證光纖在恒定溫度下進(jìn)行,且應(yīng)變控制精度高于BOTDR測(cè)量精度(±100×10-6)1個(gè)數(shù)量級(jí),應(yīng)變標(biāo)定范圍應(yīng)處于光纖運(yùn)行中的應(yīng)變范圍內(nèi)。本文將光纖通過(guò)定滑輪懸掛于封閉室內(nèi),保證溫度處于較穩(wěn)定狀態(tài)下,利用高精度砝碼的重力作用對(duì)光纖施加拉應(yīng)變。根據(jù)Hooke定律,在光纖的彈性限度內(nèi),應(yīng)力與應(yīng)變成正比,應(yīng)變的表達(dá)式為式中:ΔL/L是光纖的應(yīng)變;F是光纖所受的拉力(即砝碼的重力);S是裸光纖的截面積;E是光纖的楊氏模量;g是當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?m是砝碼的質(zhì)量。光纖直徑取125μm,E取7.3×1010Pa,g取9.8N/kg,計(jì)算可知,1g砝碼的重力使光纖產(chǎn)生的應(yīng)變約為10×10-6。室溫21℃下,選擇10g、20g、30g、40g、50g的砝碼,加上承載砝碼的托盤(pán)質(zhì)量12g,對(duì)光纖施加220×10-6、320×10-6、420×10-6、520×10-6、620×10-6的應(yīng)變。應(yīng)變標(biāo)定數(shù)據(jù)的處理方法與溫度的方法類似,擬合結(jié)果顯示棕色光纖頻移的應(yīng)變系數(shù)為0.05MHz/10-6,擬合確定系數(shù)0.999,標(biāo)準(zhǔn)偏差0.50MHz,滿足BOTDR應(yīng)變測(cè)量精度的要求。21℃下,零應(yīng)變的Brillouin初始頻移為10.878GHz。1.3.2根光纖應(yīng)變系數(shù)測(cè)試每相海纜中有2根相同的光單元,每根光單元中有8根同型號(hào)光纖,由于光纖制作過(guò)程中的工藝誤差和物性系數(shù)誤差,8根光纖Brillouin頻移的應(yīng)變系數(shù)Cvε、溫度系數(shù)CvT和初始頻移υB(T0,ε0)可能不同。利用上面介紹的方法分別對(duì)它們逐一進(jìn)行標(biāo)定,結(jié)果列于表1。由表1可見(jiàn),8根光纖頻移-應(yīng)變系數(shù)的最大值與最小值之差(max-min)為0.00546MHz/10-6,即由此帶來(lái)的應(yīng)變測(cè)量誤差約為0.1×10-6,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于BOTDR的應(yīng)變測(cè)量精度,因此,8根光纖可以采用相同的頻移-應(yīng)變系數(shù)0.05MHz/10-6。同理,8個(gè)頻移-溫度系數(shù)帶來(lái)的溫度測(cè)量誤差約為0.012℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于BOTDR的溫度測(cè)量精度,因此,8根光纖可以采用相同的頻移-溫度系數(shù)1.05MHz/℃。但是,8根光纖在(T0,ε0)=(0℃,0)時(shí)初始頻移的最大最小值差有22MHz之大,對(duì)應(yīng)440×10-6或22℃的測(cè)量誤差,因此,8根光纖不能使用相同的初始頻移。1.4基于br水生植物生長(zhǎng)和光纖熔接點(diǎn)的識(shí)別從值班室開(kāi)始,海纜光通道中依次包括跳線、普纜、OPGW、普纜、跳線、普纜、海纜等多種光纜,它們之間靠法蘭盤(pán)或熔接相連,因此,傳感光路中含有大量法蘭盤(pán)和熔接點(diǎn),正確判斷這些接續(xù)點(diǎn)的位置對(duì)于確定海纜中傳感光纖的位置和長(zhǎng)度、進(jìn)行故障準(zhǔn)確定位至關(guān)重要。傳統(tǒng)方法使用OTDR測(cè)量Rayleigh散射信號(hào)功率,利用功率的衰減判斷特征點(diǎn),但隨著光纖制造工藝的提升,抗彎曲能力的增強(qiáng),以及光纖熔接損耗的下降,OTDR能判斷法蘭盤(pán),卻很難清晰判斷其他特征點(diǎn)。本文利用同型號(hào)、不同批次光纖Brillouin初始頻移的差別,提出了根據(jù)Brillouin頻移分布曲線判斷傳感光路中接續(xù)點(diǎn)的方法。傳感光路中,OPGW和海纜中光纖的兩端都熔接有一定長(zhǎng)度的普纜,以便將光路接入光交箱內(nèi)的法蘭盤(pán)上,方便施工和連接。普纜的長(zhǎng)度不定,且沒(méi)有施工記錄,如果將普纜長(zhǎng)度計(jì)入海纜長(zhǎng)度內(nèi),將造成定位誤差,因此有必要判斷普纜和海纜的熔接點(diǎn)位置。圖5為OPGW與海纜連接點(diǎn)附近的OTDR和Brillouin頻移分布曲線。由圖5可見(jiàn),T1位置為OPGW與海纜末端普纜的法蘭盤(pán)連接點(diǎn),OTDR測(cè)得了明顯的反射峰,Brillouin頻移也出現(xiàn)了明顯的負(fù)峰,均可作為判據(jù);在T2位置,OTDR曲線無(wú)明顯變化,但Brillouin頻移曲線上出現(xiàn)了明顯的曲線上升,經(jīng)實(shí)地考察,這里正是普纜與海纜中光纖的熔接點(diǎn),由于熔接損耗很小,很難用OTDR辨認(rèn),而B(niǎo)OTDR可輕松解決這一難題。用此方法可迅速找出傳感光路中所有法蘭盤(pán)和熔接點(diǎn)的位置,為海纜的精確定位提供依據(jù)。2監(jiān)控結(jié)果和分析2.1泥沙質(zhì)坡本文利用BOTDR系統(tǒng)對(duì)海纜進(jìn)行了長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè),測(cè)量的Brillouin頻移曲線與海底地形曲線如圖6所示。海纜竣工圖中記載,從值班室開(kāi)始,經(jīng)OPGW至海纜末端的整個(gè)路由區(qū)間內(nèi),0.95km處是海纜的起始點(diǎn),0.9~1.05km和4.37~4.45km區(qū)域?yàn)殛懙鼗鶐r,1.05~2.1km和3.4~4.37km區(qū)域?yàn)槟噘|(zhì)砂海床,2.1~3.4km區(qū)域?yàn)橛倌噘|(zhì)海床;海纜在1.12km和4.1km處有拐點(diǎn),海床上有巖石,巖石上有鉆孔形成石槽,海纜安裝玻璃鋼套管后安放其中;2.9km處海床上有海流沖刷形成的淤泥質(zhì)坡;泥質(zhì)砂海床屬沙波紋發(fā)育狀況,受洋流影響會(huì)產(chǎn)生移動(dòng);海域有正規(guī)半日潮。整個(gè)路由上,海纜埋深2m。陸地基巖區(qū)處于海拔0m以上,為陸地和潮間帶區(qū)域,地形坡度大,質(zhì)地堅(jiān)硬,此區(qū)域一般用套管保護(hù)海纜后敷設(shè),海纜在套管內(nèi)處于松弛狀態(tài),在自身重力的作用下有可能產(chǎn)生很大的拉伸應(yīng)變,而且隨入水深度的增加,海纜的溫度受海水影響會(huì)降低,在圖6中體現(xiàn)為突起的尖峰。泥質(zhì)砂區(qū)域,地質(zhì)稍軟,但具有一定的承載能力,此區(qū)域整體較平坦,監(jiān)測(cè)曲線整體起伏不大,基本反映的是溫度信息,可將此區(qū)間的Brillouin頻移信息換算成海纜溫度。在1.2~1.3km處有一陡坡,海纜在自身重力和洋流的作用下可能產(chǎn)生了較大的應(yīng)變,導(dǎo)致4月份曲線上產(chǎn)生了較大的尖峰。海纜兩端分別存在1個(gè)拐點(diǎn),雖有套管保護(hù),但在洋流的作用下,沙坡移位會(huì)導(dǎo)致海纜應(yīng)變的較小變化,伴隨海纜與套管的摩擦,因此,曲線上出現(xiàn)了小的波動(dòng)。另外,海水溫度的變化受氣候和洋流的影響較大,4月和5月的海水溫度差異,也可能是曲線波動(dòng)的原因。在淤泥區(qū)域,地質(zhì)松軟,2.9km處的淤泥質(zhì)坡導(dǎo)致4月份監(jiān)測(cè)曲線在坡頂兩側(cè)產(chǎn)生了上升,這可能是海纜自身重力作用及洋流沖刷淤泥對(duì)海纜產(chǎn)生扭力或暖流經(jīng)過(guò)導(dǎo)致溫度上升所致,5月份此區(qū)域曲線波動(dòng)幅度減小,這是因?yàn)楹Ｑ笥嗔髯饔檬褂倌鄬?duì)海纜的扭力減少或洋流影響減弱。1.3~3.9km區(qū)域,5月份比4月份的曲線整體有所上升,這主要是因?yàn)楹Ｋ疁囟壬仙龑?dǎo)致的。海拔-10m以上區(qū)域的海纜處于潮間帶和陸地上,受空氣溫度、日照、海纜自身散熱等因素影響,整體溫度上升幅度較大,因此,此區(qū)域內(nèi)5月份比4月份的曲線有所上升。2.2海纜內(nèi)半導(dǎo)體電流-溫度分布特性本文對(duì)1.5~1.7km泥質(zhì)砂區(qū)域的光纖Brillouin頻移在空間上求平均,與變電站監(jiān)測(cè)的小時(shí)負(fù)荷電流做對(duì)比,見(jiàn)圖7。由圖7可知,從凌晨1:00至晚上24:00,海纜內(nèi)導(dǎo)體電流呈近似M形變化,Brillouin頻移和電流具有近似相同的變化趨勢(shì)。這是因?yàn)榇藚^(qū)域地形平緩,海纜敷設(shè)于海床下2m,受洋流、地形的影響較小,其光纖Brillouin頻移主要由溫度決定。由于電流越大導(dǎo)體溫度越高,海纜各部分溫度也越高,因此,處于海纜內(nèi)部光纖的溫度也跟著變化。24h內(nèi)電流最大變化量約200A,Brillouin頻移對(duì)應(yīng)變化約2MHz,對(duì)應(yīng)溫度變化約2℃。這是因?yàn)楹４蚕聺穸却?、熱阻?海纜散熱快,且光纖離導(dǎo)體較遠(yuǎn),因此較大電流變化帶來(lái)的光纖溫度變化并不大。2.3海纜應(yīng)變分析分析BOTDR監(jiān)測(cè)曲線,綜合考慮地形、地質(zhì)、洋流、環(huán)境溫度、負(fù)荷電流等因素,可得到:1)地形、地質(zhì)、洋流對(duì)海纜應(yīng)變有影響,質(zhì)地堅(jiān)硬處(如基巖)海纜的應(yīng)變相對(duì)固定;質(zhì)地松軟處(如泥質(zhì)砂、淤泥)海纜的應(yīng)變會(huì)受洋流的