復(fù)合海纜在線監(jiān)測(cè)研究

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(1.油建公司 電氣儀表自動(dòng)控制技術(shù)服務(wù)中心，天津 300452；2.上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306)

1 復(fù)合海纜現(xiàn)狀

復(fù)合海纜是海上電網(wǎng)的主要大型電氣設(shè)備之一，其施工和維護(hù)工程龐大、技術(shù)復(fù)雜。由于受施工設(shè)施、施工技術(shù)、電纜的高負(fù)荷運(yùn)行、海域的復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)和海上復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境等因素的影響，使得常常發(fā)生海底光纜局部意外受力而使光纖單元受損，或使運(yùn)行中的海底動(dòng)力電纜出現(xiàn)斷路、短路等故障。因此，對(duì)復(fù)合海纜施以重點(diǎn)保護(hù)工作是施工應(yīng)用中的首選。

如今的復(fù)合海纜的保護(hù)措施主要是埋設(shè)、水泥壓塊保護(hù)以及設(shè)置工程標(biāo)志等。所有的措施都僅僅是對(duì)復(fù)合海纜免受外力的一些保護(hù)措施，而最為重要的內(nèi)部隱患的監(jiān)測(cè)卻由于受到環(huán)境等因素的制約無法實(shí)現(xiàn)。這也就意味著缺乏后續(xù)安全保障機(jī)制監(jiān)控復(fù)合海纜安全狀態(tài)，在所有海洋平臺(tái)電氣設(shè)備中，只有復(fù)合海纜這一重要設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)巡檢和監(jiān)控，不能及時(shí)掌握其運(yùn)行狀態(tài)并及時(shí)作出調(diào)整管理，對(duì)內(nèi)部因素引起故障的原因更是無從查找[1-2]。

2 光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)

近年來分布式光纖傳感技術(shù)研究與應(yīng)用不斷發(fā)展，使得對(duì)復(fù)合海纜的在線監(jiān)測(cè)、 診斷、預(yù)測(cè)成為可能。根據(jù)技術(shù)原理不同，分布式光纖傳感器主要有基于瑞利散射、拉曼散射和布利淵散射三種。其中基于瑞利散射光纖傳感器只能檢測(cè)斷點(diǎn)，基于拉曼散射的分布式光纖測(cè)溫技術(shù)(ROTDR)由于監(jiān)測(cè)距離短而無法滿要求。基于自發(fā)布里淵散射技術(shù)(BOTDR)在國內(nèi)復(fù)合海纜溫度、應(yīng)力監(jiān)測(cè)中有一定應(yīng)用，但測(cè)量精度及相應(yīng)時(shí)間太長等原因已無法滿足長距離復(fù)合海纜的高精度測(cè)溫要求。 布里淵光時(shí)域分析技術(shù)(BOTDA)采用的放大的布里淵散射信號(hào)，具有信號(hào)檢測(cè)相對(duì)容易，測(cè)量距離更加遠(yuǎn)，精度更加高等優(yōu)點(diǎn)。BOTDA 技術(shù)在國外得到廣泛的研究，實(shí)際工程應(yīng)用也非常廣泛，目前國內(nèi)受限于BOTDA設(shè)備的研制，尚無類似的實(shí)際應(yīng)用。

基于光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用，目前主要有以下幾種，基本性能對(duì)比見表1。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，基于 BOTDA 技術(shù)的分布式光纖傳感器具有測(cè)量光纜全程溫度與應(yīng)力的能力，測(cè)量距離遠(yuǎn)、精度高、響應(yīng)快，且光纖本征防雷，抗電磁干擾性能好，因此特別適用于長距離、復(fù)雜環(huán)境等場(chǎng)合溫度、應(yīng)力監(jiān)控，如長距離復(fù)合海纜施工狀況監(jiān)測(cè)、運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)，通過對(duì)所測(cè)量的溫度、應(yīng)力的分析，可得出復(fù)合海纜安全狀況，為維護(hù)電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供科學(xué)數(shù)據(jù)，可以有效減小復(fù)合海纜故障的可能性，并推進(jìn)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能化。

表1 光纖傳感技術(shù)性能對(duì)比

3 基于BOTDA 技術(shù)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)

基于分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用復(fù)合海纜內(nèi)部的單模光纖作為分布式傳感器，通過采集記錄的光纖布里淵散射頻率偏移及諧波測(cè)試儀數(shù)據(jù)，對(duì)發(fā)生的故障原因進(jìn)行分析，找出引起故障的最可能原因。

圖1 光纖散射頻率偏移

圖2 布里淵散射頻譜偏移

通過分析可以看出，布里淵散射光譜由溫度、形變直接決定，具備了研究利用的條件，關(guān)系式如下。

Vb=Nb0+CT(T-T0)+Cε(ε-ε0)

(1)

基于分布式光纖監(jiān)測(cè)原理的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集單元，數(shù)據(jù)分析單元，數(shù)據(jù)處理單元三部分組成。

數(shù)據(jù)采集單元即BOTDA傳感子系統(tǒng)，傳感子系統(tǒng)完成感應(yīng)溫度、應(yīng)力信息，并將感應(yīng)到的信息傳輸至 BOTDA 信號(hào)處理子系統(tǒng)的功能，本傳感子系統(tǒng)使用普通的單模光纖同時(shí)感應(yīng)與傳輸溫度、應(yīng)力信息。可由兩根在復(fù)合海纜內(nèi)部的光纖構(gòu)成單回路型傳感子系統(tǒng)，則可根據(jù)布里淵頻移量同時(shí)測(cè)量溫度與應(yīng)力。

數(shù)據(jù)分析單元是利用BOTDA采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以及歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析、比對(duì)。通過光纖各點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)變化和應(yīng)力數(shù)據(jù)變化，推導(dǎo)分析所對(duì)應(yīng)的復(fù)合海纜動(dòng)力線芯的細(xì)微變化。在復(fù)合海纜的整條線路上，一旦有異常變化，例如出現(xiàn)溫度的異常變化或持續(xù)上升等，即可實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)。根據(jù)情況的變化，給電力調(diào)度工作提供可靠的分析數(shù)據(jù)，采取積極的措施，抑制問題的持續(xù)和進(jìn)一步擴(kuò)大，防止事故發(fā)生。這是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，其難點(diǎn)主要在于通過分布式光纖采集的數(shù)據(jù)如何能夠與復(fù)合海纜的動(dòng)力線芯建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。復(fù)合海纜在結(jié)構(gòu)方面不同于陸地的高壓電纜，其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。其內(nèi)部的光纖單元與動(dòng)力單元并沒有直接的對(duì)應(yīng)聯(lián)系，間隔數(shù)層的材料結(jié)構(gòu)。且周圍環(huán)境的變化也對(duì)這種溫度的對(duì)應(yīng)傳導(dǎo)關(guān)系產(chǎn)生直接的影響。這就要求對(duì)復(fù)合海纜的工作溫度場(chǎng)及應(yīng)力形變進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)建模。另外，由于采集的實(shí)時(shí)性，以及采集的數(shù)量，數(shù)據(jù)分析單元將面臨海量的數(shù)據(jù)量分析。在海量數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)，可以利用并行計(jì)算技術(shù)提高運(yùn)算速度，但本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不同于多服務(wù)器連接的云計(jì)算，需要研究快速運(yùn)算算法。這也是系統(tǒng)建立關(guān)鍵所在，直接決定系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比見圖3，其中每條獨(dú)立曲線代表一段時(shí)間內(nèi)海纜重復(fù)測(cè)溫的結(jié)果。

圖3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

信號(hào)處理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)布里淵探測(cè)光信號(hào)的發(fā)射與采集，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，給出海纜全程的溫度、應(yīng)力分布信息，當(dāng)海纜異常時(shí)，給出報(bào)警信號(hào)。

分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備即BOTDA，目前國內(nèi)不能制造，只能通過進(jìn)口解決，但僅有該測(cè)試設(shè)備不能完成海纜監(jiān)測(cè)任務(wù)，需要設(shè)計(jì)具有針對(duì)性的接口平臺(tái)，通過該接口連接到監(jiān)制中心，將實(shí)時(shí)采集的溫度、應(yīng)力形變數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)建模的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，然后做出合理判斷。由于分布式光纖傳感系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸波特率高，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)周圍大型設(shè)備的電磁干擾嚴(yán)重，且工作環(huán)境復(fù)雜，因此，需要設(shè)計(jì)抗電磁干擾及應(yīng)對(duì)潮濕環(huán)境的高速數(shù)字處理電路，這是本課題工程化實(shí)現(xiàn)的實(shí)質(zhì)性工作，需要反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)束語

本監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于解決復(fù)合海纜的受控安全穩(wěn)定運(yùn)行益處多多，海纜在運(yùn)行過程中時(shí)，系統(tǒng)可在線監(jiān)測(cè)海纜溫度、應(yīng)力等重要運(yùn)行參數(shù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行異常時(shí)，采取必要措施控制復(fù)合海纜的溫升，減緩其故障的趨勢(shì)；制定科學(xué)的檢修計(jì)劃，避免突發(fā)事故帶來的損失；在發(fā)掘海纜使用潛力的同時(shí)避免損壞，實(shí)現(xiàn)海纜科學(xué)管理。在復(fù)合海纜發(fā)生不可避免的故障時(shí)，可以在第一時(shí)間定為海纜的故障點(diǎn)，為后續(xù)的修復(fù)施工贏取寶貴的時(shí)間。同時(shí)，本監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)也是一個(gè)多學(xué)科交叉的復(fù)雜的研究過程，科學(xué)攻關(guān)的難點(diǎn)較多，需要在后續(xù)的開發(fā)應(yīng)用過程中逐一完善。

[1] 高建新.光纖分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在關(guān)鍵動(dòng)力電路中的應(yīng)用[J].石油化工安全技術(shù),2002,18(6):38-40.

[2] 蔣 奇,徐于超,康彥森,等.基于分布式布里淵光纖散射傳感的海底動(dòng)力電纜監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].檢測(cè)與儀表,2009,36(4):41-43.