復合海纜在線監測研究

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(1.油建公司 電氣儀表自動控制技術服務中心，天津 300452；2.上海海事大學 信息工程學院，上海 201306)

1 復合海纜現狀

復合海纜是海上電網的主要大型電氣設備之一，其施工和維護工程龐大、技術復雜。由于受施工設施、施工技術、電纜的高負荷運行、海域的復雜地質結構和海上復雜運行環境等因素的影響，使得常常發生海底光纜局部意外受力而使光纖單元受損，或使運行中的海底動力電纜出現斷路、短路等故障。因此，對復合海纜施以重點保護工作是施工應用中的首選。

如今的復合海纜的保護措施主要是埋設、水泥壓塊保護以及設置工程標志等。所有的措施都僅僅是對復合海纜免受外力的一些保護措施，而最為重要的內部隱患的監測卻由于受到環境等因素的制約無法實現。這也就意味著缺乏后續安全保障機制監控復合海纜安全狀態，在所有海洋平臺電氣設備中，只有復合海纜這一重要設備不能實現巡檢和監控，不能及時掌握其運行狀態并及時作出調整管理，對內部因素引起故障的原因更是無從查找[1-2]。

2 光纖傳感監測技術

近年來分布式光纖傳感技術研究與應用不斷發展，使得對復合海纜的在線監測、 診斷、預測成為可能。根據技術原理不同，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斷點，基于拉曼散射的分布式光纖測溫技術(ROTDR)由于監測距離短而無法滿要求。基于自發布里淵散射技術(BOTDR)在國內復合海纜溫度、應力監測中有一定應用，但測量精度及相應時間太長等原因已無法滿足長距離復合海纜的高精度測溫要求。 布里淵光時域分析技術(BOTDA)采用的放大的布里淵散射信號，具有信號檢測相對容易，測量距離更加遠，精度更加高等優點。BOTDA 技術在國外得到廣泛的研究，實際工程應用也非常廣泛，目前國內受限于BOTDA設備的研制，尚無類似的實際應用。

基于光纖傳感技術的應用，目前主要有以下幾種，基本性能對比見表1。

通過對比發現，基于 BOTDA 技術的分布式光纖傳感器具有測量光纜全程溫度與應力的能力，測量距離遠、精度高、響應快，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、復雜環境等場合溫度、應力監控，如長距離復合海纜施工狀況監測、運行狀況監測，通過對所測量的溫度、應力的分析，可得出復合海纜安全狀況，為維護電網的安全運行提供科學數據，可以有效減小復合海纜故障的可能性，并推進電網實現智能化。

表1 光纖傳感技術性能對比

3 基于BOTDA 技術的分布式監控系統

基于分布式光纖監測系統利用復合海纜內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試儀數據，對發生的故障原因進行分析，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，關系式如下。

Vb=Nb0+CT(T-T0)+Cε(ε-ε0)

(1)

基于分布式光纖監測原理的在線監測系統主要由數據采集單元，數據分析單元，數據處理單元三部分組成。

數據采集單元即BOTDA傳感子系統，傳感子系統完成感應溫度、應力信息，并將感應到的信息傳輸至 BOTDA 信號處理子系統的功能，本傳感子系統使用普通的單模光纖同時感應與傳輸溫度、應力信息。可由兩根在復合海纜內部的光纖構成單回路型傳感子系統，則可根據布里淵頻移量同時測量溫度與應力。

數據分析單元是利用BOTDA采集的實時數據，以及歷史數據進行實時的分析、比對。通過光纖各點的溫度數據變化和應力數據變化，推導分析所對應的復合海纜動力線芯的細微變化。在復合海纜的整條線路上，一旦有異常變化，例如出現溫度的異常變化或持續上升等，即可實時發現。根據情況的變化，給電力調度工作提供可靠的分析數據，采取積極的措施，抑制問題的持續和進一步擴大，防止事故發生。這是整個系統的關鍵，其難點主要在于通過分布式光纖采集的數據如何能夠與復合海纜的動力線芯建立對應關系。復合海纜在結構方面不同于陸地的高壓電纜，其結構更為復雜。其內部的光纖單元與動力單元并沒有直接的對應聯系，間隔數層的材料結構。且周圍環境的變化也對這種溫度的對應傳導關系產生直接的影響。這就要求對復合海纜的工作溫度場及應力形變進行精確的數學建模。另外，由于采集的實時性，以及采集的數量，數據分析單元將面臨海量的數據量分析。在海量數據運算時，可以利用并行計算技術提高運算速度，但本監測系統不同于多服務器連接的云計算，需要研究快速運算算法。這也是系統建立關鍵所在，直接決定系統的實時性。系統檢測數據對比見圖3，其中每條獨立曲線代表一段時間內海纜重復測溫的結果。

圖3 監測數據對比圖

信號處理子系統實現布里淵探測光信號的發射與采集，對采集到的信號進行分析處理，給出海纜全程的溫度、應力分布信息，當海纜異常時，給出報警信號。

分布式光纖監測系統的數據采集設備即BOTDA，目前國內不能制造，只能通過進口解決，但僅有該測試設備不能完成海纜監測任務，需要設計具有針對性的接口平臺，通過該接口連接到監制中心，將實時采集的溫度、應力形變數據與數學建模的結果進行比對，然后做出合理判斷。由于分布式光纖傳感系統實時采集數據，數據傳輸波特率高，監測系統周圍大型設備的電磁干擾嚴重，且工作環境復雜，因此，需要設計抗電磁干擾及應對潮濕環境的高速數字處理電路，這是本課題工程化實現的實質性工作，需要反復實驗驗證。

4 結束語

本監控系統對于解決復合海纜的受控安全穩定運行益處多多，海纜在運行過程中時，系統可在線監測海纜溫度、應力等重要運行參數。當發現運行異常時，采取必要措施控制復合海纜的溫升，減緩其故障的趨勢；制定科學的檢修計劃，避免突發事故帶來的損失；在發掘海纜使用潛力的同時避免損壞，實現海纜科學管理。在復合海纜發生不可避免的故障時，可以在第一時間定為海纜的故障點，為后續的修復施工贏取寶貴的時間。同時，本監控系統的實現也是一個多學科交叉的復雜的研究過程，科學攻關的難點較多，需要在后續的開發應用過程中逐一完善。

[1] 高建新.光纖分布式監測系統在關鍵動力電路中的應用[J].石油化工安全技術,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力電纜監測技術研究[J].檢測與儀表,2009,36(4):41-43.