光纖分布式傳感技術在海底電纜狀態監測中的應用

周路遙，劉 黎，蔣愉寬，周自強，朱承治

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

海底光纖復合電力電纜（簡稱光電復合海纜）能夠實現電能和信號傳輸的雙重功能，是海纜發展的必然趨勢。海纜結構復雜，敷設環境特殊，一旦發生故障易造成重大損失。由于潮汐、洋流、漁網、船錨以及海底地形變動等因素影響，海纜機械故障時有發生；同時，海纜內部產生局部放電、接地故障以及載流量過大時會伴隨著缺陷點的異常發熱，嚴重時會導致絕緣老化加速，甚至發生熱擊穿[1]。因此，監測海纜的機械特性和溫度狀況對于確保線路安全穩定運行、構建堅強智能電網具有重要意義。

光纖分布式傳感利用光纖一維空間連續分布特性，可以在整個光纖長度上實現對沿光纖分布環境參數的連續分布式測量，無測量盲區。光纖既是傳輸媒介，又是傳感元件，具有電子式傳感器難以比擬的優點，適合工作于強電磁干擾和高電壓場合中[2-3]。激光在光纖內發生全反射，其大部分是前向傳播的，但由于光纖并不是由單一物質組成，其中的非結晶材料在微觀空間中存在不均勻結構，導致一部分光會發生后向散射。通過后向散射光的信息（如相位、光強、頻移等）與光纖被測量（如振動、溫度、應變等）的聯系，可實現光纖傳感特有的分布式監測[4]。

通過對光電復合海纜的結構進行剖析，重點分析了用于海纜振動監測的相位敏感時域反射儀、用于海纜溫度監測Raman（拉曼）光時域反射技術、用于海纜應變監測的Brillouin（布里淵）光時域分析技術的原理及系統結構。探討多種光纖分布式傳感技術的監測特點和構成海纜綜合狀態監測系統的必要性，為海纜狀態監測的深入研究提供參考。

1 光電復合海底電纜結構

光電復合海纜的光纖單元經由兩岸的OPGW（光纖復合架空地線）連接到現有電力通信網絡。以依托世界上首條500 kV交聯聚乙烯絕緣海纜工程——舟山500 kV聯網輸變電工程研制的500 kV交聯聚乙烯絕緣光電復合海纜（HYJQ71-F290/500 kV 1×1800+12B1）為例，海纜結構如圖1所示。

圖1 500 kV交聯聚乙烯絕緣光電復合海纜結構

選用2根直徑6.0 mm的光單元對稱分布于海纜繞包內襯層的兩側，每根光單元內置12芯單模光纖（10芯G.652D常規單模光纖和2芯G.655D非零色散位移光纖）。光單元采用中心束管結構，光纖外套不銹鋼管，再經過高強度磷化鋼絲鎧裝后擠包1層高密度聚乙烯護套，有效增強光纜的機械強度。不銹鋼管內充滿阻水纖膏，可阻止水和氣體的侵入。光纖采用光纖色譜標志進行識別，在每根光纜兩側各放置1根鋁合金絲，對光纜起保護作用，其余位置均填充直徑7.0 mm的圓形聚乙烯填充條。光纜和填充條均采用繞制的方式卷繞到纜芯上，其外再繞包2層高強度的帶材進行捆綁，避免光纜拱起。

2 海纜擾動監測

海纜在運行過程中會受到船舶違規拋錨、起錨等錨損行為引起的振動、摩擦等機械力作用，對海纜進行擾動監測可以預警海纜可能遭受的破壞。

2.1 監測原理

激光沿光纖傳播，當遇到不匹配的介質時會發生散射，其后向散射部分會返回光纖入射端，后向散射光的功率衰減特征，特別是功率的不連續特征對應光纖線路中的事件。OTDR（光時域反射技術）利用光學雷達原理實現對光纖線路上異常散射事件的定位和識別，主要應用于光纖線路的損耗、接續點和斷點的測量，它通過向光纖發射光脈沖并探測其后向Rayleigh（瑞利）散射光強來進行傳感。當光脈沖在光纖中傳輸時，其中一部分散射光經相同的路徑返回入射端，則事件點與入射端之間的距離為

式中：c為光在真空中的速度；n為光纖纖芯的有效折射率；τ為入射光脈沖與返回光脈沖的時間差。

Φ-OTDR（相位敏感光時域反射儀）具有獲取光纖中后向Rayleigh散射所攜帶的光相位信息的能力，適合于振動信息的傳感。采用窄線寬脈沖探測光，當外界擾動（壓力振動）作用于傳感光纖時，由于彈光效應，光纖的折射率會產生變化，引起Rayleigh散射光相位變化，通過光干涉儀，將光相位的變化轉換為光強度的變化，從而實現攜帶振動信息的光信號的解調[5]。

2.2 系統結構

海纜擾動監測系統采用Φ-OTDR光纖分布式傳感技術，通過海纜內置式單模光纖實現，監測距離可達70 km。Φ-OTDR系統結構如圖2所示，將窄線寬脈沖探測光注入被測光纖，其后向Rayleigh散射經定向耦合器輸出被光電探測器接收，經放大和模數轉換后經信號處理得到探測曲線。當光纖收到外界干擾時，對應位置的光纖折射率會發生變化，繼而導致該位置光相位的變化，并引起后向Rayleigh散射光的干涉強度變化，通過探測曲線的變動可判斷擾動的發生[6]。同時，利用OTDR技術的回波延遲可獲取散射的空域分布。

圖2 Φ-OTDR典型系統結構

3 海纜溫度監測

溫度是海纜安全運行的重要指標，當海纜發生接地及局部放電故障時會引起缺陷位置的溫度大幅度上升。對海纜出現的溫度異常、溫度尖峰以及溫升過快進行預警，可以避免海纜長期運行在過熱狀態下引起絕緣老化和絕緣失效。同時，根據海纜光纖溫度推算線芯溫度，可以掌握海纜載流量的動態信息。

3.1 監測原理

Raman散射是光量子和介質分子相碰撞時產生的非彈性碰撞過程，伴隨著能量轉換，產生頻移，包括頻率成分下移的Stokes分量和頻率成分上移的Anti-Stokes分量。其中，Anti-Stokes光比Stokes光具有更高的溫度靈敏度，且Anti-Stokes光強與溫度成線性關系。將溫度感知性差的Stokes光作為參考光，以Anti-Stokes光功率Pas與Stokes光功率Ps比值的形式可計算出絕對溫度值：

式中：T為絕對溫度值；a為與溫度相關的系數；h為普朗克常數；c為真空光速；v0為入射光頻率；k為玻爾茲曼常數。

ROTDR（Raman光時域反射儀）根據Raman散射原理計算溫度值，采用OTDR技術來定位溫度點，又被稱為DTS（分布式光纖溫度傳感）。通過DTS監測海纜光纖溫度，結合海纜的各層熱阻、環境參數等相關數據就可以計算出海纜的線芯導體溫度，獲取線路實際負載率，對海纜的剩余復合能力進行在線評估，確保海纜負荷水平處于安全狀態，為海纜的動態增容提供決策支持。國內張振鵬等人采用DTS測量了電纜隧道、直埋等典型敷設環境下施加相應負荷電流時的導體溫度，驗證了DTS對導體溫度和動態載流量計算的符合性[7]。海纜的上岸段及接頭處是線芯載流量提升的瓶頸，也是海纜異常狀況的多發位置，對于此處的溫度監測尤為重要。

3.2 系統結構

采用ROTDR光纖分布式傳感技術進行海纜溫度監測，通過海纜內置式多模光纖實現，測量距離可達30 km，通過在海纜兩端同時設置測溫主機的對測方式，可將測量距離加倍，達到60 km。圖3為ROTDR的典型系統結構，收發控制單元控制激光器產生探測光脈沖，探測光脈沖經過耦合器進入到被測光纖，被測光纖中的后向Raman散射光經波分復用器分離出Stokes分量和Anti-Stokes分量，再用光濾波器分別對其濾波，經光電探測器采集帶有溫度信息的后向Raman散射光信號，經信號處理可解調出實時溫度信息。

圖3 ROTDR典型系統結構

4 海纜應變監測

船錨緩慢、大幅度拖拽以及海底特殊地形地貌常造成海纜局部受力異常。對海纜上的靜態應變分布狀況進行監測可以對可能發生的故障進行預警及定位。

4.1 監測原理

光纖中的后向Brillouin（布里淵）散射是由入射光與光纖自身的聲子相互作用產生的，Brillouin散射光的頻移量ΔfB與應變和溫度呈線性關系：

式中：ΔT為光纖的溫度變化量；Δε為光纖的應變量；CT與ΔT分別為Brillouin頻移的溫度系數與應變系數。

呂安強等人對復合光纖的Brillouin頻移應變/溫度系數進行了標定實驗，表明不同光纖的頻移應變/溫度系數基本相同，約為1.05 MHz/℃及 0.05 MHz/με[8]。

基于后向Brillouin散射的光纖分布式傳感技術根據其實現原理不同分為BOTDR（Brillouin光時域反射儀）和BOTDA（Brillouin光時域分析儀）。BOTDR利用的是光纖的自發Brillouin散射原理，系統從一端輸入泵浦脈沖，在同一端檢測返回信號的散射光頻率，使用方便，但散射光功率較小，限制了測量距離和精度；BOTDA利用的是受激Brillouin散射原理，處于光纖兩端的可調諧激光器分別將一脈沖光（泵浦光）與一連續光（探測光）注入傳感光纖，散射光擁有更高的強度，顯著提高了信噪比，從而使探測距離和精度大幅度提高。

基于Brillouin散射的BOTDR/BOTDA技術同樣可以用來進行分布式測溫，相比于ROTDR技術監測范圍更廣，但精度略有不足[9]。為及時發現并判別光電復合海纜的故障，國內陳永等人采用BOTDA技術對海纜接地、錨害、局部放電等不同類型故障下引發的海纜光纖溫度、應變信號變化進行仿真和計算，推導出光纖傳感信息與海纜故障類型的關系，可為海纜的故障檢測與診斷提供參考[10]。

為解決Brillouin頻移影響因素中溫度和應變的交叉敏感問題，目前的解決方案及存在的不足主要有：

（1）采用松套光纖和緊套光纖相結合的方式，用松套光纖測溫，然后剔除緊套光纖上溫度的影響以獲得應變數據，但這種方法需要提前設計傳感光纖結構。

（2）采用第三方技術（如Raman散射技術）測量溫度，并分離Brillouin散射中溫度的影響以獲得應變數據，但這種方法增加了額外的設備成本。

（3）利用Brillouin散射的頻移/功率對溫度/應變都呈線性關系的特性，根據二元一次方程組計算溫度和應變，但這種方法中散射光功率的低信噪比大幅度降低了精度[11]。

因此，如何更有效地解決溫度和應變的交叉敏感問題，是BOTDR/BOTDA技術推廣應用的關鍵。

4.2 系統結構

以技術較為先進的BOTDA光纖分布式傳感技術為例，通過海纜內置式單模光纖實現，探測距離可達120 km。海纜中光單元的應變值與海纜的應變值滿足線性關系，且小于海纜應變值，可以利用光單元的應變推算海纜的應變。圖4顯示了BOTDA的典型系統結構，激光器1產生的光信號被電光（強度）調制器調制成光脈沖經環形器注入被測光纖的一端以用作泵浦光，激光器2產生某頻率的連續光注入被測光纖的另一端，用作探測光。當探測光和泵浦光的頻率差落在光纖某處Brillouin區，將產生受激Brillouin散射效應，將泵浦光的功率轉移給探測光，從而獲得該頻點的Brillouin散射曲線。使用激光器2連續掃頻，通過測量返回的寬頻帶的布里淵譜上的離散頻率點對應的光時域反射曲線，得到關于布里淵頻率、功率和散射位置信息的三維曲線[12-13]。通過與初始數據作對比得到光纖中各個散射位置的布里淵頻移量，從而根據應變與布里淵頻移的線性關系得出散射位置的應變分布。

圖4 BOTDA典型系統結構

5 海纜綜合狀態監測系統

總體來說，以上每種光纖傳感技術的特點不同，適用于不同的監測對象，如表1所示。其中，Φ-OTDR主要用于長距離分布式振動監測，精度高，成本較高；ROTDR主要用于分布式溫度監測，技術成熟，成本適中，測量距離相對較短；BOTDR/BOTDA主要用于長距離分布式溫度、應變監測，精度和空間分辨率較高，但系統復雜，成本較高。

目前，浙江舟山、福建平潭、廣東南澳等地的海纜工程均建立了海纜綜合狀態監測系統，集海纜擾動監測、海纜應變監測、海纜溫度監測、海纜載流量評估、AIS（船舶識別預警）等系統于一體，全方位地監測海纜的運行狀況[14]。當海纜出現故障時，光纖傳感監測得到的數據會產生明顯的變動，通過比對故障時的監測數據與標準監測曲線，系統以此判斷故障類型并發出故障警報。同時，通過查找海纜敷設信息的數據庫獲取故障位置的經緯度和深度信息，從而準確定位故障點，為海纜的快速打撈和故障修復提供依據。

表1 不同光纖傳感技術的性能特點對比

6 結論

總結分析了光纖分布式傳感技術特點，并介紹了其在光電復合海底電纜中的典型應用情況，主要得到以下結論：

（1）光纖分布式傳感技術具有連續分布式測量、抗電磁干擾等特點，可以實現長距離的監測覆蓋范圍和高效率的信息傳輸特性，迎合了海底電纜對先進傳感技術的需求。

（2）基于Rayleigh散射的Φ-OTDR海纜擾動監測系統可以對船只落錨和掛纜拖拽引起的海纜擾動進行預警和定位。

（3）基于Raman散射的ROTDR海纜溫度監測系統可以對溫度異常進行預警和定位，并以此來計算海纜線芯溫度，為海纜載流量評估、動態增容提供決策支持。

（4）基于 Brillouin散射的 BOTDR/BOTDA海纜應變監測系統可以對海纜靜態應變進行預警和定位。利用ROTDR僅對溫度敏感的特性可以補償Brillouin頻移對應變和溫度的交叉敏感。

（5）海纜綜合狀態監測系統融合了多種光纖分布式傳感技術的優勢，能夠全方位地預警海纜潛在運行風險，精確定位隱患位置，是保障海纜線路可靠運行的重要手段，有效地提升了智能輸電水平。

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