分布式光纤传感在海底电缆检测中的应用

1、 分布式光纤传感在海底电缆检测中的应用2010年2月10日Telecommunications for Electric Power System Feb.10,20100前言随着国内外邮电通信事业的不断发展,我国海底电缆的施工作业量已日趋增多1。海底电缆由于接触船舶的锚和渔具等,不能完全避免外伤损坏。因此,检测由外伤引起的海底电缆变形,已成为提高海底电缆可靠性的一项重要技术,该技术与海底电缆的开发同步发展2。同时,为防止海底电缆故障,海底电缆的工作缆温也必须实时在线监测,以保证海底电缆系统的安全运行。海底光纤复合电力电缆在传输电能的同时,又能实现通信信号传输,由于具有诸多的优点,越来越多地受

2、到客户的青睐。特别是随着光缆市场价格的下降,使得海底电缆中复合光纤单元几乎不增加海底电缆的造价,因此,海底光纤复合电力电缆的应用越来越广泛3。近年来,随着光纤应用技术的发展,分布式光纤传感系统只需随海底电缆敷设传感光纤就可分别提供整条电缆的运行温度和应变信息。该系统具有无干扰、无辐射、施工简单、安全性高等特点,可为海底电缆的温度、应变检测和安全运行提供科学依据,从而有效地避免海底电缆安全事故的发生。1分布式光纤传感基本原理1.1布里渊光时域反射传感原理光纤检测的原理是基于后向布里渊散射效应。激光脉冲与光纤分子相互作用发生散射,散射时,入射光波和光纤中的热激励声波相互作用产生的一种非弹性散射。1

3、950年,Krishnan对布里渊散射做了最初的研究,且证实布里渊散射的频移和强度与温度和应变存在线性关系。通过测量沿光纤长度方向的布里渊散射光的频移和强度就可以得到光纤的温度和应变信息。由于声波的存在,光纤的密度发生变化,从而对光纤的介电常数和折射率进行周期性的调制。光纤中超声波的传播,使布里渊散射光产生一个多普勒频移布里渊频移,其计算公式为vB=2nva/p(1式中vB为光纤中的声波速度;n为光纤纤芯折射率;p为泵浦光波长。声波的指数衰减特性使得布里渊散射谱呈洛伦兹分布。由温度和应变引起的布里渊频移和强度的变化可用矩阵表示为vBPB=C vt C vCPTCPT(2式中Cvt和Cv为布里渊

4、频移的温度和应变系数;CPT和CP为布里渊散射强度的温度和应变系数。通过求解矩阵方程即可得出温度和应变的变化。如果系数矩阵的逆矩阵为非奇异矩阵,即CvCPTCvtCP,则解存在4。1.2光纤光时域反射定位原理光时域反射OTDR(Optical Time Domain Re-45··flection主要用于检验光纤损耗特性及光纤故障,同时也是分布式光纤传感系统的基础,基于背向散射光纤分布式传感器的测量原理如图1所示。图1OTDR距离定位原理Fig.1Schematic diagram of distance locationbased on OTDR当脉冲在光纤中传输时,由于

5、光纤中存在折射率的微观不均匀性会产生瑞利散射,若入射光经背向散射返回到探测器端所需的时间为t,光脉冲在光纤中传输的路程为2L,则2L=vt,其中v是光在光纤中的传播速度,v=c/n,c为光在真空中的速度,n为光纤的折射率。那么,在t时刻测量到的就是离光纤入射端距离为L处的背向瑞利散射光。而空间域光纤的瑞利背向散射光子数为NR =KRSv4Neexp(-L(3式中Ne 为射入光纤的光脉冲所含光子数;KR为与光纤瑞利散射截面相关的系数;S为光纤背向散射因子;v0为入射激光光子频率;为入射光在光纤中的损耗;L=ct/2n为被测物理场到光源的长度5。2海底电缆检测系统用于海底电缆的分布式光纤传感检测系

6、统由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要由监控计算机、测量设备和传感光纤组成。其中,测量设备包括光源、光脉冲形成单元、光电检测单元和数据处理单元,如图2所示。光源发出的连续光被定向耦合器分成两部分,一部分由电光调制器(EOM, Electro-Optic Modulator调制为脉冲光后入射到传感光纤,另一部分作为本振光与散射光一起入射到光电检测器进行外差检测,取出差频分量,即布里渊频移信号。对布里渊频谱进行分析处理,可获得布里渊频移和强度的测量值,再经转换为光缆各点的温度或应变信息而输出。软件部分完成各种设置的控制,对实时数据进行分析,可通过设定各种温度应变的报警类型及输出温度或应变的异常点,

7、来实现显示和查询功能6,并可保存各时刻数据。图2海底电缆检测系统Fig.2Submarine cable detection system3工程应用探讨3.1传感光纤的选用用于海底电缆的分布式光纤技术,传感光纤通路同时被用作传感器和信号通道,以使终端机远离测量现场,从而彻底避免电磁干扰。针对海底电缆的复杂环境,选择一种合适的传感光纤至关重要。碳密封涂覆光纤可应用于发电厂、海底、油田、天然气井等存在大量的水、氢气、腐蚀、高温高压、高应力、强电磁场的场合,它用光纤传感技术代替传统的电子传感技术。高强度碳涂覆光纤是在拉丝过程中把碳沉积在光纤表面,然后再涂覆紫外固化涂料,整个工艺在拉丝过程中完成。这种

8、新型单模光纤具有耐腐蚀、耐高温、耐高压、抗疲劳性、抗氢损等特性7。3.2碳密封涂覆光纤的特性分析碳涂覆光纤的优点不仅表现在不破坏光纤光学特性上,而且还能够提高光纤的机械性能,同时呈现良好的抗水及抗氢渗透能力8。光纤表面的密封涂碳层可以增强光纤的耐腐蚀特性。密封碳涂覆光纤暴露于氢气中时,可把光纤密封碳涂层看作一层半无限厚材料,它是一种紧密结构的密封涂层,足以阻止水和氢进入光纤内部。通过试验碳涂覆光纤的氢渗透能力,碳密封涂覆光纤的抗氢气渗透因子R H2大于99%,证明碳密封涂覆光纤抗氢气性能远远优于非碳涂覆光纤。抗氢气渗透因子表达式为电力系统通信2010,31(208 46··

9、RH2=1-(AC1-AC0/(AO1-AO0(4式中AC1,AC0,AO1,AO0分别为碳密封涂覆光纤和参考光纤氢渗透试验后和试验前的光损耗值。同样的水渗透试验可证明碳涂覆光纤有极好的阻水性能9。为了测试碳密封涂覆光纤的静态疲劳特性,在20空气中用卷绕法(将光纤卷绕在不锈钢制的芯轴上,施加弯曲应力进行光纤断裂时间的测量。空气中的疲劳常数n,对于涂碳光纤n值在200以上,对于涂铝光纤n值为6080。据分析,光纤碳涂覆温度在1000以上,而涂铝光纤在进入涂覆之前的光纤温度接近于室温,因此,光纤表面会吸附水分,使疲劳常数降低10。光纤的长期疲劳试验说明碳密封涂覆光纤具有很好的抗疲劳特性。3.3碳涂

10、覆光纤安装结构带有传感光纤的海底电缆的安装剖面如图3所示。图3内嵌式传感光纤安装剖面Fig.3Installation section of embeddedsensor fibers复合在海底电缆中的传感光纤有2种,一种用于感应电缆温度的碳密封涂覆光纤,被置于较深的骨架槽内,使光纤不易受侧压而引起外伤;另一种用于外伤传感的碳密封涂覆光纤,被置于在较浅的骨架槽中,使光纤对外伤侧压敏感。该海底光纤复合电力电缆是把均匀置放在海底电缆浅槽中的8根应变传感光纤和均匀置放在深槽中的3根感温光纤分别首尾连接,这种结构可以将电缆截面全方位(360°侧压引起的温度和应变信息量用分控站一次测定。分控站

11、按主控站要求传送数据。通过置放在不同位置的碳密封涂覆光纤,可以分别检测海底电缆温度和应变信息,保证海底电缆正常运行。每根感温光纤外围都有不锈钢管护套,以防止机械损伤和水的侵入。目前,国外一些生产厂家所使用的加工方法是,将一根具有良好柔韧性的空不锈钢管或铝管装在海底用电缆内部,或是在电缆安装好后固定在电缆表面,然后把传感光纤吹入空管子中11。按照这种方法,传感光纤的安装将不受电缆制造和安装过程的影响。另一种传感光纤的安装方法是把4根碳密封涂覆传感光纤顺着海底电缆方向紧贴缠绕在电缆外层,安装截面如图4所示。这种表贴式光纤虽然不能准确地反映电缆温度的变化,但是对海底电缆埋设处热阻率和电缆应变变化比较

12、敏感,同时可以减少传感光纤的安装成本12。通过这4根传感光纤,海底电缆线路上每一个截面温度和应变信息可被完全检测。图4表贴式传感光纤安装截面Fig.4Installation section of sensor fiber on surface3.4碳涂覆光纤的实用化自从碳涂覆光纤抗疲劳性能得到证实以后,各国对碳涂覆光纤的实用化投入了巨大的努力,反映在3个方面:一是开发大规模生产碳涂覆光纤的技术;二是研究碳涂覆光纤的连接技术;三是将碳涂覆光纤引入各种光缆结构进行试验,或敷设试验线路和实用线路13。碳密封涂覆光纤已成功应用于海底光缆、军用制导光纤及苛刻环境下的光纤传感系统中14。电力系统通信用架

13、空地线缠绕光缆是20世纪80年代初期开始开发的新型光缆,1992年开始商品化应用。据报道,这种光缆由于使用条件十分苛刻,采用了碳涂覆光纤。在国外,挪威Alcatel Kabel公司于1990年将碳密封涂覆光纤用于重铠装的开放式海底光缆结构中,于1991年3月敷设于新西兰的库克海峡。这是世界上第一条采用碳涂覆光纤的商用海底光缆,其2根海底光缆每根长43km,内含12根绞合的单模碳密封涂覆光纤13-14。在要求高机械可靠性的领域中,碳密封涂覆光纤是一种有前途的应用材料。此外,由于它能够用金属涂覆,从而可焊接,因而极具吸引力。这种光缆可在以下场合应用。·开发与应用·李荣伟等分布式

14、光纤传感在海底电缆检测中的应用47··Application of distributed optical sensor in submarine cable detectionLI Rong -wei,LI Yong -tao(Dept.of Electronics and Communication Engineering ,North China Electric Power University,Baoding 071003,ChinaAbstract:This paper analyses the principle of the Brillouin back -

15、scattering effect based on sensing and the positioning principle based on OTDR (Optical Time -Domain Reflectometry.A new type of optical fiber named carbon hermetically coated optical fiber which is used in the temperature and strain measurement of the complex submarine system is discussed.Meanwhile

16、,the anti -corrosion and anti -fatigue properties and other applications of carbon hermetically coated optical fibers are analysed,and the installation method for sensing optical fiber of submarine optical cable is also introduced in the paper.Key words:submarine cable;distributed optical sensing;Br

17、illouin scattering;carbon coated optical fiber1用于室内光缆。室内光缆和引入光缆是实现光纤到户必不可少的,重要的是这些光缆常需要小的弯曲直径。常规光纤一方面会产生过大的附加损耗;另一方面又会由于光纤表面的应力而降低可靠性。碳密封涂覆光纤在这方面有优越性。2用于拖曳光缆。为了研究深海海底的情况,已经开发了许多海洋设备,这些设备要将拖缆从船上放入海底,拖缆会受很大的张力。增强缆中的加强钢丝由于钢丝的自重也相应增加,因而碳密封涂覆光纤比较合适这种应用场合。3用于激光器插件。用Ni 或Au 能轻易地涂覆碳层,这样的金属涂层有利于通过焊接把光纤固定到插件上。

18、这种方法还用于把光纤安装到激光二极管上。金属涂覆涂碳光纤可以焊接,有利于把光纤安装到模板上,还有利于金属外壳窗口的密封15。4结束语分布式光纤传感在海底电缆检测中的应用研究是集3种功能即送电、通信和传感于一体的海底光缆系统。本文基于光纤布里渊散射传感原理,研究碳密封涂覆光纤,它可以作为传感光纤应用于海底电缆检测系统。参考文献1张国光.海底电缆安全及其施工埋设技术研究J.海洋技术,1992,11(1:64-73.2吴静.带有光纤传感器以检测船锚损伤和钢丝铠装磨损的6.6kV 交联聚乙烯海底电缆J.光纤光缆传输技术,1998(1:18-22.3王国忠.大长度海底光纤复合电力电缆制造J.电线电缆,2008,10(5:9-11.4MAUGHAN S M,KEE H H,NEWSON T P.Simulta -neous distributed fibre temperature and strain sensorusingmicrowave coherent detection of spontaneous Bril -louin backscatterJ.Meas Sci Technol,2001(12:834-842.5时斌.光纤传感器在高压设备在线测温系统中的应用J.高电压技术,2007,33(8:169-173.6范茜.分布式光纤温