基于brilouin频移的高压光纤复合海底电缆状态监测

基于brilouin频移的高压光纤复合海底电缆状态监测

0基于网络传输的应变和温度监测中国海岸线长3.2万公里，拥有6000多个岛屿和密集的海上运营平台。海上电缆在远程供电、高压供电、电气通信、信号传输、岛屿居民的生产、生活和海上工作平台的正常运行中起着重要作用。随着海洋开发活动的日益增加,海域内的养殖、渔网、船锚等对海缆运行的影响不容忽视,海缆机械故障时有发生,此类故障一般都能体现为应变变化。此外,海水冲刷、侵蚀等因素易造成海缆的阻水性能变差、绝缘老化,使海缆产生漏电流,从而造成海缆在故障点处温度升高,进而引起更大的故障。其次,海缆负荷电流的变化,也会使海缆的温度产生变化。因此,海缆的应变和温度变化可以反映海缆的运行状况,海缆应变/温度监测方法的研究对于确保电网安全稳定运行、构建坚强智能电网具有非常重要的意义。分布式光纤传感技术以其抗电磁干扰、适应恶劣环境、分布式长距离测量等优点,越来越受到电力部门的青睐,利用Raman光时域反射计(Ramanopticaltimedomainreflectometer,ROTDR)或光频域反射计(opticalfrequencydomainreflectometer,OFDR)测量地下电缆温度的研究和工程应用已有报道。但是,国内外将分布式光纤传感技术用于海缆应变和温度监测的研究较少。日本学者NishimotoT和HirohumiT分别利用光时域反射计(opticaltimedomainreflectermetry,OTDR)和ROTDR技术,先后对66kV和6.6kV高压海底电缆进行了锚害、铠装磨损和温度监测,取得了一定的效果;亚喀巴湾横跨海峡连接约旦和埃及的400kV海底电缆和加拿大某海岛上525kV高压充油海底电缆都采用ROTDR技术进行温度监测;MarcNiklès等人基于受激Brillouin散射原理测量了湖底高压电缆中复合光纤的Brillouin频移,并定性分析了频移与各处应变和温度的关系;蒋奇和杨黎鹏分别利用Brillouin光时域反射计(Brillouinopticaltimedomainreflectometer,BOTDR)研究了三相海缆所受外力变化和内部温度变化的测量方法,并进行了应变和温度实验,证明了BOTDR监测海缆应变和温度的可行性;陆莹等人针对分布式光纤传感器在线监测高压海底电缆运行状况的方法,利用有限元软件建立了交联聚乙烯(crosslinkedpoly-ethylene,XLPE)绝缘高压海底电缆模型,仿真分析了海底电缆受外力损坏时内部物理量的变化。综上所述,分布式光纤传感技术经历了从OTDR、ROTDR、OFDR到BOTDR的过程,其中OTDR只能通过光纤中瑞利散射信号的功率粗略判断应变和温度的较大变化量,ROTDR和OFDR只能测量温度,且大都需要多模光纤作为传感介质,不适合于已敷设好的复合单模光纤的海缆,而BOTDR可很好地解决以上问题。但已有文献没有对BOTDR测量光纤复合海底电缆应变和温度的关键技术问题进行深入研究,也没有对长期监测数据进行详细分析。本文将针对以上问题,介绍基于BOTDR的110kV光纤复合海底电缆应变/温度监测的系统构成、传感光纤Brillouin频移的应变温度系数标定方法、传感光路关键点的定位和海缆监测数据的分析,为海缆监测的深入研究提供参考。1监控系统和方法1.1海峡两岸ctd比较以某海峡110kV光纤复合海底电缆监测项目为例介绍系统构成。该海缆为单芯导体结构,如图1所示,内含2根光单元,每个光单元中包含8根G.652通信用普通单模光纤。三相海缆间距60m敷设于海床下2m的淤泥里,每相海缆长度约3.3km,如图2所示。在海峡两岸设有登陆站,将BOTDR设备安装于登陆站1所在海岛的值班室内。从登陆站1架设约1km的光纤复合架空地线(opticalfibercompositeoverheadgroundwire,OPGW)经普通光缆接入值班室内的BOTDR上。利用BOTDR实时测量海缆中复合光纤的Brillouin散射功率谱,获取Brillouin散射频移,进行海缆应变和温度的分布式测量。1.2brllauin频移的测量脉冲光在单模光纤中传输时会产生Brillouin散射,该散射是由介质中的声学声子引起的一种非弹性光散射,其散射光相对于入射光的Brillouin频移υB由介质的声学特性和弹性力学特性决定,且与入射光频率υ0有关,即式中:n为介质折射率;vA为光纤中的声速;c为真空中的光速。v0、c均为常数,n和vA对应变和温度敏感。因此,利用光纤中的Brillouin频移可以实现光纤应变和温度的测量。利用Taylor级数和二项式展开公式对式(1)进行变换,可得到Brillouin频移与应变和温度的线性方程为式中:υB(T,ε)是处于温度T和应变ε下的光纤中的Brillouin频移;vB(T0,ε0)是处于初始温度T0和初始应变ε0下的光纤中的Brillouin初始频移;CvT是Brillouin频移的温度系数;Cvε是Brillouin频移的应变系数;ΔT和Δε分别是相对于初始温度和初始应变的变化量,vB(T0,ε0)、CvT和Cvε可以通过标定获得。因此,可利用Brillouin测量设备实时测量光纤各处的Brillouin频移vυB(T,ε)反映光纤的应变和温度,进而判断光纤沿线的状态。1.3br水生植物的影响因素光单元中的G.652型通信用普通单模光纤虽为同型号光纤,但由于受制作工艺误差、光纤材料物性系数误差等因素的影响,光纤Brillouin频移的应变和温度系数以及初始频移可能会不同,为实现应变/温度的准确测量,必须对每一根光纤进行准确的标定。1.3.1标准方法和过程1brin频移曲线光纤Brillouin频移温度系数的标定应保证光纤在恒定应变下进行,且温度控制精度高于BOTDR测量精度±1℃一个数量级,温度标定范围应处于光纤运行中的温度范围内。本文将松弛光纤(应变恒为零)放入控温精度±0.05℃的恒温水浴中,设置温度控制点为8、18、28、38、48℃,测量棕色光纤的Brillouin频移曲线如图3所示。采用最小二乘法对频移和温度进行拟合,如图4所示。拟合结果显示棕色纤芯频移的温度系数为1.060MHz/℃,拟合确定系数R2为0.999,标准偏差(rootmeansquareerror,RMSE)为0.26MHz,满足BOTDR温度测量精度的要求。8℃时,Brillouin初始频移为10.864GHz。2光纤应变标定光纤Brillouin频移应变系数的标定应保证光纤在恒定温度下进行,且应变控制精度高于BOTDR测量精度(±100×10-6)1个数量级,应变标定范围应处于光纤运行中的应变范围内。本文将光纤通过定滑轮悬挂于封闭室内,保证温度处于较稳定状态下,利用高精度砝码的重力作用对光纤施加拉应变。根据Hooke定律,在光纤的弹性限度内,应力与应变成正比,应变的表达式为式中:ΔL/L是光纤的应变;F是光纤所受的拉力(即砝码的重力);S是裸光纤的截面积;E是光纤的杨氏模量;g是当地的重力加速度;m是砝码的质量。光纤直径取125μm,E取7.3×1010Pa,g取9.8N/kg,计算可知,1g砝码的重力使光纤产生的应变约为10×10-6。室温21℃下,选择10g、20g、30g、40g、50g的砝码,加上承载砝码的托盘质量12g,对光纤施加220×10-6、320×10-6、420×10-6、520×10-6、620×10-6的应变。应变标定数据的处理方法与温度的方法类似,拟合结果显示棕色光纤频移的应变系数为0.05MHz/10-6,拟合确定系数0.999,标准偏差0.50MHz,满足BOTDR应变测量精度的要求。21℃下,零应变的Brillouin初始频移为10.878GHz。1.3.2根光纤应变系数测试每相海缆中有2根相同的光单元,每根光单元中有8根同型号光纤,由于光纤制作过程中的工艺误差和物性系数误差,8根光纤Brillouin频移的应变系数Cvε、温度系数CvT和初始频移υB(T0,ε0)可能不同。利用上面介绍的方法分别对它们逐一进行标定,结果列于表1。由表1可见,8根光纤频移-应变系数的最大值与最小值之差(max-min)为0.00546MHz/10-6,即由此带来的应变测量误差约为0.1×10-6,远远小于BOTDR的应变测量精度,因此,8根光纤可以采用相同的频移-应变系数0.05MHz/10-6。同理,8个频移-温度系数带来的温度测量误差约为0.012℃,远远小于BOTDR的温度测量精度,因此,8根光纤可以采用相同的频移-温度系数1.05MHz/℃。但是,8根光纤在(T0,ε0)=(0℃,0)时初始频移的最大最小值差有22MHz之大,对应440×10-6或22℃的测量误差,因此,8根光纤不能使用相同的初始频移。1.4基于br水生植物生长和光纤熔接点的识别从值班室开始,海缆光通道中依次包括跳线、普缆、OPGW、普缆、跳线、普缆、海缆等多种光缆,它们之间靠法兰盘或熔接相连,因此,传感光路中含有大量法兰盘和熔接点,正确判断这些接续点的位置对于确定海缆中传感光纤的位置和长度、进行故障准确定位至关重要。传统方法使用OTDR测量Rayleigh散射信号功率,利用功率的衰减判断特征点,但随着光纤制造工艺的提升,抗弯曲能力的增强,以及光纤熔接损耗的下降,OTDR能判断法兰盘,却很难清晰判断其他特征点。本文利用同型号、不同批次光纤Brillouin初始频移的差别,提出了根据Brillouin频移分布曲线判断传感光路中接续点的方法。传感光路中,OPGW和海缆中光纤的两端都熔接有一定长度的普缆,以便将光路接入光交箱内的法兰盘上,方便施工和连接。普缆的长度不定,且没有施工记录,如果将普缆长度计入海缆长度内,将造成定位误差,因此有必要判断普缆和海缆的熔接点位置。图5为OPGW与海缆连接点附近的OTDR和Brillouin频移分布曲线。由图5可见,T1位置为OPGW与海缆末端普缆的法兰盘连接点,OTDR测得了明显的反射峰,Brillouin频移也出现了明显的负峰,均可作为判据;在T2位置,OTDR曲线无明显变化,但Brillouin频移曲线上出现了明显的曲线上升,经实地考察,这里正是普缆与海缆中光纤的熔接点,由于熔接损耗很小,很难用OTDR辨认,而BOTDR可轻松解决这一难题。用此方法可迅速找出传感光路中所有法兰盘和熔接点的位置,为海缆的精确定位提供依据。2监控结果和分析2.1泥沙质坡本文利用BOTDR系统对海缆进行了长期的监测,测量的Brillouin频移曲线与海底地形曲线如图6所示。海缆竣工图中记载,从值班室开始,经OPGW至海缆末端的整个路由区间内,0.95km处是海缆的起始点,0.9~1.05km和4.37~4.45km区域为陆地基岩,1.05~2.1km和3.4~4.37km区域为泥质砂海床,2.1~3.4km区域为淤泥质海床;海缆在1.12km和4.1km处有拐点,海床上有岩石,岩石上有钻孔形成石槽,海缆安装玻璃钢套管后安放其中;2.9km处海床上有海流冲刷形成的淤泥质坡;泥质砂海床属沙波纹发育状况,受洋流影响会产生移动;海域有正规半日潮。整个路由上,海缆埋深2m。陆地基岩区处于海拔0m以上,为陆地和潮间带区域,地形坡度大,质地坚硬,此区域一般用套管保护海缆后敷设,海缆在套管内处于松弛状态,在自身重力的作用下有可能产生很大的拉伸应变,而且随入水深度的增加,海缆的温度受海水影响会降低,在图6中体现为突起的尖峰。泥质砂区域,地质稍软,但具有一定的承载能力,此区域整体较平坦,监测曲线整体起伏不大,基本反映的是温度信息,可将此区间的Brillouin频移信息换算成海缆温度。在1.2~1.3km处有一陡坡,海缆在自身重力和洋流的作用下可能产生了较大的应变,导致4月份曲线上产生了较大的尖峰。海缆两端分别存在1个拐点,虽有套管保护,但在洋流的作用下,沙坡移位会导致海缆应变的较小变化,伴随海缆与套管的摩擦,因此,曲线上出现了小的波动。另外,海水温度的变化受气候和洋流的影响较大,4月和5月的海水温度差异,也可能是曲线波动的原因。在淤泥区域,地质松软,2.9km处的淤泥质坡导致4月份监测曲线在坡顶两侧产生了上升,这可能是海缆自身重力作用及洋流冲刷淤泥对海缆产生扭力或暖流经过导致温度上升所致,5月份此区域曲线波动幅度减小,这是因为海洋余流作用使淤泥对海缆的扭力减少或洋流影响减弱。1.3~3.9km区域,5月份比4月份的曲线整体有所上升,这主要是因为海水温度上升导致的。海拔-10m以上区域的海缆处于潮间带和陆地上,受空气温度、日照、海缆自身散热等因素影响,整体温度上升幅度较大,因此,此区域内5月份比4月份的曲线有所上升。2.2海缆内半导体电流-温度分布特性本文对1.5~1.7km泥质砂区域的光纤Brillouin频移在空间上求平均,与变电站监测的小时负荷电流做对比,见图7。由图7可知,从凌晨1:00至晚上24:00,海缆内导体电流呈近似M形变化,Brillouin频移和电流具有近似相同的变化趋势。这是因为此区域地形平缓,海缆敷设于海床下2m,受洋流、地形的影响较小,其光纤Brillouin频移主要由温度决定。由于电流越大导体温度越高,海缆各部分温度也越高,因此,处于海缆内部光纤的温度也跟着变化。24h内电流最大变化量约200A,Brillouin频移对应变化约2MHz,对应温度变化约2℃。这是因为海床下湿度大、热阻小,海缆散热快,且光纤离导体较远,因此较大电流变化带来的光纤温度变化并不大。2.3海缆应变分析分析BOTDR监测曲线,综合考虑地形、地质、洋流、环境温度、负荷电流等因素,可得到:1)地形、地质、洋流对海缆应变有影响,质地坚硬处(如基岩)海缆的应变相对固定;质地松软处(如泥质砂、淤泥)海缆的应变会受洋流的