光纖分布式傳感技術(shù)在海底電纜狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

周路遙，劉 黎，蔣愉寬，周自強，朱承治

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

0 引言

海底光纖復(fù)合電力電纜（簡稱光電復(fù)合海纜）能夠?qū)崿F(xiàn)電能和信號傳輸?shù)碾p重功能，是海纜發(fā)展的必然趨勢。海纜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，敷設(shè)環(huán)境特殊，一旦發(fā)生故障易造成重大損失。由于潮汐、洋流、漁網(wǎng)、船錨以及海底地形變動等因素影響，海纜機械故障時有發(fā)生；同時，海纜內(nèi)部產(chǎn)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(fā)熱，嚴重時會導(dǎo)致絕緣老化加速，甚至發(fā)生熱擊穿[1]。因此，監(jiān)測海纜的機械特性和溫度狀況對于確保線路安全穩(wěn)定運行、構(gòu)建堅強智能電網(wǎng)具有重要意義。

光纖分布式傳感利用光纖一維空間連續(xù)分布特性，可以在整個光纖長度上實現(xiàn)對沿光纖分布環(huán)境參數(shù)的連續(xù)分布式測量，無測量盲區(qū)。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(yōu)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(nèi)發(fā)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(zhì)組成，其中的非結(jié)晶材料在微觀空間中存在不均勻結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致一部分光會發(fā)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(yīng)變等）的聯(lián)系，可實現(xiàn)光纖傳感特有的分布式監(jiān)測[4]。

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

1 光電復(fù)合海底電纜結(jié)構(gòu)

光電復(fù)合海纜的光纖單元經(jīng)由兩岸的OPGW（光纖復(fù)合架空地線）連接到現(xiàn)有電力通信網(wǎng)絡(luò)。以依托世界上首條500 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣海纜工程——舟山500 kV聯(lián)網(wǎng)輸變電工程研制的500 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣光電復(fù)合海纜（HYJQ71-F290/500 kV 1×1800+12B1）為例，海纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 500 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣光電復(fù)合海纜結(jié)構(gòu)

選用2根直徑6.0 mm的光單元對稱分布于海纜繞包內(nèi)襯層的兩側(cè)，每根光單元內(nèi)置12芯單模光纖（10芯G.652D常規(guī)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(jié)構(gòu)，光纖外套不銹鋼管，再經(jīng)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(nèi)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(cè)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(jiān)測

海纜在運行過程中會受到船舶違規(guī)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(jiān)測可以預(yù)警海纜可能遭受的破壞。

2.1 監(jiān)測原理

激光沿光纖傳播，當遇到不匹配的介質(zhì)時會發(fā)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(xù)特征對應(yīng)光纖線路中的事件。OTDR（光時域反射技術(shù)）利用光學(xué)雷達原理實現(xiàn)對光纖線路上異常散射事件的定位和識別，主要應(yīng)用于光纖線路的損耗、接續(xù)點和斷點的測量，它通過向光纖發(fā)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(jīng)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(yīng)，光纖的折射率會產(chǎn)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(zhuǎn)換為光強度的變化，從而實現(xiàn)攜帶振動信息的光信號的解調(diào)[5]。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

海纜擾動監(jiān)測系統(tǒng)采用Φ-OTDR光纖分布式傳感技術(shù)，通過海纜內(nèi)置式單模光纖實現(xiàn)，監(jiān)測距離可達70 km。Φ-OTDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jīng)定向耦合器輸出被光電探測器接收，經(jīng)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后經(jīng)信號處理得到探測曲線。當光纖收到外界干擾時，對應(yīng)位置的光纖折射率會發(fā)生變化，繼而導(dǎo)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(fā)生[6]。同時，利用OTDR技術(shù)的回波延遲可獲取散射的空域分布。

圖2 Φ-OTDR典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 海纜溫度監(jiān)測

溫度是海纜安全運行的重要指標，當海纜發(fā)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(xiàn)的溫度異常、溫度尖峰以及溫升過快進行預(yù)警，可以避免海纜長期運行在過熱狀態(tài)下引起絕緣老化和絕緣失效。同時，根據(jù)海纜光纖溫度推算線芯溫度，可以掌握海纜載流量的動態(tài)信息。

3.1 監(jiān)測原理

Raman散射是光量子和介質(zhì)分子相碰撞時產(chǎn)生的非彈性碰撞過程，伴隨著能量轉(zhuǎn)換，產(chǎn)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(guān)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(guān)的系數(shù)；h為普朗克常數(shù)；c為真空光速；v0為入射光頻率；k為玻爾茲曼常數(shù)。

ROTDR（Raman光時域反射儀）根據(jù)Raman散射原理計算溫度值，采用OTDR技術(shù)來定位溫度點，又被稱為DTS（分布式光纖溫度傳感）。通過DTS監(jiān)測海纜光纖溫度，結(jié)合海纜的各層熱阻、環(huán)境參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)就可以計算出海纜的線芯導(dǎo)體溫度，獲取線路實際負載率，對海纜的剩余復(fù)合能力進行在線評估，確保海纜負荷水平處于安全狀態(tài)，為海纜的動態(tài)增容提供決策支持。國內(nèi)張振鵬等人采用DTS測量了電纜隧道、直埋等典型敷設(shè)環(huán)境下施加相應(yīng)負荷電流時的導(dǎo)體溫度，驗證了DTS對導(dǎo)體溫度和動態(tài)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(fā)位置，對于此處的溫度監(jiān)測尤為重要。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用ROTDR光纖分布式傳感技術(shù)進行海纜溫度監(jiān)測，通過海纜內(nèi)置式多模光纖實現(xiàn)，測量距離可達30 km，通過在海纜兩端同時設(shè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)，收發(fā)控制單元控制激光器產(chǎn)生探測光脈沖，探測光脈沖經(jīng)過耦合器進入到被測光纖，被測光纖中的后向Raman散射光經(jīng)波分復(fù)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(jīng)光電探測器采集帶有溫度信息的后向Raman散射光信號，經(jīng)信號處理可解調(diào)出實時溫度信息。

圖3 ROTDR典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 海纜應(yīng)變監(jiān)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(tài)應(yīng)變分布狀況進行監(jiān)測可以對可能發(fā)生的故障進行預(yù)警及定位。

4.1 監(jiān)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(chǎn)生的，Brillouin散射光的頻移量ΔfB與應(yīng)變和溫度呈線性關(guān)系：

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

呂安強等人對復(fù)合光纖的Brillouin頻移應(yīng)變/溫度系數(shù)進行了標定實驗，表明不同光纖的頻移應(yīng)變/溫度系數(shù)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(shù)根據(jù)其實現(xiàn)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(fā)Brillouin散射原理，系統(tǒng)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(diào)諧激光器分別將一脈沖光（泵浦光）與一連續(xù)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(shù)同樣可以用來進行分布式測溫，相比于ROTDR技術(shù)監(jiān)測范圍更廣，但精度略有不足[9]。為及時發(fā)現(xiàn)并判別光電復(fù)合海纜的故障，國內(nèi)陳永等人采用BOTDA技術(shù)對海纜接地、錨害、局部放電等不同類型故障下引發(fā)的海纜光纖溫度、應(yīng)變信號變化進行仿真和計算，推導(dǎo)出光纖傳感信息與海纜故障類型的關(guān)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(yīng)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(jié)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(yīng)變數(shù)據(jù)，但這種方法需要提前設(shè)計傳感光纖結(jié)構(gòu)。

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

（3）利用Brillouin散射的頻移/功率對溫度/應(yīng)變都呈線性關(guān)系的特性，根據(jù)二元一次方程組計算溫度和應(yīng)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(yīng)變的交叉敏感問題，是BOTDR/BOTDA技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以技術(shù)較為先進的BOTDA光纖分布式傳感技術(shù)為例，通過海纜內(nèi)置式單模光纖實現(xiàn)，探測距離可達120 km。海纜中光單元的應(yīng)變值與海纜的應(yīng)變值滿足線性關(guān)系，且小于海纜應(yīng)變值，可以利用光單元的應(yīng)變推算海纜的應(yīng)變。圖4顯示了BOTDA的典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，激光器1產(chǎn)生的光信號被電光（強度）調(diào)制器調(diào)制成光脈沖經(jīng)環(huán)形器注入被測光纖的一端以用作泵浦光，激光器2產(chǎn)生某頻率的連續(xù)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(qū)，將產(chǎn)生受激Brillouin散射效應(yīng)，將泵浦光的功率轉(zhuǎn)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(xù)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(yīng)的光時域反射曲線，得到關(guān)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(shù)據(jù)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(jù)應(yīng)變與布里淵頻移的線性關(guān)系得出散射位置的應(yīng)變分布。

圖4 BOTDA典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 海纜綜合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

總體來說，以上每種光纖傳感技術(shù)的特點不同，適用于不同的監(jiān)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(jiān)測，精度高，成本較高；ROTDR主要用于分布式溫度監(jiān)測，技術(shù)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(yīng)變監(jiān)測，精度和空間分辨率較高，但系統(tǒng)復(fù)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(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，集海纜擾動監(jiān)測、海纜應(yīng)變監(jiān)測、海纜溫度監(jiān)測、海纜載流量評估、AIS（船舶識別預(yù)警）等系統(tǒng)于一體，全方位地監(jiān)測海纜的運行狀況[14]。當海纜出現(xiàn)故障時，光纖傳感監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)會產(chǎn)生明顯的變動，通過比對故障時的監(jiān)測數(shù)據(jù)與標準監(jiān)測曲線，系統(tǒng)以此判斷故障類型并發(fā)出故障警報。同時，通過查找海纜敷設(shè)信息的數(shù)據(jù)庫獲取故障位置的經(jīng)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(fù)提供依據(jù)。

表1 不同光纖傳感技術(shù)的性能特點對比

6 結(jié)論

總結(jié)分析了光纖分布式傳感技術(shù)特點，并介紹了其在光電復(fù)合海底電纜中的典型應(yīng)用情況，主要得到以下結(jié)論：

（1）光纖分布式傳感技術(shù)具有連續(xù)分布式測量、抗電磁干擾等特點，可以實現(xiàn)長距離的監(jiān)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(shù)的需求。

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

（3）基于Raman散射的ROTDR海纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)可以對溫度異常進行預(yù)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(tài)增容提供決策支持。

（4）基于 Brillouin散射的 BOTDR/BOTDA海纜應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)可以對海纜靜態(tài)應(yīng)變進行預(yù)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(yīng)變和溫度的交叉敏感。

（5）海纜綜合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)融合了多種光纖分布式傳感技術(shù)的優(yōu)勢，能夠全方位地預(yù)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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