复合海缆在线监测研究

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(1.油建公司 电气仪表自动控制技术服务中心，天津 300452；2.上海海事大学 信息工程学院，上海 201306)

1 复合海缆现状

复合海缆是海上电网的主要大型电气设备之一，其施工和维护工程庞大、技术复杂。由于受施工设施、施工技术、电缆的高负荷运行、海域的复杂地质结构和海上复杂运行环境等因素的影响，使得常常发生海底光缆局部意外受力而使光纤单元受损，或使运行中的海底动力电缆出现断路、短路等故障。因此，对复合海缆施以重点保护工作是施工应用中的首选。

如今的复合海缆的保护措施主要是埋设、水泥压块保护以及设置工程标志等。所有的措施都仅仅是对复合海缆免受外力的一些保护措施，而最为重要的内部隐患的监测却由于受到环境等因素的制约无法实现。这也就意味着缺乏后续安全保障机制监控复合海缆安全状态，在所有海洋平台电气设备中，只有复合海缆这一重要设备不能实现巡检和监控，不能及时掌握其运行状态并及时作出调整管理，对内部因素引起故障的原因更是无从查找[1-2]。

2 光纤传感监测技术

近年来分布式光纤传感技术研究与应用不断发展，使得对复合海缆的在线监测、 诊断、预测成为可能。根据技术原理不同，分布式光纤传感器主要有基于瑞利散射、拉曼散射和布利渊散射三种。其中基于瑞利散射光纤传感器只能检测断点，基于拉曼散射的分布式光纤测温技术(ROTDR)由于监测距离短而无法满要求。基于自发布里渊散射技术(BOTDR)在国内复合海缆温度、应力监测中有一定应用，但测量精度及相应时间太长等原因已无法满足长距离复合海缆的高精度测温要求。 布里渊光时域分析技术(BOTDA)采用的放大的布里渊散射信号，具有信号检测相对容易，测量距离更加远，精度更加高等优点。BOTDA 技术在国外得到广泛的研究，实际工程应用也非常广泛，目前国内受限于BOTDA设备的研制，尚无类似的实际应用。

基于光纤传感技术的应用，目前主要有以下几种，基本性能对比见表1。

通过对比发现，基于 BOTDA 技术的分布式光纤传感器具有测量光缆全程温度与应力的能力，测量距离远、精度高、响应快，且光纤本征防雷，抗电磁干扰性能好，因此特别适用于长距离、复杂环境等场合温度、应力监控，如长距离复合海缆施工状况监测、运行状况监测，通过对所测量的温度、应力的分析，可得出复合海缆安全状况，为维护电网的安全运行提供科学数据，可以有效减小复合海缆故障的可能性，并推进电网实现智能化。

表1 光纤传感技术性能对比

3 基于BOTDA 技术的分布式监控系统

基于分布式光纤监测系统利用复合海缆内部的单模光纤作为分布式传感器，通过采集记录的光纤布里渊散射频率偏移及谐波测试仪数据，对发生的故障原因进行分析，找出引起故障的最可能原因。

图1 光纤散射频率偏移

图2 布里渊散射频谱偏移

通过分析可以看出，布里渊散射光谱由温度、形变直接决定，具备了研究利用的条件，关系式如下。

Vb=Nb0+CT(T-T0)+Cε(ε-ε0)

(1)

基于分布式光纤监测原理的在线监测系统主要由数据采集单元，数据分析单元，数据处理单元三部分组成。

数据采集单元即BOTDA传感子系统，传感子系统完成感应温度、应力信息，并将感应到的信息传输至 BOTDA 信号处理子系统的功能，本传感子系统使用普通的单模光纤同时感应与传输温度、应力信息。可由两根在复合海缆内部的光纤构成单回路型传感子系统，则可根据布里渊频移量同时测量温度与应力。

数据分析单元是利用BOTDA采集的实时数据，以及历史数据进行实时的分析、比对。通过光纤各点的温度数据变化和应力数据变化，推导分析所对应的复合海缆动力线芯的细微变化。在复合海缆的整条线路上，一旦有异常变化，例如出现温度的异常变化或持续上升等，即可实时发现。根据情况的变化，给电力调度工作提供可靠的分析数据，采取积极的措施，抑制问题的持续和进一步扩大，防止事故发生。这是整个系统的关键，其难点主要在于通过分布式光纤采集的数据如何能够与复合海缆的动力线芯建立对应关系。复合海缆在结构方面不同于陆地的高压电缆，其结构更为复杂。其内部的光纤单元与动力单元并没有直接的对应联系，间隔数层的材料结构。且周围环境的变化也对这种温度的对应传导关系产生直接的影响。这就要求对复合海缆的工作温度场及应力形变进行精确的数学建模。另外，由于采集的实时性，以及采集的数量，数据分析单元将面临海量的数据量分析。在海量数据运算时，可以利用并行计算技术提高运算速度，但本监测系统不同于多服务器连接的云计算，需要研究快速运算算法。这也是系统建立关键所在，直接决定系统的实时性。系统检测数据对比见图3，其中每条独立曲线代表一段时间内海缆重复测温的结果。

图3 监测数据对比图

信号处理子系统实现布里渊探测光信号的发射与采集，对采集到的信号进行分析处理，给出海缆全程的温度、应力分布信息，当海缆异常时，给出报警信号。

分布式光纤监测系统的数据采集设备即BOTDA，目前国内不能制造，只能通过进口解决，但仅有该测试设备不能完成海缆监测任务，需要设计具有针对性的接口平台，通过该接口连接到监制中心，将实时采集的温度、应力形变数据与数学建模的结果进行比对，然后做出合理判断。由于分布式光纤传感系统实时采集数据，数据传输波特率高，监测系统周围大型设备的电磁干扰严重，且工作环境复杂，因此，需要设计抗电磁干扰及应对潮湿环境的高速数字处理电路，这是本课题工程化实现的实质性工作，需要反复实验验证。

4 结束语

本监控系统对于解决复合海缆的受控安全稳定运行益处多多，海缆在运行过程中时，系统可在线监测海缆温度、应力等重要运行参数。当发现运行异常时，采取必要措施控制复合海缆的温升，减缓其故障的趋势；制定科学的检修计划，避免突发事故带来的损失；在发掘海缆使用潜力的同时避免损坏，实现海缆科学管理。在复合海缆发生不可避免的故障时，可以在第一时间定为海缆的故障点，为后续的修复施工赢取宝贵的时间。同时，本监控系统的实现也是一个多学科交叉的复杂的研究过程，科学攻关的难点较多，需要在后续的开发应用过程中逐一完善。

[1] 高建新.光纤分布式监测系统在关键动力电路中的应用[J].石油化工安全技术,2002,18(6):38-40.

[2] 蒋 奇,徐于超,康彦森,等.基于分布式布里渊光纤散射传感的海底动力电缆监测技术研究[J].检测与仪表,2009,36(4):41-43.