分布式光纤传感技术在涠洲岛跨海联网工程中的应用研究

覃 华， 徐志钮， 袁柏秋， 甘涌泉

(1.广西电网公司 电网规划研究中心， 南宁 530000；2.华北电力大学 电气与电子工程学院， 河北 保定 071003)

随着涠洲岛的用电负荷随着旅游业的增加而快速增长，岛内用电缺口越来越大，同时由于缺乏主网支撑，台风等自然灾害容易使涠洲岛供电系统瘫痪。为了解决该问题南方电网公司批准了涠洲岛跨海联网工程，该工程拟采用光电复合交流高压海底电缆(下文简称海缆或高压海缆)输电。

海缆不仅造价十分昂贵，更为关键的是它长期处于复杂的海底环境中，运行和维护都非常困难，一旦发生故障停电造成的危害更大。因此，较之陆地电缆，海缆的寿命和可靠性方面的要求更高。高压海缆在海底运行时还会承受电应力、热应力、机械应力(地质变动、海洋潮汐、船只落锚、钩挂、拖拽等破坏)和环境应力(海水的冲刷、侵蚀、微生物危害)的作用[1]，对海缆破坏的影响较大[2]。随着海洋开发利用活动的日益增加，海域内船只的落锚和拖拽以及海浪冲刷和地质变动等可能会破坏海缆的事件会增加。海缆事故的发生比较频繁、造成的后果也比较严重，有统计表明埕岛油田2003-2013年海缆发生了37次故障[2]，2007年7月，福建平潭110 kV海缆被船锚拖断造成全岛大面积停电27天，损失严重，对社会造成重大影响[3]。相对于陆上电缆来说，海缆维修难度大，时间要求紧，施工风险大，维修成本也是陆上电缆的几十甚至几百倍。故障点的准确定位可以极大提高维修效率，对于海缆后续维修非常关键。因此，研究海缆状态在线监测、故障诊断及定位的有效方法，对于确保电网安全稳定运行、实现智能电网，保障我国海岛供电和海洋权益具有重要意义。

为了更好实施涠洲岛跨海联网工程，广西电网公司联合华北电力大学对涠洲岛海缆监测系统进行了前期研究提出了切实可行的解决方案。本文首先介绍了涠洲岛跨海联网工程及其实施的必要性，然后在综述了现有海缆检测手段及其不足的基础上，提出了一种基于分布式光纤传感技术的海缆温度、应变快速监测方法，详细介绍了分布式光纤传感技术原理以及测量方案并进行了验证。针对现有海缆在线监测系统的不足，采用有限元分析方法建立了海缆热电耦合场和应变场模型，提出了构建实测光纤温度、应变到海缆运行和故障状况的关系模型以及基于光纤温度和应变的海缆运行、绝缘和机械状态评估和故障诊断方法的研究思路并初步进行了验证。本文工作对涠洲岛跨海联网工程中海缆的监测及海上风电平台、海上石油钻井平台、大陆与岛屿、岛屿与岛屿间等跨海联网工程海缆监测具有较强的示范作用和推广价值。

1 涠洲岛跨海联网工程介绍

涠洲岛位于广西北海市东南面北部湾海域中，距北海约37公里。涠洲岛致力于打造成国内一流、国际知名的休闲度假海岛，高规格的发展思路对能源供应提出了更高的要求。但长期以来，涠洲岛电力供应来源单一、可靠性较低。随着涠洲岛旅游业的快速增长，近几年岛上用电负荷每年以30%以上的速度增长，2017年已出现2～4 MW电力缺口，而且主要是燃气电厂供电，用电价格偏高，对涠洲岛民生保障和旅游产业发展影响极大。此外，涠洲岛电网由于缺乏主网支撑，一旦发生台风等自然灾害，岛内供电系统可能瘫痪。而附近的斜阳岛仅通过自备柴油发电机供电，尚不能确保24小时不间断供电，岛上居民和驻军的用电可靠性较低。所以，有必要研究涠洲岛与北海主电网跨海联网方案，解决涠洲岛孤网运行问题，为边防驻军提供可靠坚强的电力保障。

前期广东电力设计研究院从供电能力、供电可靠性、建设条件、投资估算及经济比较和电价角度比较了潜在的不联网仅发展本地电源模式、本地电源主供加联网辅助模式和联网海缆线路主供模式，推荐采用联网海缆线路主供加储能模式作为涠洲岛供电方案。联网工程中海缆铺设示意图如图1所示。

图1 涠洲岛联网工程中拟定的海缆铺设示意图

2 分布式光纤传感技术

2.1 现有海缆检测手段的不足

目前针对电缆绝缘状态的监测技术主要有以下几种：①介质损耗角正切(tanδ，简称介损)法，绝缘受潮、老化或发生局部放电时tanδ会增大，通过测量tanδ可以反映绝缘的整体性能[4]；②局部放电法，局部放电发生时在绝缘上会产生电压的突变、特高频的电磁波以及振动产生超声信号。对应地，局部放电的检测方法又可分为脉冲电流法、特高频法和超声波法[5]等；③接地电流法，绝缘老化或受潮后绝缘电阻通常会有不同程度下降，相应地，工作电压下的泄漏电流会增加，故通过测量接地电流可以判断电缆护套的状态[6]；④红外热成像法[7]，泄漏电流和局部放电都会导致绝缘发热并温升，可用红外热像仪检测电缆附件。这些方法广泛应用于电缆检测，对其可靠性的提高发挥了显著的作用。由于现场电磁干扰强烈，前文提到的几种基于电气量的海缆绝缘检测方法误差偏大。局部放电检测的超声法和特高频法仅能对海缆陆上部分的故障进行检测，红外热成像法只能监测电缆头等局部区域，它们均无法应用于埋入海底的海缆部件的监测。上述方法在海缆运行状态(载流量)、绝缘状态(老化、劣化、受潮和局部放电、击穿)检测的有效性欠佳，更为重要的是它无法监测海缆由于地质变动、海洋潮汐、拉伸、拖曳、弯曲、钩挂、锚砸等导致的机械故障。

综上所述，以上方法无法为海缆全寿命周期范围内可能出现的运行、绝缘和机械状态进行监测。如果未能及时进行故障预警，一旦发生故障，经济损失巨大，因此迫切需要一种不受电磁干扰、安全可靠、长距离、不仅可以监测运行状态和绝缘故障、机械故障的在线监测方法，而且设备还能耐海水腐蚀，分布式光纤传感技术[8-9]正好可以满足这一要求。

2.2 分布式光纤传感技术

光在光纤中传播可能会发生瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射[10]，如图2所示。

图2 瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射示意图

对应的分布式光纤传感技术主要包括基于瑞利散射的光时域反射技术(Optical Time Domain Reflectometry，OTDR)、基于拉曼散射的分布式光纤温度传感技术(Raman Optical Time Domain Reflectometry，ROTDR)和基于布里渊散射的分布式光纤温度/应变传感技术。OTDR利用背向散射光的强度提供对光纤衰减的测量，它主要用于测量弯曲、接续、损坏等产生的损耗沿光纤的空间分布，也可用来进行光纤断裂等故障的空间定位。拉曼散射主要对温度敏感，因此ROTDR主要实现温度的分布式测量。三者中只有布里渊散射同时对温度和应变敏感，可以实现温度和应变的测量。根据传感机制、信号处理方法的不同，基于布里渊散射的分布式光纤温度/应变传感器技术又分为基于自发布里渊散射的布里渊光时域反射(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer，BOTDR)技术、基于受激布里渊散射的布里渊光时域分析(Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA)技术、基于频域分析的布里渊光频域分析(Brillouin Optical Frequency Domain Analysis，BOFDA)技术和基于相干连续波的相关域布里渊传感(Brillouin Optical Coherent Domain Analysis和Brillouin Optical Coherent Domain Reflectometer，BOCDA和BOCDR)技术。目前最为常用的还是BOTDR或BOTDA技术。该技术通过测量布里渊散射光，根据其中的布里渊频移vB和散射光强PB(图3)来实现温度和应变的传感。

图3 布里渊谱、布里渊频移和散射光强示意图

由于布里渊频移与光纤温度和应变的关系满足式(1)和(2)。

vB(T)=vB(T0,0)(1+CνTδT)

(1)

νB(ε)=νB(T0,0)(1+Cνεδε)

(2)

式中δT为温度变化量；vB为布里渊频移；δε为应变变化量；vB(T0, 0)为温度和应变分别为T0和0时的布里渊频移；CvT和Cvε分别为针对布里渊频移的温度和应变敏感系数。

根据式(1)和(2)以及实测的布里渊频移即可推算出导致布里渊频移变化的温度和应变的变化量[11]。但该方式仅能将布里渊频移变化归结为仅由温度或应变导致，无法同时测量温度或应变。考虑到温度与应变与布里渊频移和散射光强均成线性关系，即满足：

(3)

式中δPB为散射光强的变化量；CPT和CPε分别为针对散射光强的温度和应变敏感系数。

求解式(3)可得温度和应变变化量计算公式[12]如下。

(4)

由于针对布里渊频移和散射光强的温度和应变敏感系数具有差异性，即满足：

CνTCPε≠CνεCPT

(5)

因此，基于式(4)有望实现海缆中复合光纤的温度和应变的同时测量。

分布式光纤传感器不仅具有普通传感器所具有的尺寸小、耐高温和电磁干扰等优点，还具有一条光纤即可代替成千上万个传感器、一次测量即可获得几十公里范围内温度和应变数据等优点。由于高压海底光电复合缆有大量备用光纤，利用备纤以及布里渊分布式光纤传感技术完全有可能实现海缆温度和应变的测量，进一步地可实现海缆状态监测。该方法无需敷设额外的光纤，同时监测用的光纤也无需人工维护，成本较低且可以实现整条海缆状态的在线监测，具有很好的应用前景。因此涠洲岛跨海联网工程中海缆本体的监测采用基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。

现有基于光纤分布式传感的海缆在线监测系统[12-13]存在的问题主要有：①温度和应变测量耗时较长，尤其是针对海缆较长时实时性较差；②针对测量得到海量数据应用的方法不多。

3 分布式光纤传感在涠洲岛海缆监测中的应用

3.1 在线监测方案

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术主要包括BOTDR技术和BOTDA技术，二者对温度和应变的传感原理相似，如2.2节所示。区别在于前者是基于光在光纤中传输自发产生的布里渊散射导致，信号比较微弱，检测更为困难，同等条件下测量精度和传感距离偏低。但它的优势是单端入射，测量系统集中在一端即可。BOTDA技术基于受激布里渊散射，信号较强，基于它的传感器的测量精度和传感距离更远。但该方式需要光纤双端入射，且不能确定断点位置，系统结构较复杂，造价较高。综合考虑涠洲岛海缆实际情况，本系统拟定BOTDR技术构建海缆温度和应变的综合监测系统。

基于BOTDR的光电复合高压海底电缆状态监测系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要由监控计算机、定制的BOTDR和复合于海缆中的传感光纤组成。其中，BOTDR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4所示。测量时光源发出的连续光，它被定向耦合器分成两部分，一部分由电光调制器(Electrical Optical Modulator, EOM)调制为脉冲光后入射到传感光纤，另一部分作为本振光。同时，入射的脉冲光在光纤中传播的同时发生布里渊散射，散射光与本振光一起入射到光电检测器进行外差检测，取出差频分量，对本振光进行扫频获得布里渊谱信号，它直接反映入射光频率与散射光频率之差与散射光强的关系。目前该系统已经在实验室中构建。

采用数字信号处理方法再结合谱特征量提取方法对布里渊谱进行分析处理，可获得较为准确的布里渊频移vB和散射光强PB的测量值。然后根据式(1)、(2)或(4)来计算散射点光纤的温度和应变值，再根据入射光与背向散射光时间差来确定散射点位置，最终得到光纤各点的温度或应变值。软件部分主要包括：①各种设置的控制，比如测量参数的设置、报警临界值的设置；②布里渊频移和散射光强以及温度和应变的计算及测量结果不确定性的评估；③实测温度和应变数据的显示、存储和查询；④基于光纤温度和应变的海缆状态评估和故障诊断。

图4 基于BOTDR的海缆温度和应变综合监测系统构成框图

常规的基于布里渊散射的海缆监测系统通过扫频测量布里渊谱方式测量温度或应变，但由于为准确测量布里渊频移需要较多的扫频点数耗时较长，而频率切换进一步增加了测量时间，导致系统实时性较差。为此，项目组在分析布里渊谱模型的基础上将一种快速布里渊频移测量方法[14]引入到海缆监测系统中，该方法无需增加硬件环节而使监测系统同时能有效减少温度、应变的测量时间。

当脉冲宽度较大时布里渊谱表示如下：

(3)

式中g0为布里渊增益峰值；ΔvB为线宽；v为频率(频移)；vB为布里渊频移；gB为增益。

当频率固定为v0时改变布里渊频移vB，则增益gB变化如图5所示。

图5 频率固定时布里渊频移与增益的关系

如果布里渊频移在图5的线性区间范围内，布里渊频移的变化导致v0对应增益近似线性变化，基于测得增益即可预测布里渊频移，进而获得光纤对应位置的温度和应变。

基于中电科仪器仪表有限公司生产的AV6419型光时域反射计(BOTDR, Brillouin Optical Time Domain Reflectometry)搭建了光纤布里渊散射信号测量系统，选择了1 km左右的G657A2型光纤。扫频范围为10.52～10.92 GHz，扫频间隔为1 MHz，入射脉冲光波长和脉宽分别为1 550 nm和200 ns。叠加平均次数为214。为了采集更多的谱，采样分辨率设置为0.1 m。综合分析光纤特性及实际情况后快速应变测量方法的v0设置为10.704 GHz。由于脉宽为200 ns时布里渊谱近似满足洛伦兹模型，因此对于实测布里渊谱信号采用基于洛伦兹模型的拟合算法[15]提取布里渊频移，且扫频间隔较小扫频点数较多时这种基于非线性最小二乘拟合算法通常认为具有足够高的准确性。两种方法的计算结果如图6所示。由图6可知，两种方法算得布里渊频移随测量点(光纤位置)变化趋势比较吻合，二者差距并不大，差距的均值仅为2.80×10-1MHz，如果考虑温度和应变敏感系数的典型值分别为1.2 MHz/℃和0.05 MHz/με，则该差距对应温度和应变的差距仅分别为0.23 ℃和5.61 με。也就是说快速方法的准确性与普通扫频方法接近，但前者仅需要测量1个频率点，后者需要测量401个频率点，而且前者无需耗时较长的频率切换操作[16]。因此快速方法不仅有望达到不错的测量准确性而且测量耗时大大减少。由于温度和应变与布里渊频移成线性关系，获得布里渊频移数据后结合式(1)和(2)即可获得光纤上的温度或应变，快速的应变测量即为振动测量。同时测量时间也与长度成正比[16]，因此，系统对于长度较短的海缆也具备一定的振动测量能力。

图6 慢速的谱扫频方法和快速的固定频率方法得到布里渊频移

3.2 基于温度和应变的海缆状态评估和故障诊断方法

海缆的运行状态(载流量、温度、电压)、绝缘状态(整体和局部的老化和受潮，局部放电，绝缘击穿)和机械故障(拉伸、拖曳、弯曲、钩挂、锚砸、海浪冲刷、海缆断开)等都会使光纤的温度和应变发生变化。正确识别出故障原因并评估严重程度，对于合理安排检修计划、制定检修方案具有重要意义。目前已建立的基于BOTDR或BOTDA的海缆状态监测系统[12, 17]积累了大量光纤温度和应变数据，但如何根据实测数据去评估海缆实际状态、诊断海缆故障情况需要进一步研究。本节介绍了项目组在这方面的研究思路和前期工作。

为了能有效监测海缆状态和诊断故障情况，需要建立实测光纤温度和应变到海缆运行状况和故障状况的关系模型。但由于真型海缆开展实验的条件要求较高，而且如果全部采用实验方式模拟海缆各种运行状态耗时耗力且成本很高。因此，项目组前期采用有限元方法构建了海缆的热电耦合场模型和应变场模型。

交流海缆正常运行过程中的主要热源包括缆芯、金属屏蔽层和铠装层的焦耳损耗以及绝缘层的介质损耗，计算这些损耗并添加到模型中作为热源。模型中同时考虑通电导体电阻的动态温升效应，耦合导体周围交变磁场产生的趋肤效应和邻近效应，采用有限元方法进行模型求解。分析环境温度、载流量、海床土壤参数、绝缘的介损值、绝缘电阻值、故障区域形状和位置等因素对光纤温度分布的影响。由于涠洲岛跨海联网工程尚未具体施工，海缆的型号尚未最终确定，项目组针对典型的110 kV YJQ41×300 mm2光电复合海底电缆进行了建模分析。在COMSOL中的建模、剖分和计算结果如图7-图9所示。模型中d=5 m，设置海水的对流换热系数h=200 W/(m2·K)。海缆载流量设置为额定值500 A。由于模拟夏季涠洲岛附近海域情况，T1和T2的初始值设定为28 ℃，其等于海水和土壤的原始温度。计算结果与改进IEC60287标准[18]计算结果及其差别如表1所示。

图7 海缆热电耦合场建模

图8 海缆模型网格剖分

图9 海缆温度分布仿真结果

由表1可知，在缆芯和光纤温度上两种方法仅分别差0.09 ℃和0.08 ℃，而在海缆表层二者温度相差为0.59 ℃，这是因为IEC标准方法在计算模型绞合结构的热阻时引进的修正系数造成了较大误差，而建模方法就不涉及上述问题。这初步验证了以上建模方法的可靠性。

通过改变模型中的环境参数、载流量、海缆绝缘参数即可模拟环境、运行和绝缘状态对光纤温度的影响。因此，以上建模方法为相关因素对海缆中复合光纤温度变化规律以及根据复合光纤温度预测海缆绝缘状态、诊断绝缘故障的研究奠定了基础。根据海缆热电耦合模型研究获得海床温度、光纤温度与导体温度的关系模型，基于该模型获得根据海床温度和光纤温度的导体温度预测方法。

表1 基于改进IEC标准方法和建模所得的海缆关键点温度

由于地质变动、海洋潮汐、拉伸、拖曳、弯曲、钩挂会导致海缆的拉伸和扭转，它与锚砸一起是海缆在运行中可能遭受的典型机械受力和破坏情况。为了分析直线拉伸、扭转、锚砸等情况对海底电缆各部件应变、应力的影响规律，分析海底电缆应力或应变及光纤应变之间的变化规律，本文提出采用有限元方法建立海缆的应力场模型，揭示以上各种故障情况下海底电缆应力或应变、损伤与光纤应变之间的变化规律，然后提取出基于光纤应变的海缆机械故障诊断方法的研究思路。本文采用有限元法在ANSYS中构建了锚砸时110 kV YJQ41×300 mm2光电复合海底电缆应力场模型，选取最具有代表性的660 kg霍尔锚作为锚砸故障的建模对象，考虑实际情况对锚进行了适当简化，锚砸深度设置为8 cm，建立的模型和计算结果如图10所示。根据以上建模结果可以提取出锚砸过程中海缆各部件的应变、应力、损伤程度以及光纤应变的变化，研究基于光纤应变评估海缆机械损伤程度的方法。

图10 锚砸状态下的海缆的建模和仿真结果

根据建模结果再结合海缆相关实验进一步修正和调整海缆模型，根据海缆绝缘和机械故障情况下光纤应变的变化规律确定基于光纤测量结果的海缆绝缘和机械故障诊断方法。

4 结论

针对即将开展的涠洲岛跨海联网工程，本文基于光纤布里渊光时域反射技术，引入并验证了一种快速布里渊频移测量方法，基于此提出了一种高实时性的海底电缆温度和应变的综合监测方法，探讨了监测系统的构成。进一步采用有限元方法构建了海缆的热电耦合场模型和应变场模型并进行了初步验证，为基于光纤温度、应变的海缆运行、绝缘和机械状态评估和故障诊断方法的提出奠定了基础。

本文提出的解决方案对涠洲岛跨海联网工程中光电复合缆监测系统的实现具有很好的指导价值，对类似跨海光电复合缆监测系统的实现具有很好的参考价值。