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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(Raman optical time domain reflectometer, ROTDR)或光频域反射计(optical frequency domain reflectometer,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Nishimoto T和Hirohumi T分别利用光时域反射计(optical time domain reflectermetry, OTDR) 和ROTDR技术,先后对66 k V和6.6 k V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400k V海底电缆和加拿大某海岛上525 k V高压充油海底电缆都采用ROTDR技术进行温度监测;Marc Niklès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(Brillouin optical time domain reflectometer, 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(cross linked poly-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110 k V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110 k V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60 m敷设于海床下2 m的淤泥里,每相海缆长度约3.3 km,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1 km的光纤复合架空地线(optical fiber composite overhead ground wire, 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。 1.2 brllauin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