基于BOTDA技術(shù)的電纜溫度監(jiān)測(cè)

摘要：由于海底電纜深埋海底，其運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)尤為重要。因此，提出基于光纖光時(shí)域反射(OTDR)的布里淵時(shí)域反射分析技術(shù)(BOTDA)的分布式光纖傳感器對(duì)復(fù)合海纜進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。簡(jiǎn)單介紹了BOTDA技術(shù)的原理以及溫度監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)。對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合處理和分析。從實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析中得出基于BOTDA技術(shù)測(cè)量出電纜溫度的變化趨勢(shì)和實(shí)際溫度變化趨勢(shì)是基本吻合的。從而驗(yàn)證了該技術(shù)測(cè)溫誤差小、響應(yīng)時(shí)間短、運(yùn)行可靠且能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離測(cè)量，可有效應(yīng)用于電纜溫度在線監(jiān)測(cè)，為電纜導(dǎo)體溫度的確定提供有效的參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：BOTDA；分布式光纖傳感器；監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)分析；電纜溫度

當(dāng)前，隨著我國(guó)油田在渤海灣淺海地區(qū)石油資源開(kāi)發(fā)規(guī)模的擴(kuò)大，需要敷設(shè)的海底動(dòng)力電纜也越來(lái)越多。由于電纜的高負(fù)荷運(yùn)行和海上的復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境，使得運(yùn)行中的電纜經(jīng)常出現(xiàn)斷路、短路等故障，帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)運(yùn)行電纜進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)將是保障電纜健康運(yùn)行的重要措施。從有關(guān)文獻(xiàn)資料得知，日本學(xué)者Nishimoto T，在1996年對(duì)一個(gè)島上的66 kV的高壓電纜內(nèi)使用分布式光纖溫度應(yīng)變傳感來(lái)監(jiān)測(cè)船拋錨和人為的一些機(jī)械破壞，取得了一些好的效果；1997年，亞喀巴灣橫跨海峽連接約旦和埃及的400 kV海底電纜，采用拉曼散射的分布式光纖溫度監(jiān)視電纜內(nèi)部溫度的變化，從而可對(duì)高壓電纜導(dǎo)線運(yùn)行電流和電壓狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)一直應(yīng)用至今；國(guó)內(nèi)對(duì)陸地高壓電纜的表面溫度也采用基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)?；诶⑸涞难芯恳呀?jīng)趨于成熟，并逐步走向?qū)嵱没??；诓祭餃Y散射的分布式傳感技術(shù)的研究起步較晚，但由于它在溫度、應(yīng)變測(cè)量上所達(dá)到測(cè)量精度、測(cè)量范圍以及空間分辨率均高于其他傳感技術(shù)，這種技術(shù)在目前得到廣泛關(guān)注與研究。文中提出基于光纖光時(shí)域反射(OTDR)的布里淵時(shí)域反射分析技術(shù)(BOTDA)的分布式光纖傳感器對(duì)復(fù)合海纜進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，BOTDA技術(shù)可為電纜的健康運(yùn)行、監(jiān)測(cè)、維護(hù)、管理提供幫助。

1 分布式布里淵散射光纖傳感器原理介紹
伴隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。光纖傳感器提取的是光信號(hào)，這樣光纖傳感器就不會(huì)受到周圍電磁場(chǎng)的干擾，光纖傳感器倒可以將周圍環(huán)境變化引起的電纜的溫度和應(yīng)變變化檢測(cè)出來(lái)。利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，光纖總線既有傳光作用，還有傳感作用，此光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)又稱本征分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱分布式光纖檢測(cè)系統(tǒng)。目前的分布式光纖傳感器主要有兩類：
一類是基于拉曼光纖傳感器，另一類是基于布里淵光纖傳感器。由于拉曼光纖傳感器只能監(jiān)測(cè)溫度，且測(cè)量范圍有限，能滿足電纜應(yīng)變變形監(jiān)測(cè)的需要。因此本實(shí)驗(yàn)選用布里淵光纖傳感器。
布里淵散射基本原理是利用光纖單一截面上的布里淵散射光譜中心頻率的漂移量與光纖所受的軸向應(yīng)變和溫度之間的線性關(guān)系，如式(1)所示
△V(z)=C1·△ε(z)+C2·△T(z) (1)
式中：△V(z)-布里淵光頻移變化量；△ε(z)-傳感光纖z(離入射端面距離)處的應(yīng)變變化；△T(z)-傳感光纖z處的溫度變化；C1，C2-光纖的布里淵頻移應(yīng)變和溫度系數(shù)，1 550 nm波長(zhǎng)的入射光在普通單模光纖中各個(gè)系數(shù)為：C1=0．049 3 MHz／με，C2=1．2 MHz／℃。通過(guò)測(cè)量分析中心頻率的漂移變化，便可得到光纖的外表溫度和軸向應(yīng)變。文中是采用基于光纖光時(shí)域反射(OTDR)的布里淵時(shí)域反射分析技術(shù)(BOT DA)的分布式光纖傳感器進(jìn)行溫度的測(cè)量。結(jié)合渤海灣海域海底電纜的現(xiàn)場(chǎng)情況，我們?cè)O(shè)計(jì)定做了一段26／35 kV的XLPE海底電纜作為實(shí)驗(yàn)電纜，在XLPE電纜成纜過(guò)程中實(shí)現(xiàn)內(nèi)部三相填充物之間加入三組光纖，復(fù)合海纜結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。