最新分布式光纤传感在海底电缆检测中的应用.docx
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最新分布式光纤传感在海底电缆检测中的应用
分布式光纤传感在海底电缆检测中的应用.
分布式光纤传感在海底电缆检测中的应用
第31卷第208期电力系统通信Vol.31No.208
2010年2月10日TelecommunicationsforElectricPowerSystemFeb.10,2010
0前言
随着国内外邮电通信事业的不断发展,我国
海底电缆的施工作业量已日趋增多[1]。
海底电缆由
于接触船舶的锚和渔具等,不能完全避免外伤损
坏。
因此,检测由外伤引起的海底电缆变形,已成
为提高海底电缆可靠性的一项重要技术,该技术
与海底电缆的开发同步发展[2]。
同时,为防止海底
电缆故障,海底电缆的工作缆温也必须实时在线
监测,以保证海底电缆系统的安全运行。
海底光纤复合电力电缆在传输电能的同时,
又能实现通信信号传输,由于具有诸多的优点,越
来越多地受到客户的青睐。
特别是随着光缆市场
价格的下降,使得海底电缆中复合光纤单元几乎
不增加海底电缆的造价,因此,海底光纤复合电力
电缆的应用越来越广泛[3]。
近年来,随着光纤应用
技术的发展,分布式光纤传感系统只需随海底电
缆敷设传感光纤就可分别提供整条电缆的运行温
度和应变信息。
该系统具有无干扰、无辐射、施工
简单、安全性高等特点,可为海底电缆的温度、应
变检测和安全运行提供科学依据,从而有效地避
免海底电缆安全事故的发生。
1分布式光纤传感基本原理
1.1布里渊光时域反射传感原理
光纤检测的原理是基于后向布里渊散射效
应。
激光脉冲与光纤分子相互作用发生散射,散射
时,入射光波和光纤中的热激励声波相互作用产
生的一种非弹性散射。
1950年,Krishnan对布里渊
散射做了最初的研究,且证实布里渊散射的频移
和强度与温度和应变存在线性关系。
通过测量沿
光纤长度方向的布里渊散射光的频移和强度就可
以得到光纤的温度和应变信息。
由于声波的存在,光纤的密度发生变化,从而
对光纤的介电常数和折射率进行周期性的调制。
光纤中超声波的传播,使布里渊散射光产生一个
多普勒频移——
—布里渊频移,其计算公式为
v
B
=2nv
a
/λ
p
（1
式中v
B
为光纤中的声波速度;n为光纤纤芯折
射率;λ
p
为泵浦光波长。
声波的指数衰减特性使得
布里渊散射谱呈洛伦兹分布。
由温度和应变引起的布里渊频移和强度的变
化可用矩阵表示为
△v
B
△P
B
=CvtCvε
C
PT
C
Pε
△T
△ε
（2
式中C
vt
和C
vε
为布里渊频移的温度和应变系
数;C
PT
和C
Pε
为布里渊散射强度的温度和应变系
数。
通过求解矩阵方程即可得出温度和应变的变
化。
如果系数矩阵的逆矩阵为非奇异矩阵,即C
vε
C
PT
≠C
vt
C
Pε
则解存在[4]。
1.2光纤光时域反射定位原理
光时域反射OTDR（OpticalTimeDomainRe-
45
··
flection主要用于检验光纤损耗特性及光纤故障,同时也是分布式光纤传感系统的基础,基于背向散射光纤分布式传感器的测量原理如图1所示。
图1OTDR距离定位原理
Fig.1Schematicdiagramofdistancelocation
basedonOTDR
当脉冲在光纤中传输时,由于光纤中存在折射率的微观不均匀性会产生瑞利散射,若入射光经背向散射返回到探测器端所需的时间为t,光脉冲在光纤中传输的路程为2L,则2L=vt,其中v是光在光纤中的传播速度,v=c/n,c为光在真空中的速度,n为光纤的折射率。
那么,在t时刻测量到的就是离光纤入射端距离为L处的背向瑞利散射光。
而空间域光纤的瑞利背向散射光子数为
N
R=K
R
Sv
4
N
e
exp（-α
L（3
式中N
e为射入光纤的光脉冲所含光子数;K
R
为
与光纤瑞利散射截面相关的系数;S为光纤背向
散射因子;v
0为入射激光光子频率;α
为入射光
在光纤中的损耗;L=ct/2n为被测物理场到光源的长度[5]。
2海底电缆检测系统
用于海底电缆的分布式光纤传感检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、测量设备和传感光纤组成。
其中,测量设备包括光源、光脉冲形成单元、光电检测单元和数据处理单元,如图2所示。
光源发出的连续光被定向耦合器分成两部分,一部分由电光调制器（EOM,Electro-OpticModulator调制为脉冲光后入射到传感光纤,另一部分作为本振光与散射光一起入射到光电检测器进行外差检测,取出差频分量,即布里渊频移信号。
对布里渊频谱进行分析处理,可获得布里渊频移和强度的测量值,再经转换为光缆各点的温度或应变信息而输出。
软件部分完成各种设置的控制,对实时数据进行分析,可通过设定各种温度应变的报警类型及输出温度或应变的异常点,来实现显示和查询功能[6],并可保存各时刻数据。
图2海底电缆检测系统
Fig.2Submarinecabledetectionsystem
3工程应用探讨
3.1传感光纤的选用
用于海底电缆的分布式光纤技术,传感光纤通路同时被用作传感器和信号通道,以使终端机远离测量现场,从而彻底避免电磁干扰。
针对海底电缆的复杂环境,选择一种合适的传感光纤至关重要。
碳密封涂覆光纤可应用于发电厂、海底、油田、天然气井等存在大量的水、氢气、腐蚀、高温高压、高应力、强电磁场的场合,它用光纤传感技术代替传统的电子传感技术。
高强度碳涂覆光纤是在拉丝过程中把碳沉积在光纤表面,然后再涂覆紫外固化涂料,整个工艺在拉丝过程中完成。
这种新型单模光纤具有耐腐蚀、耐高温、耐高压、抗疲劳性、抗氢损等特性[7]。
3.2碳密封涂覆光纤的特性分析
碳涂覆光纤的优点不仅表现在不破坏光纤光学特性上,而且还能够提高光纤的机械性能,同时呈现良好的抗水及抗氢渗透能力[8]。
3.2.1耐腐蚀特性
光纤表面的密封涂碳层可以增强光纤的耐腐蚀特性。
密封碳涂覆光纤暴露于氢气中时,可把光纤密封碳涂层看作一层半无限厚材料,它是一种紧密结构的密封涂层,足以阻止水和氢进入光纤内部。
通过试验碳涂覆光纤的氢渗透能力,碳密封涂覆光纤的抗氢气渗透因子RH
2
大于99%,证明碳密封涂覆光纤抗氢气性能远远优于非碳涂覆光纤。
抗氢气渗透因子表达式为
电力系统通信2010,31（20846
··
R
H
2=1-[（A
C1
-A
C0
/（A
O1
-A
O0
]（4
式中A
C1,A
C0
A
O1
A
O0
分别为碳密封涂覆光纤
和参考光纤氢渗透试验后和试验前的光损耗值。
同样的水渗透试验可证明碳涂覆光纤有极好的阻水性能[9]。
3.2.2抗疲劳特性
为了测试碳密封涂覆光纤的静态疲劳特性,在20℃空气中用卷绕法（将光纤卷绕在不锈钢制的芯轴上,施加弯曲应力进行光纤断裂时间的测量。
空气中的疲劳常数n,对于涂碳光纤n值在200以上,对于涂铝光纤n值为60~80。
据分析,光纤碳涂覆温度在1000℃以上,而涂铝光纤在进入涂覆之前的光纤温度接近于室温,因此,光纤表面会吸附水分,使疲劳常数降低[10]。
光纤的长期疲劳试验说明碳密封涂覆光纤具有很好的抗疲劳特性。
3.3碳涂覆光纤安装结构
带有传感光纤的海底电缆的安装剖面如图3所示。
图3内嵌式传感光纤安装剖面
Fig.3Installationsectionofembedded
sensorfibers
复合在海底电缆中的传感光纤有2种,一种用于感应电缆温度的碳密封涂覆光纤,被置于较深的骨架槽内,使光纤不易受侧压而引起外伤;另一种用于外伤传感的碳密封涂覆光纤,被置于在较浅的骨架槽中,使光纤对外伤侧压敏感。
该海底光纤复合电力电缆是把均匀置放在海底电缆浅槽中的8根应变传感光纤和均匀置放在深槽中的3根感温光纤分别首尾连接,这种结构可以将电缆截面全方位（360°侧压引起的温度和应变信息量用分控站一次测定。
分控站按主控站要求传送数据。
通过置放在不同位置的碳密封涂覆光纤,可以分别检测海底电缆温度和应变信息,保证海底电缆正常运行。
每根感温光纤外围都有不锈钢管护套,以防止机械损伤和水的侵入。
目前,国外一些生产厂家所使用的加工方法是,将一根具有良好柔韧性的空不锈钢管或铝管装在海底用电缆内部,或是在电缆安装好后固定在电缆表面,然后把传感光纤吹入空管子中[11]。
按照这种方法,传感光纤的安装将不受电缆制造和安装过程的影响。
另一种传感光纤的安装方法是把4根碳密封涂覆传感光纤顺着海底电缆方向紧贴缠绕在电缆外层,安装截面如图4所示。
这种表贴式光纤虽然不能准确地反映电缆温度的变化,但是对海底电缆埋设处热阻率和电缆应变变化比较敏感,同时可以减少传感光纤的安装成本[12]。
通过这4根传感光纤,海底电缆线路上每一个截面温度和应变信息可被完全检测。
图4表贴式传感光纤安装截面
Fig.4Installationsectionofsensorfiberonsurface
3.4碳涂覆光纤的实用化
自从碳涂覆光纤抗疲劳性能得到证实以后,各国对碳涂覆光纤的实用化投入了巨大的努力,反映在3个方面:
一是开发大规模生产碳涂覆光纤的技术;二是研究碳涂覆光纤的连接技术;三是将碳涂覆光纤引入各种光缆结构进行试验,或敷设试验线路和实用线路[13]。
碳密封涂覆光纤已成功应用于海底光缆、军用制导光纤及苛刻环境下的光纤传感系统中[14]。
电力系统通信用架空地线缠绕光缆是20世纪80年代初期开始开发的新型光缆,1992年开始商品化应用。
据报道,这种光缆由于使用条件十分苛刻,采用了碳涂覆光纤。
在国外,挪威AlcatelKabel公司于1990年将碳密封涂覆光纤用于重铠装的开放式海底光缆结构中,于1991年3月敷设于新西兰的库克海峡。
这是世界上第一条采用碳涂覆光纤的商用海底光缆,其2根海底光缆每根长43km,内含12根绞合的单模碳密封涂覆光纤[13-14]。
在要求高机械可靠性的领域中,碳密封涂覆光纤是一种有前途的应用材料。
此外,由于它能够用金属涂覆,从而可焊接,因而极具吸引力。
这种光缆可在以下场合应用。
·开发与应用·李荣伟等分布式光纤传感在海底电缆检测中的应用47
··
Applicationofdistributedopticalsensorinsubmarinecabledetection
LIRong-wei,LIYong-tao
（Dept.ofElectronicsandCommunicationEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071003,ChinaAbstract:
ThispaperanalysestheprincipleoftheBrillouinback-scatteringeffectbasedonsensingandthepositioningprinciplebasedonOTDR（OpticalTime-DomainReflectometry.Anewtypeofopticalfibernamedcarbonhermeticallycoatedopticalfiberwhichisusedinthetemperatureandstrainmeasurementofthecomplexsubmarinesystemisdiscussed.Meanwhile,theanti-corrosionandanti-fatiguepropertiesandotherapplicationsofcarbonhermeticallycoatedopticalfibersareanalysed,andtheinstallationmethodforsensingopticalfiberofsubmarineopticalcableisalsointroducedinthepaper.
Keywords:
submarinecable;distributedopticalsensing;Brillouinscattering;carboncoatedopticalfiber
1用于室内光缆。
室内光缆和引入光缆是实
现光纤到户必不可少的,重要的是这些光缆常需要小的弯曲直径。
常规光纤一方面会产生过大的附加损耗;另一方面又会由于光纤表面的应力而降低可靠性。
碳密封涂覆光纤在这方面有优越性。
2用于拖曳光缆。
为了研究深海海底的情况,
已经开发了许多海洋设备,这些设备要将拖缆从船上放入海底,拖缆会受很大的张力。
增强缆中的加强钢丝由于钢丝的自重也相应增加,因而碳密封涂覆光纤比较合适这种应用场合。
3用于激光器插件。
用Ni或Au能轻易地涂
覆碳层,这样的金属涂层有利于通过焊接把光纤固定到插件上。
这种方法还用于把光纤安装到激光二极管上。
金属涂覆涂碳光纤可以焊接,有利于把光纤安装到模板上,还有利于金属外壳窗口的密封[15]
。
4结束语
分布式光纤传感在海底电缆检测中的应用研
究是集3种功能即送电、通信和传感于一体的海底光缆系统。
本文基于光纤布里渊散射传感原理,研究碳密封涂覆光纤,它可以作为传感光纤应用于海底电缆检测系统。
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（ZH
李荣伟（1983—,女,河北保定人,硕士研究生,从事光纤通信和传感方面的研究。
李勇涛（1984—,男,河北保定人,硕士研究生,从事光纤通信和传感方面的研究。
（收稿日期:
2009-10-13;修回日期:
2009-11-15
电力系统通信2010,31（208
48··
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