基于BOTDA技術(shù)的電纜溫度監(jiān)測

摘要：由于海底電纜深埋海底，其運行狀態(tài)的監(jiān)測尤為重要。因此，提出基于光纖光時域反射(OTDR)的布里淵時域反射分析技術(shù)(BOTDA)的分布式光纖傳感器對復合海纜進行溫度監(jiān)測。簡單介紹了BOTDA技術(shù)的原理以及溫度監(jiān)測的實驗。對實驗測得數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)擬合處理和分析。從實驗的數(shù)據(jù)分析中得出基于BOTDA技術(shù)測量出電纜溫度的變化趨勢和實際溫度變化趨勢是基本吻合的。從而驗證了該技術(shù)測溫誤差小、響應時間短、運行可靠且能實現(xiàn)長距離測量，可有效應用于電纜溫度在線監(jiān)測，為電纜導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；數(shù)據(jù)分析；電纜溫度

當前，隨著我國油田在渤海灣淺海地區(qū)石油資源開發(fā)規(guī)模的擴大，需要敷設的海底動力電纜也越來越多。由于電纜的高負荷運行和海上的復雜運行環(huán)境，使得運行中的電纜經(jīng)常出現(xiàn)斷路、短路等故障，帶來巨大經(jīng)濟損失。因此，對運行電纜進行在線監(jiān)測將是保障電纜健康運行的重要措施。從有關(guān)文獻資料得知，日本學者Nishimoto T，在1996年對一個島上的66 kV的高壓電纜內(nèi)使用分布式光纖溫度應變傳感來監(jiān)測船拋錨和人為的一些機械破壞，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，從而可對高壓電纜導線運行電流和電壓狀況進行監(jiān)測，該系統(tǒng)一直應用至今；國內(nèi)對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)進行監(jiān)測?；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、應變測量上所達到測量精度、測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域反射(OTDR)的布里淵時域反射分析技術(shù)(BOTDA)的分布式光纖傳感器對復合海纜進行溫度監(jiān)測。通過實驗驗證，BOTDA技術(shù)可為電纜的健康運行、監(jiān)測、維護、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)也應運而生。光纖傳感器提取的是光信號，這樣光纖傳感器就不會受到周圍電磁場的干擾，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變變化檢測出來。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)測系統(tǒng)又稱本征分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，簡稱分布式光纖檢測系統(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)測溫度，且測量范圍有限，能滿足電纜應變變形監(jiān)測的需要。因此本實驗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變和溫度系數(shù)，1 550 nm波長的入射光在普通單模光纖中各個系數(shù)為：C1=0．049 3 MHz／με，C2=1．2 MHz／℃。通過測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變。文中是采用基于光纖光時域反射(OTDR)的布里淵時域反射分析技術(shù)(BOT DA)的分布式光纖傳感器進行溫度的測量。結(jié)合渤海灣海域海底電纜的現(xiàn)場情況，我們設計定做了一段26／35 kV的XLPE海底電纜作為實驗電纜，在XLPE電纜成纜過程中實現(xiàn)內(nèi)部三相填充物之間加入三組光纖，復合海纜結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。