基于光纤传感技术的海底电缆悬跨识别及定位装置研制

基于光纤传感技术的海底电缆悬跨识别及定位装置研制

张宁齐福伟刘亚星刘昊裴波

（鲁能新能源集团有限公司江苏分公司江苏南京210000）

摘要:海底电缆埋于海底泥面下1.5-3m，由于敷设海底形态复杂多样，沙波的存在形态和运移往往造成海缆残余张力的存在，使得埋设的海缆外露和悬空，容易造成海缆的磨损、腐蚀，乃至被船锚或捕捞渔具挂断，威胁海缆的安全，缩短海缆的寿命。现有的巡检手段为：传统的船只人工巡检、侧向声呐扫描巡检以及在线监测系统。上述三种方式在巡检周期、巡检难度、巡检覆盖率、巡检成本等方面存在诸多困难。基于光纤传感技术（类似于OTDR）的海底电缆悬跨识别及定位装置在现有的海缆监测系统，利用海缆悬跨对温度的敏感性，通过对悬跨事件模型的优化可精准的识别出海缆悬跨事件及定位。经试验，结果证明：采用该新装置可以有效地对海缆悬跨时间进行识别、定位，大大提高巡检效率，节约了巡检成本，保障了海缆地长期安全稳定运行。

关键词：海缆；悬跨；巡检覆盖率；OTDR

1课题背景：

现有的海缆监测系统使用布里渊光时域分析仪，它是国际上最新一代的分布式光纤传感器。该传感器采用普通的通信单模光纤，光纤既是传输介质，又是传感元件，将光纤敷设于待测体上，即可实时获得光纤上每一点的温度和应变分布信息，实现超长距离的连续在线监测。测量原理：光在光纤中传输时，由于光纤材料的密度、折射率等存在不均匀性，入射光会产生散射现象。布里渊散射是光波和声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程。当环境温度变化或光纤产生形变时，光纤中声速和光的折射率都会随之变化，从而使布里渊频移发生变化，并且布里渊频移变化量与温度和应变成线性关系。

BOTDA基于受激布里渊散射效应，利用泵浦光pump、探测光probe和声波的相互作用，使得后向布里渊散射信号不断放大。对泵浦光pump和探测光probe的频率差进行连续扫描，可确定光纤不同位置的布里渊频移，从而获得整根光纤的温度、应变分布信息。

该系统能够在线监测整根海缆温度和应力，但海底电缆敷设海底形态复杂多样，沙波的存在形态和运移往往造成海缆残余张力的存在，使得埋设的海缆外露和悬空，即经常出现“海缆悬跨事件”。对“海缆悬跨”的识别和位置定位显得尤为重要。现有手段仅能通过人工对海缆监测获得的一段时间数据进行整合计算，对海缆运行情况进行分析比对，才能得出海缆此段时间内是否存在海缆悬跨事件。此方式准确性依赖人员对海量数据的计算的正确性，可靠性、实时性都比较差，难以适应现在科技智能运维的发展步伐。研制一个装置用来识别海缆悬跨时间和精准定位势在必行。

2确定敏感参数：

首先为了研制此装置，东台海上风电QC创新工作室人员运用“头脑风暴法”，对海缆监测能够采集的温度、应力等参数进行分析比对，得出海缆悬跨处的各参数中温度是最敏感的参数。

具体分析如下：

光纤位于海底光电复合缆的铠装层，能直接感应海缆导体通电产生的热量。对于海缆悬跨部位，光纤和淤泥之间热量的传递项多了与海水之间的热传递和热对流项，从而导致与非悬跨处的温差的出现。即海水介质的出现导致光纤热量损失增加，流速越大，损失的热量愈多，悬跨处的光纤温度就越低。通过监测系统所测量海缆沿线温度分布，并经过软件自动分析，实现对悬跨事件的自动识别、位置定位与后台报警功能。于是，通过监测系统所测量的温度分布图，即可实现对悬跨事件的判断与位置定位。该方法直接利用海缆复合的光纤作为传感器，可以实现海缆全程分布式测量，覆盖海缆100%监测区域，并且完全不受海况影响。

3技术方案实现：

3.1光纤性能测试：

东台海上风电场QC创新小组分别调研了具有BOTDA光纤测量装置的厂家和院校，包括浙江中欣动力测控技术有限公司、上海恒通慧泰技术有限公司以及上海海事大学，其中浙江中欣动力测控技术有限公司是国内首家自主研发BOTDA光纤测量装置的厂商，具有较丰富的研发及应用经验。经联系沟通，小组成员到浙江中欣动力测控技术有限公司进行实际考察，并对设备关键性能进行测试。

BOTDA性能测试环境搭建图

将往返100公里的光纤和BOTDA设备连接好，将一段测试光纤（50公里处）放置在高低温交变试验箱内（测试光纤旁放一个热电偶）。改变高低温试验箱的温度，并分别记录试验箱（热电偶）的温度以及BOTDA的测量温度。

3.2测量性能

BOTDA测温性能统计分析结果：

通过研制该装置，实现了江苏东台海上风电项目全程34km海缆的实时监测和悬跨识别与定位，并保持良好测温精度在1℃以内，空间分辨率性能在3m以内，测量稳定、可靠，完全不受光纤接续损耗影响，数据可靠性高。

4结语

本文主要从课题背景、确定敏感参数、技术方案实现三方面分析，对海底电缆悬跨识别及定位装置的研制，使海缆监测系统可以及时发现220KV海底电缆悬跨事件，并尽早处置，从计划检修向状态检修转变，提升了220KV海底电缆的安全运行监测水平，保障了海上风电送出通道的可靠性。目前国家正大力发展海上风电，东台海上风电青年创新团队研制的海底电缆悬跨自动识别及定位装置，定位准确并实现告警、数据精度高、实时传输、不受海况影响、实时在线监测且费用低，装置经过半年运行，效果明显且运行稳定。截至目前，本项目已获得2017年中国质量协会及江苏省质量协会创新大赛一等奖并已被推荐为国优项目。项目还形成了企业实用标准和作业指导书，并已在国网鲁能集团进行推广使用，我们相信，本创新成果在今后海上风电行业中会产生更大效益。

参考文献:

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