分布式光纤传感在海底电缆检测中的应用.知识交流.doc

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Telecommunications for Electric Power System Feb.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
=C vt C vε
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(Optical Time Domain Re-
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.1Schematic diagram of distance location
based on OTDR
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-Optic Modulator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.2Submarine cable detection system
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R H
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(208 46
··
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.3Installation section of embedded
sensor fibers
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.4Installation section of sensor fiber on surface
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Alcatel Kabel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
··
Application of distributed optical sensor in submarine cable detection
LI Rong -wei,LI Yong -tao
(Dept.of Electronics and Communication Engineering ,North China Electric Power University,Baoding 071003,ChinaAbstract:This paper analyses the principle of the Brillouin back -scattering effect based on sensing and the positioning principle based on OTDR (Optical Time -Domain Reflectometry.A new type of optical fiber named carbon hermetically coated optical fiber which is used in the temperature and strain measurement of the complex submarine system is discussed.Meanwhile,the anti -corrosion and anti -fatigue properties and other applications of carbon hermetically coated optical fibers are analysed,and the installation method for sensing optical fiber of submarine optical cable is also introduced in the paper.
Key words:submarine cable;distributed optical sensing;Brillouin scattering;carbon coated optical fiber
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··