220kV光纤复合海缆的光纤复合和监测技术

一、引言
        随着我国社会经济的持续高速发展，海洋开发和利用进一步深入，在国防特别是海防建设、海岛建设、石油和天然气设施建设中，高压、超高光纤复合海缆的应用越来越广泛。其同时承担电力和通信传输的重任，几乎是大陆同岛屿、岛屿间、石油平台电力和通信传输的唯一方式。而因外部机械损伤，海缆过载造成电力或通信中断的事故屡有发生。严重影响海岛人民生活的质量，制约海洋经济的发展，并极大威胁海防安全。通过利用光纤特有性能实现光纤复合海缆实时在线测温监控和预警监测，可大大降低“内外因素”引起的故障，确保电力和通信安全、高效传输。
 
二、光纤复合海缆设计
        1、光纤单元结构和性能
        由于220kV海缆均为单芯结构，无较大的空隙处可放置光纤单元；为更准确的测试运行时线芯内部的温度，更应靠近绝缘层；220kV光纤复合海缆的光纤主要来传输通信信号，并实现预警监测和测温监控，需选择单模和多模光纤。根据以上要求，并结合实际工程案例我们选择一种光纤单元结构和两种光纤。
        图1为光纤单元结构示意图，表1为单模光纤单元的结构参数，表2为多模光纤单元的结构参数。

序号	材料名称	厚度mm	外径mm	备注
1	G.652D型单模光纤	-	-	24芯
2	阻水纤膏
3	PBT松套管		3.4
4	填充专用油膏
5	不锈钢管	0.2	4.0
6	HDPE外护套	1.0	6.0

序号	材料名称	厚度mm	外径mm	备注
1	50/125型多模光纤	-	-	2芯
2	阻水纤膏
3	PBT松套管		2.6
4	填充专用油膏
5	不锈钢管	0.2	3.2
6	HDPE外护套	1.2	5.5

        2、典型的光纤复合结构
        根据选择的单芯220kV海缆结构，光纤单元结构特性，通信、预警、测温监控对光纤单元分布的要求。我们设计这一种220kV光纤复合海缆。图2为220kV光纤复合海缆结构示意图。         本设计的特点是光纤单元对称分布在内衬层上，当缆受到外力挤压，光纤单元不会挤压在绝缘或铅套上，内衬层能够提供有效地保护，防止其被压扁；光纤单元周围填充金属和非金属的填充条，均螺旋缠绕在内衬层上，当缆受到弯曲或拉伸，可以适当移动，避免被拉断；光纤单元和填充条外缠绕一层绑扎带，将其仅仅扎牢，防止由于铠装材料和填充材料强度差异较大，使填充材料生产大变形，并发生拱起。
 
三、测温监控
        1、测温监控原理
        220kV光纤复合海缆的测温监控系统利用放置在其内衬层上的多模光纤单元，不占用通信通道、预警监控的专用通道即多模光纤单元。利用多模光纤单元和分布式光纤测温主机实现分布式测温监控，可获取海缆的温度，监测绝缘的工作状态，通过计算载流量，了解线路运行状态。
        在利用光纤传感技术能够测量的物理量中，温度是非常重要的一项。根据文献记载，温度传感器所占比例达到了50%。能够测量温度的光纤传感器主要分为利用光纤光栅（FBG）的点式传感器和利用光纤本身的分布式传感器两种。
        与点式温度传感器相比，分布式光纤温度传感系统的优点是：一次测量，就能获取光纤沿线的一维温度分布图，仅用一条光纤，就能实现沿线各点的测量，单位信息成本大大降低；测量范围宽，空间分辨率高，测温精度高。
        分布式光纤传感器的基本原理如图3所示。光源发出一束短脉冲激光，输入光纤中，利用光纤中的背向散射效应，在探测器端就会连续接收到从光纤各位置点反射回来的光信号。由于在光纤上各位置点反射信号与入射光脉冲的时延不同，通过测量时延就可以确定光纤上反射的位置，这就是通常所说的光时域反射技术（OTDR）。由于光纤中背向散射是与温度相关的，反射回来的信号中包含了温度信息，通过解调光信号中的温度信息就可以获得光纤上各位置点的温度信息。         目前分布式光纤温度传感器能够利用的背向散射机制主要有瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。
        瑞利散射是光纤中最强的散射，然而石英光纤的瑞利散射系数的温度灵敏度极其微弱，虽然有人曾经制成了液芯光纤分布式温度传感器，并获得了非常高的温度分辨率与空间分辨率，但这一系统在制造、使用上很不方便，测温范围较窄，寿命也不能保证，在基于其他机理的全固光纤传感系统出现后便被淘汰。
        应用布里渊散射的光纤传感技术的主要问题在于激光器的稳频以及如何区分拉伸应变引起的频移与温度引起的频移，同时，基于布里渊散射的传感器的空间分辨率极限为5m，因而不适用于某些对空间精度要求高的场合。
        相比较而言，基于拉曼散射的光纤温度传感技术具有明显优势。自发拉曼散射强度只与入射光信号及外界温度有关，环境干扰因素较小；拉曼散射光谱与入射光波长相距较远，可以采用标准多模干涉滤波器提取；传感光纤可以使用标准多模光纤。上述优越性使得基于自发拉曼散射的分布式光纤温度传感系统最具有实用前景。
        对于基于光时域反射技术的分布式光纤拉曼温度测量系统，表征系统性能的指标主要包括空间分辨率、温度分辨率、测量时间与测量动态范围。
        空间分辨率：指系统能够区分光纤中拉曼散射信号的最小距离。系统中影响空间分辨率的因素包括探测光脉冲宽度、光纤色散、光电转换器件响应时间、放大电路频带宽度和A/D转换时间等。
        当测量距离较短时，通常可以忽略色散的影响。当光电转换器件响应时间，放大电路频宽与A/D转换时间大于100MHz时，不会明显影响空间分辨率。通常影响空间分辨率的主要因素是脉冲宽度，关系为1m/10ns。
        温度分辨率：指传感系统对光纤上某一点背向散射信号强度的测量精度。通过提高放大系统信噪比可以显著提高温度分辨率。
        测量距离：指传感系统所能测量的最大距离。通过提高光电探测器灵敏度与降低光源重复频率，可以增大测量距离。
        测量时间：指对整个光纤所处待测温度场完成一次测量的最少时间，包括拉曼散射信号获取、平均与信号处理等过程。这一参数表征了系统测量的实时化程度。测量时间组要取决于光源重复频率、信号累加平均次数与信号处理时间。
        动态范围：指系统能够测量的最高温度与最低温度之差，表征了系统的使用范围。
        2、测温监控指标
        我们设计的220kV光纤复合海缆测温监控主要指标：
        （1）通道数：1，2，4，8，12通道可选
        （2）连接方式：单端
        （3）取样间隔：0.5米
        （4）定位精度：1米
        （5）测温精度：±1℃
        （6）测温范围：－100℃～＋400℃（依据所选用光纤）；
        （7）测量时间：<10秒/通道
        （8）温度分辨率：<±0.5℃
        （9）测量距离：10km
 
四、预警监控
        1、预警监控原理
        对于运行海缆的故障预警，包括定温报警、温升速率报警以及电缆故障点定位等。其原理是依据光纤的光时域反射（OTDR）和光纤的后向拉曼（Raman）散射温度效应。将探测光纤铺设于待测空间，光纤主机将激光光束发射到探测光缆中，并实时采集沿着光纤反射回来的、带有现场实时温度信息的拉曼（Raman）散射光，光纤主机对这些光信号进行分析和处理，从而得出整条光纤上的温度分布信息。将该温度信息与预设的报警参数值进行比较，当满足报警条件时，光纤主机发出报警声光指示，并可根据预设程序自动采取相应措施。
        定温报警是在实时温度监测状态下，当温度超过用户设置的报警和预警温度，系统就会报警，然后通过自动或人工采取降温措施，防止发生热击穿。预警系统不仅可以监控整条海缆的状况，还可对被监控区域分段设置不同分区，每个分区可以任意设置报警值，对不同的部位进行不同标准的监控。
        当海缆某段发生短路等故障时，其故障段的温度会有明显的变化，利用温升速率报警，当被监控的区域达到按用户要求设置的温升速率预定值时，可以报警、并指出报警区域所处的位置，便于迅速找出故障点，采取措施排除险情。采取这两种预警监控措施可以及时获取海缆的故障信息，并进行排除，避免造成更大的损坏，大大提高了海缆寿命。
        如果海缆发生断裂，预警监控系统可以迅速报警并即时定位受损点。便于及时抢修，恢复供电。
        2、预警监控指标
        220kV光纤复合海缆预警监控主要指标：
        （1）光缆最大长度：不小于4km
        （2）光缆工作寿命：大于30年
        （3）防冲击、反复弯曲、扭转、曲绕、弯折、卷绕、渗水性能等均符合IEC794-1标准
 
五、结论
        利用光纤单元对光纤复合海缆进行实时在线测温监控和预警监测，保证了光纤复合海缆的安全稳定运行，为国家海洋经济发展提供强有力的能源和信息，是未来超高压海缆发展的必然趋势。同时，其在监控的精确性和实时性还有很大的研究和发展空间。