主動加熱式分布光纖測溫對海底電纜懸空定位研究

張偉超 張立永

摘?要：為檢測海底電力電纜海下懸空，提出主動加熱式分布光纖溫度傳感海纜懸空檢測定位方法?；诜植际焦饫w測溫和主動加熱檢測原理，建立三種典型敷設模型，利用有限元分析計算主動加熱過程不同介質包圍海纜的軸向溫度分布規律。將多模光纖和加熱銅纜布置在裝有泥沙和水的箱體內構建實驗系統;為消除初始溫度影響，采用時域溫度增量為熱傳遞分析參量。實驗表明，主動加熱后泥沙和水介質的溫度分布差異顯著;加溫后泥沙和水溫均遞增，持續加熱水溫基本不變，泥沙持續升溫;介質分界面溫度呈階躍變化。研究證實，主動加熱分布式光纖測溫方法可有效檢測海底電纜的懸空狀態。

關鍵詞：光纖傳感;主動加熱光纜;分布式光纖測溫;海纜懸空檢測

DOI：10.15938/j.jhust.2020.03.008

中圖分類號：?TM855

文獻標志碼：?A

文章編號：?1007-2683（2020）03-0047-06

Abstract：In?order?to?solve?the?problem?that?it?is?difficult?to?detect?submarine?power?cables?suspended?in?the?sea，?an?active?heat?method?is?proposed?to?detect?and?locate?suspended?cable?in?the?sea?with?distribution?optical?fiber?temperature?sensing?technology.?Based?on?the?principle?of?distributed?fiber?optic?temperature?measurement?and?active?heat?detection?method，?three?typical?models?of?laying?submarine?cable?are?designed.?The?temperature?distribution?law?of?submarine?cable?surrounded?by?different?media?is?simulated?during?active?heat?process?using?the?finite?element?method?in?thermal?field.?An?experimental?system?is?constructed?by?arranging?the?multi-mode?optical?fiber?and?heating?copper?cable?in?a?box?mixed?with?sediment?sand?and?water.?In?order?to?eliminate?the?influence?of?initial?temperature，?the?temperature?increments?are?taken?as?the?indicator?parameter?of?the?medium，?which?are?measured?by?the?optical?fiber?in?the?time?domain.?Then，?the?heat?transfer?characteristics?are?explored?according?to?the?temperature?increments.?The?experimental?results?show?that?the?temperature?distribution?of?sediment?sand?and?water?is?significantly?different?during?active?heating.?The?temperatures?in?the?sand?and?water?increase?with?time?in?the?early?stage?of?heating.?When?heating?for?some?time，?the?temperature?is?basically?unchanged?in?the?water，?but?it?is?still?rising?in?the?sand.?A?step?temperature?change?is?demonstrated?in?the?boundary?of?the?medium.?Based?on?the?simulation?and?experiments，?it?is?approved?that?active?heat?method?with?distribution?fiber?temperature?sensing?is?effective?to?detect?submarine?cable?suspending.

Keywords：optical?fiber?sensing;?active?heated?fiber;?distributed?optical?fiber?temperature?measurement;?submarine?cable?suspension?detection

0?引?言

隨著我國沿海城市的快速發展以及海上風電技術的推廣，海底電力電纜在海島輸電和沿海電力輸送方面的需求持續增加[1-5]。特別是對海島供電的海底電力電纜是電力的生命線，如果海底電纜發生故障會造成全島的供電中斷，所造成的經濟損失和負面影響巨大。海底電纜敷設完成后會受到水流沖擊、涌浪和海床移動等影響，往往容易造成泥沙松散，支撐海纜的沙石被海水帶走，致使海纜失去底部支撐物在海水中懸空。懸空部分的電纜在海浪水流的作用下，會導致其在海中晃動，長期晃動的海纜容易發生局部應力集中現象。長時間的應力集中形變是海纜絕緣損傷的重要成因之一[5-7]。

海底電纜懸空狀態的檢測主要是通過定期的人工排查而發現，但該種人工檢測方式具有極大的監測盲區很難及時發現懸空電纜。為保障海底電纜的安全運行，多種故障檢測和定位的方法已被研究[8]。日本學者首先通過分布式光纖傳感進行溫度監測來推斷海底電纜絕緣局放的發生[9]。隨后，Olafsen和Floden等人實驗證實海纜溫度超過90℃后，海底電纜絕緣老化迅速，為光纖測溫檢測海纜絕緣故障提供了有利支撐[10]。另外，也有學者利用分布式光纖傳感技術監測海纜受外力沖擊時的應力變化來確定海纜的故障[11]。以上方法雖然在海纜的故障監測中起到了很大的作用，但目前尚沒有學者直接針對海纜懸空問題展開研究。

主動加熱分布式光纖測溫檢測是一種基于拉曼散射或布里淵散射的分布式光纖測溫的檢測方法，該方法在大型建筑結構健康監測，海底管道懸空監測和土壤濕度檢測中均有應用[12-17]。在海纜外側敷設具有加熱纜和多模光纖的輔助結構，通過加熱帶主動加熱，采用拉曼分布式光纖傳感技術檢測加熱過程中沿海纜軸向分布的溫度數據。不同介質導熱特性不同[18]，海纜敷設環境的泥沙和海水的熱傳遞參數不同，主動加熱后光纖所測得不同介質的溫度增量將出現差異，可根據溫度增量分布結果判斷海底電纜的懸空區域。

1?系統基本原理及結構

拉曼散射分布式測溫技術（DTS）已經是較為成熟的光纖傳感技術，目前有眾多的商業化產品。分布式光纖測溫系統將泵浦紅外激光脈沖饋入測試光纖中，依據背向拉曼散射原理，測試光纖中的拉曼散射光波斯托克斯光和反斯托克斯光被反射，其中斯托克斯光強度相對穩定，而反斯托克斯光強度為溫度敏感量。利用該特性，光纖軸向溫度可以通過斯托克斯和反斯托克斯背散射光強的比率來確定，表示為[19]：

式中T是溫度，單位為K;x代表軸向距離，x=0時即為分布式測溫光纖解調儀的光纖接頭位置。PsPanti-s是斯托克斯光和反斯托克斯光拉曼散射反射光到達光電轉換器的功率比值。分母中的積分環節表示光沿光纖傳播的能量衰減和光纖介質對光的吸收而造成的斯托克斯和反斯托克斯光的衰減。理論上，分子γ取決于量子態的分布γ=hΩk，其中h是普朗克的常數，?Ω為背向散射斯托克斯光和輸入激光脈沖之間的頻率差，k為玻爾茲曼常數。

DTS設備本征功能是獲取沿光纖分布方向的周圍介質溫度信息，多用于被動的溫度監測而發現故障信息，如隧道火宅監測，電纜溫度監測等。但如果對敷設光纖的區域主動施加熱驅動，熱能會在介質中聚集而導致溫度升高，不同介質的熱導能力不同，介質溫度便會呈現差異。通過加熱后介質的溫度分布可以一定程度上區分介質的組成。

當對加熱纜施加功率電流時，其周圍產生熱能并向外輻射，因不同介質的導熱系數不同因此在不同介質覆蓋時介質中的溫度不同[20]。采用Ttol作為介質指示參數：

式中：T是溫度值，t代表時間。T是與介質導熱系數相關的函數，可表示為T（C），當主動加熱光纖帶處于不同介質時，Ttol會呈現不同分布特征。在熱傳遞系數較大的介質處，Ttol會呈現階躍變化。海底電纜敷設環境主要是水和泥沙，兩種介質熱傳遞參數存在較大差異，對電纜沿線進行主動加熱后分布式光纖測溫系統獲得Ttol分布便可推斷懸空與海水之中的電纜區域。設計如圖1所示的敷設帶結構，采用尼龍材料作為護套夾具便于安裝，內部安置有測溫光纖和加熱銅纜。加熱帶的一端采用環氧樹脂封口做防水處理，另一端加熱銅纜與電源線連接。

2?海底介質主動加熱溫度分布仿真

采用熱場有限元瞬態仿真分析不同介質不同時刻的溫度分布特性。利用熱場有限元分析軟件COMSOL建立仿真模型。因海底環境復雜，介質材料的導熱系數等參數往往在不同海域具有不同的參數值，仿真模型做了相應簡化，建立了三種典型結構的仿真模型如圖2所示，三種模型總長度均為1m，徑向中心位置設計直徑為0.01m的銅模擬主動加熱的銅纜熱源，模型中間0.3m范圍周圍設置水介質。為對比介質對光纖溫度分布的影響，在模型銅纜的其他位置周圍布置不同厚度的泥沙介質。圖（a）為全對稱式結構，模型前端和后端，銅管上下分別設置0.1m厚的泥沙;圖（b）為徑向對稱式結構，模型前端和后端，銅管下端設置0.1m厚泥沙，上端設置薄層泥沙和水混合介質;圖（c）為非對稱式結構，在前端銅管上方設置薄層泥沙和水，后端銅管上方設置為全水介質。

在中心銅帶施加功率為100W的熱載荷，模型其它部分溫度設置為室溫溫度21℃，對三種模型網格拋分后進行瞬態分析。圖3～5是三種模型加熱時間為300s時的溫度分布云圖和光纖沿線軸向溫度分布曲線圖。圖3（a）中整個模型的溫度呈啞鈴狀對稱分布，相比泥沙介質包圍該值降低很多。圖3（b）曲線可見，泥沙包圍的部分測溫光纖附近的最高溫度為28℃左右，被水介質包圍部分測溫光纖附近的溫度約為22℃。沿著海底電纜軸向方向，明顯可見測溫光纖附近的溫度值從泥沙包圍到水包圍，溫度從高迅速降低，當從水包圍到泥沙包圍時，溫度迅速提高，泥沙與水介質的交界可從溫度值的突變而被識別。圖4中銅纜上端為少量泥沙覆蓋，與大量泥沙覆蓋時的溫度分布趨勢接近，水覆蓋區域溫度值明顯低于泥沙覆蓋區域的溫度。泥沙與水介質的交界處的溫度變化顯著。圖5中模型左側銅纜上端為泥沙覆蓋，右端銅纜下端為泥沙支撐上端為水介質覆蓋。圖5（b）光纖軸向溫度分布曲線可見，左側泥沙完全覆蓋區域溫度最高，水包圍區域溫度最低，右側僅有泥沙支撐區域的溫度值也高于水介質包圍區域溫度值。依據光纖測得溫度分布曲線，泥沙與水介質界面處清晰可見。

另外三種典型結構的仿真云圖發現，泥沙包圍時相比水包圍時熱能在沙中的分布范圍更廣，主要因水流流動熱量可以迅速對外傳遞，而泥沙相對水的熱傳遞速度較慢。

3?實驗及分析

3.1?系統結構圖

采用長方體玻璃槽模擬水和泥沙環境，在玻璃槽中加入沙子和水，兩者高度分別為0.3m和0.4m。將加熱銅棒和多模測溫光纖按圖所示方式回旋式布置到水沙槽中。光纖另一端與分布式光纖測溫系統相連接，系統結構如圖6所示。

3.2?實驗數據及分析

圖7為實驗系統加熱10～40min的測溫光纖曲線。因光纜并非均勻材質，導致測得溫度值出現小幅波動。根據曲線分布規律可見，加熱過程中不同介質所測溫度差異顯著，空氣、泥沙和水介質包圍的光纖溫度依次降低。并且在介質分界處溫度出現階躍變化，根據溫度突變位置可確定介質交界位置。

實驗系統中，溫度解調設備光纖法蘭接口處為初始位置原點，沿測溫光纖延長線6m處和11m處的兩點恰好是水中和泥沙中的兩個測溫點。對比6m處和11m兩點的溫度隨時間變化曲線，如圖8所示。分析發現，泥沙中溫度高于水中溫度，隨著溫度升高，前30min水和泥沙中的檢測點溫度值均緩慢提升，但水中檢測點的溫度在達到一定溫度值后趨于平穩，泥沙中檢測點溫度持續升高。

由于海底環境復雜，不同位置的初始溫度可能不同，僅從加熱過程的絕對溫度變化來區分不同介質的結果具有較大分散性。為準確識別介質分界面，采用溫度增量為判據，圖9是上述數據水和泥沙介質中的溫度增量曲線?？梢?，相同加熱時間泥沙的溫度增量高于水中溫度增量，且介質分界面在溫度曲線中出現明顯的階躍變化。

4?結?論

基于拉曼散射分布式光纖測溫技術，采用主動加熱方式提升海底電纜表面溫度，由于不同介質熱傳遞性不同，依據溫升值推斷海纜在水中的懸空區域。有限元仿真和實驗結果均表明，在水和泥沙包圍的光纖介質周圍施加熱驅動后，分布式光纖測得的兩種介質包裹區域的溫升值差異顯著，不同介質間溫度沿軸向方向出現階躍變化;水中溫升變化小于泥沙，且加熱一定時間后，水中溫升趨近于零，泥沙中溫度持續升高。海底電纜在海下懸空完全被水包圍，該方法可有效檢測海纜的懸空狀態并進行定位。海底電纜多為光電復合纜，基于該研究未來可進一步利用海纜內部光纖測溫和載荷發熱來推算外部介質的情況。

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（編輯：溫澤宇）