分布式光纤加热技术研究

甘孝清，赵军华，李申亭，李端有

（1．武汉大学水利水电学院，武汉 430070；2．长江科学院a．工程安全与灾害防治研究所；b．水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，武汉 430010；3．河南省南水北调中线工程建设管理局许昌建管处，河南许昌 461000）

分布式光纤加热技术研究

甘孝清1，2a，2b，赵军华2a，2b，李申亭3，李端有2a，2b

（1．武汉大学水利水电学院，武汉 430070；2．长江科学院a．工程安全与灾害防治研究所；b．水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，武汉 430010；3．河南省南水北调中线工程建设管理局许昌建管处，河南许昌 461000）

分布式光纤越来越多地应用于土石坝（堤）渗流监测中，但光纤的加热时间长、效率低，制约了分布式光纤的应用。首先阐述了加热型分布式光纤光缆的技术要求，研究了加热导体长度、截面面积、电阻与加热时间的定量关系，然后综合考虑加热导体的选材、柔韧性、抗拉强度、电阻率、光纤结构、绝缘等，在尽可能降低成本的基础上提出了相应的解决办法，定制出特种加热型分布式光纤光缆，并将其应用于南水北调中线一期工程渗漏监测中。结果表明，经过定制的加热型分布式光纤光缆能够满足光纤加热的要求，具有较好的市场应用前景。

分布式光纤；加热；镍铬合金；光纤结构；南水北调

1 分布式光纤传感技术应用现状

分布式光纤传感技术具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度和低成本以及与普通光纤良好兼容等优点，且可以实现空间上的温度与应变连续监测，克服了传统点式监测的缺点，其在大坝安全监测领域越来越受关注［1－2］。分布式光纤作为一种全新的监测技术，越来越多地应用于土石坝（堤）渗流监测中。当土石体内存在大量水流动时，土石体传导热的传递将明显被流体运动所引起的对流热传递所超越，即使很少的水体流动也会导致土石体温度与渗漏水温度相适应，由此引起温度场变化［3］。应用分布式光纤监测土石体温度，即可通过分析温度监测结果对渗漏情况进行定性或半定性判别。

分布式光纤用于大坝（堤）渗流监测时，土石体的温度与渗流水的温度往往较为接近，分布式光纤则难以通过温度差异判断渗漏点的位置，因此需要对分布式光纤进行加热。渗流水体的流动可以带走大量的热量，从而迅速降低水体流经部位的分布式光纤的温度，通过温度变化可以有效地查找出渗漏区，并对渗漏量的大小进行初步判定。

实际埋设过程中，加热型分布式光纤光缆因敷设路径较长，加热丝或加热电缆电阻值较大，要达到预定的加热温度，往往需要较高的电压和较长的加热时间，不利于分布式光纤在渗漏监测中的应用。目前分布式光纤加热技术尚不成熟，有必要对分布式光纤加热技术进行研究。

2 分布式光纤加热技术要求

分布式光纤光缆加热与一般线缆的加热方式有所不同，除必须满足升温要求外，还应满足复杂施工条件下的保护及绝缘要求。用于渗流监测的分布式光纤光缆是埋设在土体里的，因此既要能够防止碾压、冲击、开挖等对光缆及加热导体的损坏，具有一定的抗拉、抗压、抗弯折能力，又要能够防止加热通电过程中漏电带来的危害。对于一般线缆而言，加热导体与线缆可以分开，但对于分布式光纤光缆而言，加热导体宜与分布式光纤光缆结合在一起，因此加热型分布式光纤光缆应根据使用环境条件要求进行定制。

对于加热型分布式光纤光缆，通常应满足以下技术要求：

（1）安装埋设要求。为了保护加热型分布式光纤光缆中的监测光纤，使得光纤在安装埋设过程中不因土石体碾压而被拉断、压断或产生过大的变形，光缆应具有一定的抗拉、抗压强度。同时，光缆一般在土石体内呈S形布置，要求光缆具有一定的适应弯折变形的能力。

（2）光纤始终处于自由活动状态。应采取隔离措施，使得用于监测的光纤与加热导体、保护套等分离，在光缆处于受拉、受压或受弯状态时，光纤不受外力作用，避免光纤产生应变，从而减少应变对温度的影响，提高温度监测精度。

（3）加热导体的总截面面积不宜过大。若想获得较大的加热功率，在较短的时间内达到所需的温度，加大加热导体的总截面面积是一条理想的途径。但加热导体总截面面积的增加会带来2方面的不利影响：一是光缆直径会相应大大增加，从而使得光缆的弯折变形能力减弱；二是会大大增加光缆的成本。

（4）加热导体应有较好的绝缘性。加热导体外表面应具有较好的绝缘性，避免加热通电过程中导体漏电，危及人员安全。

（5）加热电压应宜控制在220 V左右。一般地，分布式光纤埋设部位远离生产、生活区，即使具备供电电源条件，也大多为220 V民用电。

（6）光缆保护外套应具有一定的硬度。光缆埋设过程中会受到土石体的碾压作用，为保证纤芯不受挤压，光缆保护外套应具有足够的硬度。

（7）成本不宜过高。分布式光纤监测与传统点式监测的优势体现在低成本前提下能够实现空间上的连续监测，如果光缆的单位成本过高，会影响分布式光纤监测技术的推广与应用。

3 光缆加热导体长度、截面面积、电阻与加热时间的定量关系

3．1 光缆位于空气中

当加热光缆位于空气中时，短时间内光缆与空气介质间的热交换较小，若不考虑光缆与空气介质间的热交换，则有

式中：P为加热导体发热功率（W）；t为通电加热时间（s）；c为加热导体等效比热容（J／（kg·℃））；m为加热导体的质量（kg）；T1和T2分别为加热前后的温度（℃）。

又有：

式中：R为加热光缆电阻（Ω）；l为长度（m）；s为电缆横截面面积（m2）；U为加热供电电压有效值（V）；ρ1为加热导体的电阻率（Ω·mm2／m）；ρ2为加热导体的密度（kg／m3）。

由式（2）至式（4）可推导出

由式（5）可见，对于确定的某段加热导体，加热时间与温度升高值成正比；对于确定类型的加热导体和通电电压，温度变化率与长度的平方成反比；对于某固定截面积加热导体，升高至某固定温度所需时间与长度的平方成正比。

3．2 光缆位于土体和水中

当加热光缆位于土石体或水体中时，光缆与土石体或水体之间存在热交换。假设被加热的光纤无限长，将其埋设在地下某深度处（该处温度基本维持恒定），通过加热导线为光纤提供加热能量，光纤中与其轴等距的所有点将达到相同的温度，如果在某位置存在渗流，会给光纤造成热量流失，可按如下方法确定在一给定时间之后光纤内不同薄层的温度［4］。

选取土石体或水体内某个半径为R的圆柱薄面S，研究在此圆柱薄面S所围成的区域τ内的热量变化规律。区域τ内各点的温度从时刻t1的温度u（r，θ，t1）变化到时刻t2的温度u（r，θ，t2）所吸收（或放出）的热量，应等于从时刻t1到时刻t2这一段时间内通过S面流入（或流出）的热量和热源提供的热量之和。即

Q＝Q1＋Q2。（6）式中：Q为区域τ温度变化所需要的热量（J）；Q1为通过S面流入区域τ的热量（J）；Q2为热源提供的热量（J）。

其中

式中：c为土石体或水的比热（J／（kg·℃））；ρ为土石体或水的密度（kg／m3）。

式中F（r，θ，t）为热源强度。

由式（7）、式（8）和式（9）可得

由τ，t1和t2的任意性可知

式（11）表明了光纤加热强度与时间、介质比热、介质密度之间的关系，结合土石体或水的比热与密度及温升所需要的时间，就可以得出光纤加热强度，从而求解出加热导体的电阻率。

4 加热型光缆定制

常用的光缆加热方式有内置导线加热方式和包裹式加热方式。内置导线加热方式通常将导线加工定制在光缆中，包裹式加热方式通常将加热电缆包裹在光缆外面。对于埋设在土石体中的光缆，宜采用内置导线加热方式，可提高加热型分布式光纤光缆的绝缘度。

4．1 加热导线选择

通常使用的加热导线有铜导线、碳纤维导线、玻璃纤维云母合金导线、合金丝导线等。其中合金丝导线具有成本低、抗拉强度高、加热效率高等优点，加热型分布式光纤光缆优先选用合金丝加热导线。目前常用的合金丝包括镍铬丝、铁铬丝、纯镍丝、康铜丝、卡玛丝、铜镍丝、不锈钢、新康铜、锰铜、孟奈尔等。镍铬丝具有较高的电阻率，表面抗氧化性好，温度级别高，并且在高温下有较高的强度，有良好的加工性能及可焊性，因此作为本次研究使用的加热导线。

为了提高加热导线的绝缘度，在导线外敷高分子PTC材料和阻燃护套材料。

4．2 光纤选择

光纤分为单模和多模2种。与多模光纤相比，单模光纤具有传输距离远、空间分辨率高、温度测量精度高的优势，因此选用单模光纤作为监测光纤。将日本NeuBrex公司NBX－7000作为测读设备，空间分辨率可达5 cm，温度精度可达0．3℃。

4．3 光缆结构

定制光缆结构如图1所示。内置3根松套光纤，其中1根作为监测主光纤，其余备用。加热导体合金丝采用4根直径5 mm镍铬合金导线（每根由7股镍铬合金丝缠绕而成），绝缘保护层采用厚0．6 mm耐热硅橡胶及玻璃纤维填充。加热丝与光纤呈梅花形交错排列。光缆采用两层保护，内层由铝带包裹，内护套采用厚0．8 mm聚乙烯材料，外层由钢带包裹，外护套采用厚1．8 mm阻燃聚烯烃（阻燃、耐高温、高传热保护套）。

5 工程应用

通过上述研究，我们定制了适用于土石坝（堤）渗漏监测的加热型分布式光纤光缆，并将其应用于南水北调中线一期工程总干渠高填方膨胀土渠堤的渗漏监测中。

加热型分布式光纤光缆的布置见图2。

图2 分布式光纤在渠道中的布置图Fig．2 Layout of distributed optical fiber in canal bank

因南水北调中线一期工程尚未通水，渠道内不存在渗漏现象。为了检验加热型分布式光纤光缆的完好情况、加热效率，验证分布式光纤渗漏监测的可行性，在光缆埋设的过程中同时埋设了注水管，在渠道填筑完成后开展注水试验，向注水管内加压注水，模拟渗漏通道。试验监测成果如图3所示。

图3 光缆加热前后温度变化分布图Fig．3 Curves of tem perature variation before and after optical cable heating

从图中可以看出，分布式光纤经过碾压施工后是完整无损的，加热10 min以后，没有渗漏水流过的部位光缆温度升高约2．9℃，有渗漏水流过的部位光缆温度升高约0．8℃；加热20 min以后，没有渗漏水流过的部位光缆温度升高约5．1℃，有渗漏水流过的部位光缆温度升高约1．2℃。

6 结 语

分布式光纤加热技术制约了分布式光纤传感技术在土石坝（堤）渗流监测中的应用。本文在研究加热导体长度、截面面积、电阻与加热时间定量关系的基础上，根据光纤加热的技术要求，定制了内置合金导线的加热型分布式光纤光缆，应用结果表明其能够有效地对分布式监测光纤进行加热升温，从而查找出渗漏点。目前分布式光纤加热技术仍处于探索阶段，如何实现长距离、短时间、低成本加热升温是未来研究的重点。

［1］ 蔡德所．分布式光纤传感监测技术研究［J］．广西水利水电，2001，（1）：11－14．（CAI De-suo．Study on the Distributed Fiber Sensing Monitor Technique［J］．GuangxiWater Resources＆Hydropower Engeneering，2001，（1）：11－14．（in Chinese））

［2］ 徐卫军，侯建国，李端有．分布式光纤测温系统在景洪电站大坝混凝土温度监测中的应用研究［J］．水力发电学报，2007，（1）：97－101．（XUWei-jun，HOU Jianguo，LIDuan-you．Application Research on Temperature Monitoring in Concrete of Jinghong Hydropower Station by Distributed Optical Fiber Temperature Measurement System［J］．Journal of Hydroelectric Engineering，2007，（1）：97－101．（in Chinese））

［3］ 李端有，熊 健，於三大，等．土石坝渗流热监测技术研究［J］．长江科学院院报，2005，（6）：29－33．（LIDuan-you，XIONG Jian，YU Shan-da，etal．Study on Seepage Monitoring Technology with Temperature in Embankment Dam［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2005，（6）：29－33．（in Chinese））

［4］ 傅立叶．热的解析理论［M］．桂质亮，译．北京：北京大学出版社，2008．（FOURIER．Analytical Theory of Heat［M］．Translated by GUIZhi-liang．Beijing：Beijing University Press，2008．（in Chinese） ）

（编辑：曾小汉）

Research on Heating Technology of Distributed Optical Fiber

GAN Xiao-qing1，2，ZHAO Jun-hua2，LIShen-ting3，LIDuan-you2
（1．School ofWater Resources and Hydropower Engineering，Wuhan University，Wuhan 430070，China；2．Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；3．Xuchang Branch of Henan Provincial Bureau of the Construction and Administration of Middle Route Project of South-to-North Water Transfer，Xuchang 461000，China）

Distributed optical fiber has been increasingly used in dam（dike）seepagemonitoring，but its application is restricted by long heating time and low efficiency．First，the technical requirements of distributed fiber optic cable with heating function are expounded in this paper．Then the quantitative relationship between heating time and other factors，including heating-conductor length，cross-sectional area and resistance，are analyzed．In overall consideration of thematerial，flexibility，tensile strength，resistivity，optical fiber structure，and insulation of the heating conductor，a special distributed fiber optic cable with heating function was customized with lowest cost and was applied to the leakagemonitoring for the first stage project ofmiddle route South-to-North water transfer．The results showed that the customized distributed fiber optic cablemeets the heating-requirements，demonstrating good market prospect．

distributed optical fiber；heating；nickel-chromium alloy；fiber structure；South-to-North water transfer

TV698．19；TV642．4

A

1001－5485（2013）11－0119－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．11．024

2013－08－23

“十二五”国家科技支撑项目（2011BA10OB00）；水利部948项目（201123）

甘孝清（1972－），男，湖北潜江人，高级工程师，博士研究生，主要从事岩土工程与水工结构安全监测、安全评价工作，（电话）027－82829879（电子信箱）gxqxf＠sina．com。