主动加热式分布光纤测温对海底电缆悬空定位研究

张伟超 张立永

摘 要：為检测海底电力电缆海下悬空，提出主动加热式分布光纤温度传感海缆悬空检测定位方法。基于分布式光纤测温和主动加热检测原理，建立三种典型敷设模型，利用有限元分析计算主动加热过程不同介质包围海缆的轴向温度分布规律。将多模光纤和加热铜缆布置在装有泥沙和水的箱体内构建实验系统;为消除初始温度影响，采用时域温度增量为热传递分析参量。实验表明，主动加热后泥沙和水介质的温度分布差异显著;加温后泥沙和水温均递增，持续加热水温基本不变，泥沙持续升温;介质分界面温度呈阶跃变化。研究证实，主动加热分布式光纤测温方法可有效检测海底电缆的悬空状态。

关键词：光纤传感;主动加热光缆;分布式光纤测温;海缆悬空检测

DOI：10.15938/j.jhust.2020.03.008

中图分类号： TM855

文献标志码： A

文章编号： 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

随着我国沿海城市的快速发展以及海上风电技术的推广，海底电力电缆在海岛输电和沿海电力输送方面的需求持续增加[1-5]。特别是对海岛供电的海底电力电缆是电力的生命线，如果海底电缆发生故障会造成全岛的供电中断，所造成的经济损失和负面影响巨大。海底电缆敷设完成后会受到水流冲击、涌浪和海床移动等影响，往往容易造成泥沙松散，支撑海缆的沙石被海水带走，致使海缆失去底部支撑物在海水中悬空。悬空部分的电缆在海浪水流的作用下，会导致其在海中晃动，长期晃动的海缆容易发生局部应力集中现象。长时间的应力集中形变是海缆绝缘损伤的重要成因之一[5-7]。

海底电缆悬空状态的检测主要是通过定期的人工排查而发现，但该种人工检测方式具有极大的监测盲区很难及时发现悬空电缆。为保障海底电缆的安全运行，多种故障检测和定位的方法已被研究[8]。日本学者首先通过分布式光纤传感进行温度监测来推断海底电缆绝缘局放的发生[9]。随后，Olafsen和Floden等人实验证实海缆温度超过90℃后，海底电缆绝缘老化迅速，为光纤测温检测海缆绝缘故障提供了有利支撑[10]。另外，也有学者利用分布式光纤传感技术监测海缆受外力冲击时的应力变化来确定海缆的故障[11]。以上方法虽然在海缆的故障监测中起到了很大的作用，但目前尚没有学者直接针对海缆悬空问题展开研究。

主动加热分布式光纤测温检测是一种基于拉曼散射或布里渊散射的分布式光纤测温的检测方法，该方法在大型建筑结构健康监测，海底管道悬空监测和土壤湿度检测中均有应用[12-17]。在海缆外侧敷设具有加热缆和多模光纤的辅助结构，通过加热带主动加热，采用拉曼分布式光纤传感技术检测加热过程中沿海缆轴向分布的温度数据。不同介质导热特性不同[18]，海缆敷设环境的泥沙和海水的热传递参数不同，主动加热后光纤所测得不同介质的温度增量将出现差异，可根据温度增量分布结果判断海底电缆的悬空区域。

1 系统基本原理及结构

拉曼散射分布式测温技术（DTS）已经是较为成熟的光纤传感技术，目前有众多的商业化产品。分布式光纤测温系统将泵浦红外激光脉冲馈入测试光纤中，依据背向拉曼散射原理，测试光纤中的拉曼散射光波斯托克斯光和反斯托克斯光被反射，其中斯托克斯光强度相对稳定，而反斯托克斯光强度为温度敏感量。利用该特性，光纤轴向温度可以通过斯托克斯和反斯托克斯背散射光强的比率来确定，表示为[19]：

式中T是温度，单位为K;x代表轴向距离，x=0时即为分布式测温光纤解调仪的光纤接头位置。PsPanti-s是斯托克斯光和反斯托克斯光拉曼散射反射光到达光电转换器的功率比值。分母中的积分环节表示光沿光纤传播的能量衰减和光纤介质对光的吸收而造成的斯托克斯和反斯托克斯光的衰减。理论上，分子γ取决于量子态的分布γ=hΩk，其中h是普朗克的常数， Ω为背向散射斯托克斯光和输入激光脉冲之间的频率差，k为玻尔兹曼常数。

DTS设备本征功能是获取沿光纤分布方向的周围介质温度信息，多用于被动的温度监测而发现故障信息，如隧道火宅监测，电缆温度监测等。但如果对敷设光纤的区域主动施加热驱动，热能会在介质中聚集而导致温度升高，不同介质的热导能力不同，介质温度便会呈现差异。通过加热后介质的温度分布可以一定程度上区分介质的组成。

当对加热缆施加功率电流时，其周围产生热能并向外辐射，因不同介质的导热系数不同因此在不同介质覆盖时介质中的温度不同[20]。采用Ttol作为介质指示参数：

式中：T是温度值，t代表时间。T是与介质导热系数相关的函数，可表示为T（C），当主动加热光纤带处于不同介质时，Ttol会呈现不同分布特征。在热传递系数较大的介质处，Ttol会呈现阶跃变化。海底电缆敷设环境主要是水和泥沙，两种介质热传递参数存在较大差异，对电缆沿线进行主动加热后分布式光纤测温系统获得Ttol分布便可推断悬空与海水之中的电缆区域。设计如图1所示的敷设带结构，采用尼龙材料作为护套夹具便于安装，内部安置有测温光纤和加热铜缆。加热带的一端采用环氧树脂封口做防水处理，另一端加热铜缆与电源线连接。

2 海底介质主动加热温度分布仿真

采用热场有限元瞬态仿真分析不同介质不同时刻的温度分布特性。利用热场有限元分析软件COMSOL建立仿真模型。因海底环境复杂，介质材料的导热系数等参数往往在不同海域具有不同的参数值，仿真模型做了相应简化，建立了三种典型结构的仿真模型如图2所示，三种模型总长度均为1m，径向中心位置设计直径为0.01m的铜模拟主动加热的铜缆热源，模型中间0.3m范围周围设置水介质。为对比介质对光纤温度分布的影响，在模型铜缆的其他位置周围布置不同厚度的泥沙介质。图（a）为全对称式结构，模型前端和后端，铜管上下分别设置0.1m厚的泥沙;图（b）为径向对称式结构，模型前端和后端，铜管下端设置0.1m厚泥沙，上端设置薄层泥沙和水混合介质;图（c）为非对称式结构，在前端铜管上方设置薄层泥沙和水，后端铜管上方设置为全水介质。

在中心铜带施加功率为100W的热载荷，模型其它部分温度设置为室温温度21℃，对三种模型网格抛分后进行瞬态分析。图3～5是三种模型加热时间为300s时的温度分布云图和光纤沿线轴向温度分布曲线图。图3（a）中整个模型的温度呈哑铃状对称分布，相比泥沙介质包围该值降低很多。图3（b）曲线可见，泥沙包围的部分测温光纤附近的最高温度为28℃左右，被水介质包围部分测温光纤附近的温度约为22℃。沿着海底电缆轴向方向，明显可见测温光纤附近的温度值从泥沙包围到水包围，温度从高迅速降低，当从水包围到泥沙包围时，温度迅速提高，泥沙与水介质的交界可从温度值的突变而被识别。图4中铜缆上端为少量泥沙覆盖，与大量泥沙覆盖时的温度分布趋势接近，水覆盖区域温度值明显低于泥沙覆盖区域的温度。泥沙与水介质的交界处的温度变化显著。图5中模型左侧铜缆上端为泥沙覆盖，右端铜缆下端为泥沙支撑上端为水介质覆盖。图5（b）光纤轴向温度分布曲线可见，左侧泥沙完全覆盖区域温度最高，水包围区域温度最低，右侧仅有泥沙支撑区域的温度值也高于水介质包围區域温度值。依据光纤测得温度分布曲线，泥沙与水介质界面处清晰可见。

另外三种典型结构的仿真云图发现，泥沙包围时相比水包围时热能在沙中的分布范围更广，主要因水流流动热量可以迅速对外传递，而泥沙相对水的热传递速度较慢。

3 实验及分析

3.1 系统结构图

采用长方体玻璃槽模拟水和泥沙环境，在玻璃槽中加入沙子和水，两者高度分别为0.3m和0.4m。将加热铜棒和多模测温光纤按图所示方式回旋式布置到水沙槽中。光纤另一端与分布式光纤测温系统相连接，系统结构如图6所示。

3.2 实验数据及分析

图7为实验系统加热10～40min的测温光纤曲线。因光缆并非均匀材质，导致测得温度值出现小幅波动。根据曲线分布规律可见，加热过程中不同介质所测温度差异显著，空气、泥沙和水介质包围的光纤温度依次降低。并且在介质分界处温度出现阶跃变化，根据温度突变位置可确定介质交界位置。

实验系统中，温度解调设备光纤法兰接口处为初始位置原点，沿测温光纤延长线6m处和11m处的两点恰好是水中和泥沙中的两个测温点。对比6m处和11m两点的温度随时间变化曲线，如图8所示。分析发现，泥沙中温度高于水中温度，随着温度升高，前30min水和泥沙中的检测点温度值均缓慢提升，但水中检测点的温度在达到一定温度值后趋于平稳，泥沙中检测点温度持续升高。

由于海底环境复杂，不同位置的初始温度可能不同，仅从加热过程的绝对温度变化来区分不同介质的结果具有较大分散性。为准确识别介质分界面，采用温度增量为判据，图9是上述数据水和泥沙介质中的温度增量曲线。可见，相同加热时间泥沙的温度增量高于水中温度增量，且介质分界面在温度曲线中出现明显的阶跃变化。

4 结 论

基于拉曼散射分布式光纤测温技术，采用主动加热方式提升海底电缆表面温度，由于不同介质热传递性不同，依据温升值推断海缆在水中的悬空区域。有限元仿真和实验结果均表明，在水和泥沙包围的光纤介质周围施加热驱动后，分布式光纤测得的两种介质包裹区域的温升值差异显著，不同介质间温度沿轴向方向出现阶跃变化;水中温升变化小于泥沙，且加热一定时间后，水中温升趋近于零，泥沙中温度持续升高。海底电缆在海下悬空完全被水包围，该方法可有效检测海缆的悬空状态并进行定位。海底电缆多为光电复合缆，基于该研究未来可进一步利用海缆内部光纤测温和载荷发热来推算外部介质的情况。

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（编辑：温泽宇）