基于BOTDA技术的电缆温度监测

摘要：由于海底电缆深埋海底，其运行状态的监测尤为重要。因此，提出基于光纤光时域反射(OTDR)的布里渊时域反射分析技术(BOTDA)的分布式光纤传感器对复合海缆进行温度监测。简单介绍了BOTDA技术的原理以及温度监测的实验。对实验测得数据进行数据拟合处理和分析。从实验的数据分析中得出基于BOTDA技术测量出电缆温度的变化趋势和实际温度变化趋势是基本吻合的。从而验证了该技术测温误差小、响应时间短、运行可靠且能实现长距离测量，可有效应用于电缆温度在线监测，为电缆导体温度的确定提供有效的参考依据。
关键词：BOTDA；分布式光纤传感器；监测；数据分析；电缆温度

当前，随着我国油田在渤海湾浅海地区石油资源开发规模的扩大，需要敷设的海底动力电缆也越来越多。由于电缆的高负荷运行和海上的复杂运行环境，使得运行中的电缆经常出现断路、短路等故障，带来巨大经济损失。因此，对运行电缆进行在线监测将是保障电缆健康运行的重要措施。从有关文献资料得知，日本学者Nishimoto T，在1996年对一个岛上的66 kV的高压电缆内使用分布式光纤温度应变传感来监测船抛锚和人为的一些机械破坏，取得了一些好的效果；1997年，亚喀巴湾横跨海峡连接约旦和埃及的400 kV海底电缆，采用拉曼散射的分布式光纤温度监视电缆内部温度的变化，从而可对高压电缆导线运行电流和电压状况进行监测，该系统一直应用至今；国内对陆地高压电缆的表面温度也采用基于拉曼散射的分布式光纤温度传感技术进行监测。基于拉曼散射的研究已经趋于成熟，并逐步走向实用化。基于布里渊散射的分布式传感技术的研究起步较晚，但由于它在温度、应变测量上所达到测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其他传感技术，这种技术在目前得到广泛关注与研究。文中提出基于光纤光时域反射(OTDR)的布里渊时域反射分析技术(BOTDA)的分布式光纤传感器对复合海缆进行温度监测。通过实验验证，BOTDA技术可为电缆的健康运行、监测、维护、管理提供帮助。

1 分布式布里渊散射光纤传感器原理介绍
伴随着光纤通信技术的发展，光纤传感器技术也应运而生。光纤传感器提取的是光信号，这样光纤传感器就不会受到周围电磁场的干扰，光纤传感器倒可以将周围环境变化引起的电缆的温度和应变变化检测出来。利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，光纤总线既有传光作用，还有传感作用，此光纤监测系统又称本征分布式光纤监测系统，简称分布式光纤检测系统。目前的分布式光纤传感器主要有两类：
一类是基于拉曼光纤传感器，另一类是基于布里渊光纤传感器。由于拉曼光纤传感器只能监测温度，且测量范围有限，能满足电缆应变变形监测的需要。因此本实验选用布里渊光纤传感器。
布里渊散射基本原理是利用光纤单一截面上的布里渊散射光谱中心频率的漂移量与光纤所受的轴向应变和温度之间的线性关系，如式(1)所示
△V(z)=C1·△ε(z)+C2·△T(z) (1)
式中：△V(z)-布里渊光频移变化量；△ε(z)-传感光纤z(离入射端面距离)处的应变变化；△T(z)-传感光纤z处的温度变化；C1，C2-光纤的布里渊频移应变和温度系数，1 550 nm波长的入射光在普通单模光纤中各个系数为：C1=0．049 3 MHz／με，C2=1．2 MHz／℃。通过测量分析中心频率的漂移变化，便可得到光纤的外表温度和轴向应变。文中是采用基于光纤光时域反射(OTDR)的布里渊时域反射分析技术(BOT DA)的分布式光纤传感器进行温度的测量。结合渤海湾海域海底电缆的现场情况，我们设计定做了一段26／35 kV的XLPE海底电缆作为实验电缆，在XLPE电缆成缆过程中实现内部三相填充物之间加入三组光纤，复合海缆结构示意图如图1所示。