張偉超 張立永

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

關(guān)鍵詞：光纖傳感;主動(dòng)加熱光纜;分布式光纖測(cè)溫;海纜懸空檢測(cè)

DOI：10.15938/j.jhust.2020.03.008

中圖分類號(hào)：?TM855

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：?A

文章編號(hào)：?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(guó)沿海城市的快速發(fā)展以及海上風(fēng)電技術(shù)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(xù)增加[1-5]。特別是對(duì)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(fā)生故障會(huì)造成全島的供電中斷，所造成的經(jīng)濟(jì)損失和負(fù)面影響巨大。海底電纜敷設(shè)完成后會(huì)受到水流沖擊、涌浪和海床移動(dòng)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(huì)導(dǎo)致其在海中晃動(dòng)，長(zhǎng)期晃動(dòng)的海纜容易發(fā)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)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(tài)的檢測(cè)主要是通過(guò)定期的人工排查而發(fā)現(xiàn)，但該種人工檢測(cè)方式具有極大的監(jiān)測(cè)盲區(qū)很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)懸空電纜。為保障海底電纜的安全運(yùn)行，多種故障檢測(cè)和定位的方法已被研究[8]。日本學(xué)者首先通過(guò)分布式光纖傳感進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)來(lái)推斷海底電纜絕緣局放的發(fā)生[9]。隨后，Olafsen和Floden等人實(shí)驗(yàn)證實(shí)海纜溫度超過(guò)90℃后，海底電纜絕緣老化迅速，為光纖測(cè)溫檢測(cè)海纜絕緣故障提供了有利支撐[10]。另外，也有學(xué)者利用分布式光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)海纜受外力沖擊時(shí)的應(yīng)力變化來(lái)確定海纜的故障[11]。以上方法雖然在海纜的故障監(jiān)測(cè)中起到了很大的作用，但目前尚沒(méi)有學(xué)者直接針對(duì)海纜懸空問(wèn)題展開(kāi)研究。

主動(dòng)加熱分布式光纖測(cè)溫檢測(cè)是一種基于拉曼散射或布里淵散射的分布式光纖測(cè)溫的檢測(cè)方法，該方法在大型建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，海底管道懸空監(jiān)測(cè)和土壤濕度檢測(cè)中均有應(yīng)用[12-17]。在海纜外側(cè)敷設(shè)具有加熱纜和多模光纖的輔助結(jié)構(gòu)，通過(guò)加熱帶主動(dòng)加熱，采用拉曼分布式光纖傳感技術(shù)檢測(cè)加熱過(guò)程中沿海纜軸向分布的溫度數(shù)據(jù)。不同介質(zhì)導(dǎo)熱特性不同[18]，海纜敷設(shè)環(huán)境的泥沙和海水的熱傳遞參數(shù)不同，主動(dòng)加熱后光纖所測(cè)得不同介質(zhì)的溫度增量將出現(xiàn)差異，可根據(jù)溫度增量分布結(jié)果判斷海底電纜的懸空區(qū)域。

1?系統(tǒng)基本原理及結(jié)構(gòu)

拉曼散射分布式測(cè)溫技術(shù)（DTS）已經(jīng)是較為成熟的光纖傳感技術(shù)，目前有眾多的商業(yè)化產(chǎn)品。分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)將泵浦紅外激光脈沖饋入測(cè)試光纖中，依據(jù)背向拉曼散射原理，測(cè)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(qiáng)度相對(duì)穩(wěn)定，而反斯托克斯光強(qiáng)度為溫度敏感量。利用該特性，光纖軸向溫度可以通過(guò)斯托克斯和反斯托克斯背散射光強(qiáng)的比率來(lái)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(shí)即為分布式測(cè)溫光纖解調(diào)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(dá)光電轉(zhuǎn)換器的功率比值。分母中的積分環(huán)節(jié)表示光沿光纖傳播的能量衰減和光纖介質(zhì)對(duì)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(tài)的分布γ=hΩk，其中h是普朗克的常數(shù)，?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(shù)。

DTS設(shè)備本征功能是獲取沿光纖分布方向的周圍介質(zhì)溫度信息，多用于被動(dòng)的溫度監(jiān)測(cè)而發(fā)現(xiàn)故障信息，如隧道火宅監(jiān)測(cè)，電纜溫度監(jiān)測(cè)等。但如果對(duì)敷設(shè)光纖的區(qū)域主動(dòng)施加熱驅(qū)動(dòng)，熱能會(huì)在介質(zhì)中聚集而導(dǎo)致溫度升高，不同介質(zhì)的熱導(dǎo)能力不同，介質(zhì)溫度便會(huì)呈現(xiàn)差異。通過(guò)加熱后介質(zhì)的溫度分布可以一定程度上區(qū)分介質(zhì)的組成。

當(dāng)對(duì)加熱纜施加功率電流時(shí)，其周圍產(chǎn)生熱能并向外輻射，因不同介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)不同因此在不同介質(zhì)覆蓋時(shí)介質(zhì)中的溫度不同[20]。采用Ttol作為介質(zhì)指示參數(shù)：

式中：T是溫度值，t代表時(shí)間。T是與介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān)的函數(shù)，可表示為T（C），當(dāng)主動(dòng)加熱光纖帶處于不同介質(zhì)時(shí)，Ttol會(huì)呈現(xiàn)不同分布特征。在熱傳遞系數(shù)較大的介質(zhì)處，Ttol會(huì)呈現(xiàn)階躍變化。海底電纜敷設(shè)環(huán)境主要是水和泥沙，兩種介質(zhì)熱傳遞參數(shù)存在較大差異，對(duì)電纜沿線進(jìn)行主動(dòng)加熱后分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)獲得Ttol分布便可推斷懸空與海水之中的電纜區(qū)域。設(shè)計(jì)如圖1所示的敷設(shè)帶結(jié)構(gòu)，采用尼龍材料作為護(hù)套夾具便于安裝，內(nèi)部安置有測(cè)溫光纖和加熱銅纜。加熱帶的一端采用環(huán)氧樹(shù)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(zhì)主動(dòng)加熱溫度分布仿真

采用熱場(chǎng)有限元瞬態(tài)仿真分析不同介質(zhì)不同時(shí)刻的溫度分布特性。利用熱場(chǎng)有限元分析軟件COMSOL建立仿真模型。因海底環(huán)境復(fù)雜，介質(zhì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)往往在不同海域具有不同的參數(shù)值，仿真模型做了相應(yīng)簡(jiǎn)化，建立了三種典型結(jié)構(gòu)的仿真模型如圖2所示，三種模型總長(zhǎng)度均為1m，徑向中心位置設(shè)計(jì)直徑為0.01m的銅模擬主動(dòng)加熱的銅纜熱源，模型中間0.3m范圍周圍設(shè)置水介質(zhì)。為對(duì)比介質(zhì)對(duì)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(zhì)。圖（a）為全對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，模型前端和后端，銅管上下分別設(shè)置0.1m厚的泥沙;圖（b）為徑向?qū)ΨQ式結(jié)構(gòu)，模型前端和后端，銅管下端設(shè)置0.1m厚泥沙，上端設(shè)置薄層泥沙和水混合介質(zhì);圖（c）為非對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，在前端銅管上方設(shè)置薄層泥沙和水，后端銅管上方設(shè)置為全水介質(zhì)。

在中心銅帶施加功率為100W的熱載荷，模型其它部分溫度設(shè)置為室溫溫度21℃，對(duì)三種模型網(wǎng)格拋分后進(jìn)行瞬態(tài)分析。圖3～5是三種模型加熱時(shí)間為300s時(shí)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(gè)模型的溫度呈啞鈴狀對(duì)稱分布，相比泥沙介質(zhì)包圍該值降低很多。圖3（b）曲線可見(jiàn)，泥沙包圍的部分測(cè)溫光纖附近的最高溫度為28℃左右，被水介質(zhì)包圍部分測(cè)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(jiàn)測(cè)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(dāng)從水包圍到泥沙包圍時(shí)，溫度迅速提高，泥沙與水介質(zhì)的交界可從溫度值的突變而被識(shí)別。圖4中銅纜上端為少量泥沙覆蓋，與大量泥沙覆蓋時(shí)的溫度分布趨勢(shì)接近，水覆蓋區(qū)域溫度值明顯低于泥沙覆蓋區(qū)域的溫度。泥沙與水介質(zhì)的交界處的溫度變化顯著。圖5中模型左側(cè)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(zhì)覆蓋。圖5（b）光纖軸向溫度分布曲線可見(jiàn)，左側(cè)泥沙完全覆蓋區(qū)域溫度最高，水包圍區(qū)域溫度最低，右側(cè)僅有泥沙支撐區(qū)域的溫度值也高于水介質(zhì)包圍區(qū)域溫度值。依據(jù)光纖測(cè)得溫度分布曲線，泥沙與水介質(zhì)界面處清晰可見(jiàn)。

另外三種典型結(jié)構(gòu)的仿真云圖發(fā)現(xiàn)，泥沙包圍時(shí)相比水包圍時(shí)熱能在沙中的分布范圍更廣，主要因水流流動(dòng)熱量可以迅速對(duì)外傳遞，而泥沙相對(duì)水的熱傳遞速度較慢。

3?實(shí)驗(yàn)及分析

3.1?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

采用長(zhǎng)方體玻璃槽模擬水和泥沙環(huán)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(cè)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(cè)溫系統(tǒng)相連接，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.2?實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

圖7為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)加熱10～40min的測(cè)溫光纖曲線。因光纜并非均勻材質(zhì)，導(dǎo)致測(cè)得溫度值出現(xiàn)小幅波動(dòng)。根據(jù)曲線分布規(guī)律可見(jiàn)，加熱過(guò)程中不同介質(zhì)所測(cè)溫度差異顯著，空氣、泥沙和水介質(zhì)包圍的光纖溫度依次降低。并且在介質(zhì)分界處溫度出現(xiàn)階躍變化，根據(jù)溫度突變位置可確定介質(zhì)交界位置。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，溫度解調(diào)設(shè)備光纖法蘭接口處為初始位置原點(diǎn)，沿測(cè)溫光纖延長(zhǎng)線6m處和11m處的兩點(diǎn)恰好是水中和泥沙中的兩個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。對(duì)比6m處和11m兩點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化曲線，如圖8所示。分析發(fā)現(xiàn)，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(cè)點(diǎn)溫度值均緩慢提升，但水中檢測(cè)點(diǎn)的溫度在達(dá)到一定溫度值后趨于平穩(wěn)，泥沙中檢測(cè)點(diǎn)溫度持續(xù)升高。

由于海底環(huán)境復(fù)雜，不同位置的初始溫度可能不同，僅從加熱過(guò)程的絕對(duì)溫度變化來(lái)區(qū)分不同介質(zhì)的結(jié)果具有較大分散性。為準(zhǔn)確識(shí)別介質(zhì)分界面，采用溫度增量為判據(jù)，圖9是上述數(shù)據(jù)水和泥沙介質(zhì)中的溫度增量曲線?？梢?jiàn)，相同加熱時(shí)間泥沙的溫度增量高于水中溫度增量，且介質(zhì)分界面在溫度曲線中出現(xiàn)明顯的階躍變化。

4?結(jié)?論

基于拉曼散射分布式光纖測(cè)溫技術(shù)，采用主動(dòng)加熱方式提升海底電纜表面溫度，由于不同介質(zhì)熱傳遞性不同，依據(jù)溫升值推斷海纜在水中的懸空區(qū)域。有限元仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，在水和泥沙包圍的光纖介質(zhì)周圍施加熱驅(qū)動(dòng)后，分布式光纖測(cè)得的兩種介質(zhì)包裹區(qū)域的溫升值差異顯著，不同介質(zhì)間溫度沿軸向方向出現(xiàn)階躍變化;水中溫升變化小于泥沙，且加熱一定時(shí)間后，水中溫升趨近于零，泥沙中溫度持續(xù)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(cè)海纜的懸空狀態(tài)并進(jìn)行定位。海底電纜多為光電復(fù)合纜，基于該研究未來(lái)可進(jìn)一步利用海纜內(nèi)部光纖測(cè)溫和載荷發(fā)熱來(lái)推算外部介質(zhì)的情況。

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（編輯：溫澤宇）