光纤传感技术在海底电缆监测中的研究及应用

1研究背景

海底电缆作为全球能源互联网跨海互联的重要通道，运行环境恶劣，容易造成绝缘老化，并可能导致海缆故障。特别是随着海洋活动日益增加，海缆受船锚拖拽等破坏情况时有发生，传统的监视方式无法及时发现和预警。近年来，全球海缆事故引发重大社会问题时有报道，严重影响了跨海互联智能电网和信息通信网络安全稳定运行。

2主要创新点

基于分布式光纤传感的海缆实时应变/温度监测技术

基于光纤布里渊光时域反射仪（BOTDR）研究光纤布里渊散射频移和强度与海缆应变和温度变化的作用规律，获取海缆正常工作状态和故障状态下的应变与温度数据；研究了光纤应变和温度数据与海缆运行状态的关系，为海缆的故障判断提供理论依据，并确定科学的故障判据。采用有限元技术实现海缆应变和温度的建模与分析，建立了海缆和光纤的应变/温度关系，为海缆应变/温度的准确测量、预警和报警阈值的科学设定提供了理论依据

三维定位技术确定海缆故障点

通过收集分析BOTDR、海缆地理和路由数据，建立了海缆光纤长度与“经纬度-深度”三维信息数据库,为了提高数据库信息的准确度,结合海缆铺设沿线地形图、海缆路由剖面图及海缆路由竣工图等实际情况对数据库进行必要的修正，并尽可能多地提取海缆路由、海底地形和海底地质结构特征点作为标定依据。

一旦海缆发生故障，BOTDR测试数据会有非常明显的变化，系统软件将会发生故障报警，将故障时海缆数据与该通道测试标准曲线相比对，通过查找数据库，立即获得故障点的经纬度和深度信息，从而准确确定故障点位置，为海缆修复和快速打捞提供依据。

海上视频监视与AIS、BOTDR数据融合的海缆肇事确认技术

应用分布式光纤应变测量技术,测量海缆复合光纤的实时应变分布，当锚害发生时BOTDR对应海缆部位的应变数据超过报警阈值时，系统报警并由应变数据确定报警点在光纤上的位置；利用光纤和海缆的长度关系换算出报警点在海缆上的位置，再根据施工路由图中的海缆地理坐标和深度数据得出报警点的地理坐标；由AIS自动识别系统实时记录海缆上方过往船只的航速、时间、经纬度、航向、船号等数据，调取锚害发生时段内的AIS信息，确定肇事船只；岸边摄像头根据地理坐标和肇事船只当前地理坐标计算摄像头偏转角，拍摄肇事船只影像作为肇事逃逸的理赔证据，弥补锚害造成的巨大损失。

全天候海上安全监控技术

利用结合了红外热成像仪与长焦大镜头可见光摄像机组成的视频监控系统，录像海缆上方过往船只。结合BOTDR应变报警数据和AIS接收机接收进入警戒区船舶的AIS信息进行融合判断，通过GPS对监视海域进行网格划分并设置摄像机预置位，以自动控制摄像机转动跟踪肇事嫌疑船只。后台软件对视频、AIS信息进行融合实现系统联动，实现对海缆上方海域过往船舶的全天候、不间断安全监控。当发现异常情况时及时预警、驱离可能肇事船舶，提高了海缆故障防范主动性，确保了跨海电网安全稳定运行，并可为后期肇事理赔提供船舶肇事的有力证据

海缆磁探测技术

首先利用BOTDR或光时域反射仪(OpticalTimeDomainReflectometry，OTDR)对海缆断点距离进行理论定位，然后在海缆登陆点利用直流电源、海缆铜芯及海水构造直流回路，以增强海缆周边磁场的异常分布；再利用磁力仪在海缆断点理论位置附近进行磁场扫描探测，根据磁异常分布判断海缆断点位置的经纬度，通过移植光纤光栅谱峰高精度快速寻峰方法至海缆磁探测曲线峰值探测。

光电复合海缆监测系统集光纤传感、船舶识别、视频监控、信息通信等前沿技术于一体，实现了从海缆本体实时监测到海面过往船舶全方位跟踪监视，从海缆故障事前预警诊断到事后抢修理赔等全过程管控。并与电力在线监测诊断中心系统联网，实现了对海缆全天候、全方位、网络化的远程实时监测、故障诊断和维护管理。

3结语

随着构建全球能源互联网的战略实施和海上风电等清洁能源的大规模开发利用，海缆在跨海跨洋能源、信息互联互通上的作用将越来越大。利用目前广泛应用的光电复合海底电缆的光纤作为分布式传感元器件，实现对海缆运行状态在线监测和故障诊断预警的技术研究，这将是光纤在通信传输领域发挥重大作用后，在传感技术领域又一里程碑式的应用创举。