CN103557883A - 一种海底光电复合缆全方位监测及故障点准确定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了测量技术领域的一种海底光电复合缆全方位监测及故障点准确定位方法。本发明采用布里渊分布式应变/温度测量技术，实现海底光电复合缆实时运行在线监测，通过分析布里渊分布式光纤应变/温度测量数据获取海底光电复合缆实时运行状态信息，并与实际海底电缆状态信息融合，提取海底光电复合缆路由特征信息，从而实现海底电缆故障点检测和准确定位。当海底光电复合缆发生故障时，采用兆欧表来检测电缆故障的性质，判定电缆故障类型，采用时域反射方法进行故障监测并定位光电复合缆中的电缆故障点。结合布里渊光时域反射发测试获得的光纤故障点和时域反射法获取的电缆故障点位置，准确获取海底光电复合缆的故障点地理位置信息。

Description

一种海底光电复合缆全方位监测及故障点准确定位方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，尤其涉及一种海底光电复合缆全方位监测及故障点准确定位方法。 

背景技术

我国作为海洋大国，海岸线达3万多公里，内陆江河湖泊众多，海缆作为沿海岛屿与城市间电力通信、信号传输的重要手段，对于保障海岛居民正常生活、促进沿海地区国民经济发展、加强海防建设具有十分重要的意义。 

海底光纤复合电力电缆（简称海底光电复合缆）是一条既能传输电能，又能实现光纤通信的复合缆，安全性和可靠性都比单独敷设海底光缆和海底电缆高，具有敷设时间短、施工成本低、节省海底路由资源等诸多优点。 

近几年我国海底光电复合缆故障率大幅增长。海底光电复合缆故障，从结构上可分为芯线故障、光纤故障和外层故障，芯线故障包括断线、混线、绝缘不良、接地等；光纤故障包括光纤断裂、接头处接触不良等；外层故障包括年久老化、进水、虫害等，这些损害会进一步引发海缆芯线故障和光纤故障。所以海缆芯线和光纤的破损是影响海缆正常工作的主要故障。我国海底光电复合缆大多数敷设于浅海区 域，受船锚、渔捞损坏的情况特别严重，易导致海缆芯线、光纤和外层的破损。一旦海底光电复合缆发生故障，必须尽快确定故障类型、准确定位故障点位置，力争将损失降到最低限度。但是在茫茫大海中打捞直径约为11cm的海底光电复合缆相当困难，正因为海底光电复合缆故障定位及维修的特殊性，使得故障点的定位需要更高的精度，所以我们有必要研究海底光电复合缆全方位监测及故障点准确定位的新方法、新手段。该方法可避免或减少船锚拖拽等外力破坏造成海缆中断的停电损失，缩短海缆中断后电缆头的查找时间和抢修时间，极大提高海底光电复合缆运行的可靠性，对确保电网安全稳定运行具有十分重要的意义。 

近几年，海底光缆进行在线监测及故障点定位的方法主要有光时域反射法、基于拉曼散射的光时域反射法和基于布里渊散射的光时域反射法。光时域反射法主要通过测量光纤中背向瑞利散射光的到达时间来定位故障点距离，无法获知海底光缆运行过程中的温度和应变信息。基于拉曼散射的光时域反射法通过测量光纤中的背向拉曼散射信号获取光纤沿线的温度分布，只能实现海底光缆温度信息的在线监测，无法实现应变的测量，因此该技术对受外力破坏的应变事件无法实现在线监测。基于布里渊散射的光时域反射法，通过检测光纤中背向布里渊散射信号的频移和强度，获取光纤沿线的应变和温度变化，从而实现海底光缆故障点位置。但该技术适用于海缆中光纤破损故障、应变/温度变化较大的芯线故障和外层故障，对于应变/温度变化不明显的芯线故障和外层故障不能直接检测。且三种方法都只能测量 光纤故障点距测试点的距离，不能确定故障点的地理位置，特别是光纤余长、线路盘缆、线路路由不平坦等因素会对故障点定位带来很大的影响，定位精度较低。 

海底电缆故障点定位方法多采用时域反射法，其基于传输线理论，通过计算发射脉冲和故障点回波脉冲之间的时间差来测量线路上故障点的位置，可用于海底电缆长度和故障点位置的测量，但只能在海底电缆发生故障后进行检测，无法实现实时在线监测。 

海底光电复合缆不仅具有海底电缆的电力传输功能，而且具有海底光缆的光纤信息传输功能。以上故障检测方法仅局限于单一的故障检测手段，能体现海底电缆或海底光缆的状态，不具备对芯线、光纤和外层故障同时监测的能力，且无法实现海底光电复合缆故障点的准确定位。因此我们迫切需要找到一种海底光电复合缆全方位监测及故障点准确定位的新方法，从而保障海底光电复合缆的安全运行。 

发明内容

针对背景技术中提到的现有的故障检测方法的检测手段单一、芯线故障和外层故障不能直接检测以及无法实现海底光电复合缆故障点准确定位的问题，本发明提出了一种海底光电复合缆全方位监测及故障点准确定位方法。 

一种海底光电复合缆全方位监测及故障点准确定位方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤： 

步骤1：故障发生前，将布里渊光时域反射仪BOTDR连接到海底 光电复合缆的光纤单元，用光时域反射法对海底光电复合缆进行实时在线监测，获取光纤的应变/温度信息和光纤长度，并根据海底光电复合缆线路的施工材料获取绞合节距和光纤余长，结合海底光电复合缆路由、海底地形和海底地质结构信息，提取海底光电复合缆的特征点，观察记录海底光电复合缆的监测数据，建立每相海底光电复合缆的标准测试曲线； 

步骤2：故障发生后，将布里渊光时域反射仪BOTDR测到的故障海底光电复合缆曲线与该相海底光电复合缆标准测试曲线对比，将应变或温度出现骤升或骤降的地方，初步确定为光纤的故障点；并通过光时域反射法，根据布里渊光时域反射仪BOTDR内置时钟电路计算的入射光和接收散射光的时间差，计算得到光纤故障点的光纤长度； 

步骤3：断开布里渊光时域反射仪BOTDR，将时域反射仪TDR连接到海底光电复合缆的铜导体信号线，得到海底光电复合缆的长度；并进行离线检测故障，判断海底光电复合缆的故障类型，从而根据故障类型所对应的方法确定故障点，计算得到故障点的海底光电复合缆长度； 

步骤4：根据布里渊光时域反射仪BOTDR和时域反射仪TDR测得的光纤长度和海底光电复合缆长度，结合绞合节距和光纤余长，建立光纤和海底光电复合缆长度的对应关系； 

步骤5：对布里渊光时域反射法定位的光纤故障点的光纤长度和时域反射法定位故障点的海底光电复合缆长度进行比对分析，实现海底光电复合缆的在线/离线的全方位监测和故障点的准确定位。 

所述海底光电复合缆的特征点包括海底光电复合缆始端、入海处、浅滩处、陡坡处、出海处和终端。 

所述计算得到光纤故障点的光纤长度的公式为： 

Z=ct/2n 

其中，c为真空中光速，n为光纤折射率，t为入射光和接收散射光的时间差。 

所述进行离线检测故障，判断海底光电复合缆的故障类型，从而根据故障类型所对应的方法确定故障点的过程为： 

步骤201：将海底光电复合缆两端和其他相连设备断开； 

步骤202：用万用表的电阻档测量线芯或金属护层的连续性，检查电缆是否存在中间开路现象，若存在，则确定海底光电复合缆为开路故障，选用低压脉冲法确定故障点； 

步骤203：若海底光电复合缆的故障线芯对地火线芯之间的绝缘电阻达到几十兆欧甚至于更高阻值时，确定海底光电复合缆为闪络性故障，选用二次脉冲法确定故障点； 

步骤204：若海底光电复合缆一芯或数芯对地绝缘电阻或线芯与线芯之间绝缘电阻低于几百欧，则确定海底光电复合缆为短路故障，选用低压脉冲法确定故障点；若低于正常值高于几百欧，则确定海底光电复合缆为高阻故障，选用二次脉冲法确定故障点。 

所述故障点的海底光电复合缆长度的计算公式为： 

$l=\frac{\mathrm{vt}}{2}$

其中，v为脉冲信号在电缆中的传播速度；t为发射脉冲与反射脉冲的时间间隔。 

所述光纤和海底光电复合缆长度的对应关系为： 

光纤长度=海缆光电复合长度*系数*光纤余长 

其中，系数={[（3.14*d）²+m²]^1/2}/m；d为光纤在海底光电复合缆中的直径，m为绞合节距。 

所述对布里渊光时域反射法定位的光纤的故障点位置和时域反射法定位故障点的海底光电复合缆海底光电复合缆的故障点的距离进行比对分析的过程为： 

步骤501：将用布里渊光时域反射仪BOTDR定位的光纤故障点的光纤长度通过步骤4中的对应关系进行转换，计算出光纤故障点的光纤长度对应的海缆长度； 

步骤502：将转换得到的光纤故障点的光纤长度对应的海缆长度与通过步骤3得到的故障点的海底光电复合缆长度进行对比，如果两者的差值的绝对值在0～10m范围内，则得到了故障点的准确定位。 

本发明的有益效果是，采用布里渊光时域反射法和时域反射法相结合的方法对海底光电复合缆各种故障进行在线/离线全方位监测，建立光纤和海底光电复合缆长度的对应关系，提取海底光电复合缆的特征点，准确定位海底光电复合缆的故障点，对确保电网安全稳定运行具有十分重要的意义。 

附图说明

图1为本发明提供的一种海底光电复合缆全方位监测及故障点准确定位方法的整体框图； 

图2为采用布里渊光时域反射法和时域反射法监测海底光电复合缆状态信息的连接图； 

图3为利用布里渊光时域反射仪BOTDR测量的海底光电复合缆的应变/温度均值曲线； 

图4为布里渊光时域反射仪BOTDR测试曲线去噪及波形分析后提取的海底光电复合缆特征点； 

图5为利用TDR测量的故障海底光电复合缆的反射波形； 

其中，1-布里渊光时域反射仪BOTDR；2-海底光电复合缆；3-单模光纤；4-时域反射仪TDR；5-海底光电复合缆中的铜导体信号线。 

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。 

一种海底光电复合缆全方位监测与故障点准确定位方法，它采用布里渊分布式应变/温度测量技术，实现海底光电复合缆实时运行在线监测，通过分析布里渊分布式光纤应变/温度测量数据获取海底光电复合缆实时运行状态信息，并与实际海底电缆状态信息融合，提取海底光电复合缆路由特征信息，从而实现海底电缆故障点检测和准确定位。当海底光电复合缆发生故障停止运行时，采用时域反射法对故 障海底光电复合缆进行离线故障检测，确定故障类型，获取海底光电复合缆长度及发送端到故障点的实际距离。参考布里渊光时域反射法测得的光纤长度，建立光纤和海底光电复合缆长度的对应关系，准确获取海底光电复合缆的故障点地理位置信息。 

下面，参照相关附图对本发明的具体设计内容进行说明： 

图1为海底光电复合缆全方位监测及故障点定位的整体框图。在海底光电复合缆故障前，可用光时域反射法对海底光电复合缆进行实时在线监测，并提取海底光电复合缆测试数据特征点，建立海底光电复合缆标准测试曲线。当海底光电复合缆发生故障后，首先通过光时域反射法定位故障点光纤位置，再通过时域反射法定位检测故障，确定故障类型，将两者获取的故障点位置进行信息融合，最终确定故障点位置。从而实现海底光电复合缆的在线/离线的全方位监测和故障点准确定位。 

BOTDR1直接与海底光电复合缆2中的单模光纤3相连接，TDR4直接与海底光电复合缆2中的铜导体信号线5相连接。如图2所示。测量时，1产生的脉冲光经耦合器入射进海底光电复合缆的光纤单元，当脉冲光在光纤中传输时，会产生布里渊散射。部分背向布里渊散射光会反射回入射端，再通过耦合器进入1的光电检测与信号处理单元，通过测量光纤中的背向布里渊散射光的频率漂移量就可以得到光纤沿线应变或温度的分布信息。同时由时钟电路计算入射光和接收到散射光的时间差，可实现散射点的定位。通过布里渊光时域反射法测量的海底光电复合缆应变/温度均值曲线如图3所示。观察记录海底 光电复合缆长时间的监测数据，建立每相海底光电复合缆的标准测试曲线。然后分析海底光电复合缆路由竣工图、海底光电复合缆铺设沿线地形图和海底地质结构等信息，尽可能多地提取特征点，如图4所示。当海底光电复合缆受较大的外力破坏后，海底光电复合缆局部的应变和温度都会产生相应的变化，进而导致光纤单元的应变和温度变化，将海底光电复合缆故障曲线和标准测试曲线对比，经信息分析处理初步定位故障点的光纤位置。故障后，通过图2中4进行故障监测，4发射低压脉冲信号入射进铜导体信号线，在遇到故障点时，由于故障点的阻抗与线路的特性阻抗不同，脉冲信号会反射回4的接收单元。根据收集反射波形的形状及极性来判断故障类型，如图5所示，同时计算故障点回波脉冲与发送测量脉冲之间的时间差来定位故障点的位置。 

根据布里渊光时域反射法和时域反射法测得的光纤长度和海底光电复合缆长度，结合绞合节距和光纤余长等参数的影响，建立光纤和海底光电复合缆长度的对应关系。同时对布里渊光时域反射法定位故障点的光纤长度，和时域反射法定位故障点的海底光电复合缆长度进行比对分析，最后进行修正核对，从而实现海底光电复合缆故障点的准确定位。 

实施例：光纤和海底光电复合缆长度的对应关系的确定过程： 

光纤是以一定的节距绞合在海缆中，根据海缆的直径和绞合节距计算出光纤的理论长度。 

光纤长度=海缆光电复合长度*系数*光纤余长 

其中，系数={[（3.14*d）²+m²]^1/2}/m；d为光纤在海底光电复合缆中的直径，m为绞合节距。 

但加上盘缆和余长的影响，实际测得的光纤长度又大于理论计算的光纤长度。所以应结合实际测试获取的每个特征点的具***置，首先将特征点的位置对应上，然后将余长合理加到理论光纤长度中去，从而可实现光纤长度和海缆长度的对应。 

如用TDR测得的海缆长度为3200m，通过公式计算的理论光纤长度为3400m，而用BOTDR测得的光纤长度为3500m，则光纤存在100m的余长。假如在光纤3000m和2000m的地方有两个特征点，海缆波形中在1800和2900的地方有特征点，则100m的余长应加到两个特征点中间，从而确定了余长所处的位置，也实现了光纤和海缆长度及两者波形的对应。 

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。 

Claims (7)

1.一种海底光电复合缆全方位监测及故障点准确定位方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：故障发生前，将布里渊光时域反射仪BOTDR连接到海底光电复合缆的光纤单元，用光时域反射法对海底光电复合缆进行实时在线监测，获取光纤的应变/温度信息和光纤长度，并根据海底光电复合缆线路的施工材料获取绞合节距和光纤余长，结合海底光电复合缆路由、海底地形和海底地质结构信息，提取海底光电复合缆的特征点，观察记录海底光电复合缆的监测数据，建立每相海底光电复合缆的标准测试曲线；

步骤2：故障发生后，将布里渊光时域反射仪BOTDR测到的故障海底光电复合缆曲线与该相海底光电复合缆标准测试曲线对比，将应变或温度出现骤升或骤降的地方，初步确定为光纤的故障点；并通过光时域反射法，根据布里渊光时域反射仪BOTDR内置时钟电路计算的入射光和接收散射光的时间差，计算得到光纤故障点的光纤长度；

步骤3：断开布里渊光时域反射仪BOTDR，将时域反射仪TDR连接到海底光电复合缆的铜导体信号线，得到海底光电复合缆的长度；并进行离线检测故障，判断海底光电复合缆的故障类型，从而根据故障类型所对应的方法确定故障点，计算得到故障点的海底光电复合缆长度；

步骤4：根据布里渊光时域反射仪BOTDR和时域反射仪TDR测得的光纤长度和海底光电复合缆长度，结合绞合节距和光纤余长，建立光纤和海底光电复合缆长度的对应关系；

步骤5：对布里渊光时域反射法定位的光纤故障点的光纤长度和时域反射法定位故障点的海底光电复合缆长度进行比对分析，实现海底光电复合缆的在线/离线的全方位监测和故障点的准确定位。

2.根据权利要求1所述的一种海底光电复合缆全方位监测及故障点准确定位方法，其特征在于，所述海底光电复合缆的特征点包括海底光电复合缆始端、入海处、浅滩处、陡坡处、出海处和终端。

3.根据权利要求1所述的一种海底光电复合缆全方位监测及故障点准确定位方法，其特征在于，所述计算得到光纤故障点的光纤长度的公式为：

Z=ct/2n

其中，c为真空中光速，n为光纤折射率，t为入射光和接收散射光的时间差。

4.根据权利要求1所述的一种海底光电复合缆全方位监测及故障点准确定位方法，其特征在于，所述进行离线检测故障，判断海底光电复合缆的故障类型，从而根据故障类型所对应的方法确定故障点的过程为：

步骤201：将海底光电复合缆两端和其他相连设备断开；

步骤202：用万用表的电阻档测量线芯或金属护层的连续性，检查电缆是否存在中间开路现象，若存在，则确定海底光电复合缆为开路故障，选用低压脉冲法确定故障点；

步骤203：若海底光电复合缆的故障线芯对地火线芯之间的绝缘电阻达到几十兆欧甚至于更高阻值时，确定海底光电复合缆为闪络性故障，选用二次脉冲法确定故障点；

步骤204：若海底光电复合缆一芯或数芯对地绝缘电阻或线芯与线芯之间绝缘电阻低于几百欧，则确定海底光电复合缆为短路故障，选用低压脉冲法确定故障点；若低于正常值高于几百欧，则确定海底光电复合缆为高阻故障，选用二次脉冲法确定故障点。

5.根据权利要求1所述的一种海底光电复合缆全方位监测及故障点准确定位方法，其特征在于，所述故障点的海底光电复合缆长度的计算公式为：

$l=\frac{\mathrm{vt}}{2}$

其中，v为脉冲信号在电缆中的传播速度；t为发射脉冲与反射脉冲的时间间隔。

6.根据权利要求1所述的一种海底光电复合缆全方位监测及故障点准确定位方法，其特征在于，所述光纤和海底光电复合缆长度的对应关系为：

光纤长度=海缆光电复合长度*系数*光纤余长

其中，系数={[（3.14*d）²+m²]^1/2}/m；d为光纤在海底光电复合缆中的直径，m为绞合节距。

7.根据权利要求1所述的一种海底光电复合缆全方位监测及故障点准确定位方法，其特征在于，所述对布里渊光时域反射法定位的光纤的故障点位置和时域反射法定位故障点的海底光电复合缆海底光电复合缆的故障点的距离进行比对分析的过程为：

步骤501：将用布里渊光时域反射仪BOTDR定位的光纤故障点的光纤长度通过步骤4中的对应关系进行转换，计算出光纤故障点的光纤长度对应的海缆长度；

步骤502：将转换得到的光纤故障点的光纤长度对应的海缆长度与通过步骤3得到的故障点的海底光电复合缆长度进行对比，如果两者的差值的绝对值在0～10m范围内，则得到了故障点的准确定位。

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