一種海底光電復合纜全方位監測及故障點準確定位方法
【專利摘要】本發明公開了測量【技術領域】的一種海底光電復合纜全方位監測及故障點準確定位方法。本發明采用布里淵分布式應變/溫度測量技術，實現海底光電復合纜實時運行在線監測，通過分析布里淵分布式光纖應變/溫度測量數據獲取海底光電復合纜實時運行狀態信息，并與實際海底電纜狀態信息融合，提取海底光電復合纜路由特征信息，從而實現海底電纜故障點檢測和準確定位。當海底光電復合纜發生故障時，采用兆歐表來檢測電纜故障的性質，判定電纜故障類型，采用時域反射方法進行故障監測并定位光電復合纜中的電纜故障點。結合布里淵光時域反射發測試獲得的光纖故障點和時域反射法獲取的電纜故障點位置，準確獲取海底光電復合纜的故障點地理位置信息。
【專利說明】一種海底光電復合纜全方位監測及故障點準確定位方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于測量【技術領域】，尤其涉及一種海底光電復合纜全方位監測及故障點準 確定位方法。
【背景技術】
[0002]我國作為海洋大國，海岸線達3萬多公里，內陸江河湖泊眾多，海纜作為沿海島嶼 與城市間電力通信、信號傳輸的重要手段，對于保障海島居民正常生活、促進沿海地區國民 經濟發展、加強海防建設具有十分重要的意義。
[0003]海底光纖復合電力電纜(簡稱海底光電復合纜)是一條既能傳輸電能，又能實現光 纖通信的復合纜，安全性和可靠性都比單獨敷設海底光纜和海底電纜高，具有敷設時間短、 施工成本低、節省海底路由資源等諸多優點。
[0004]近幾年我國海底光電復合纜故障率大幅增長。海底光電復合纜故障，從結構上可 分為芯線故障、光纖故障和外層故障，芯線故障包括斷線、混線、絕緣不良、接地等；光纖故 障包括光纖斷裂、接頭處接觸不良等；外層故障包括年久老化、進水、蟲害等，這些損害會進 一步引發海纜芯線故障和光纖故障。所以海纜芯線和光纖的破損是影響海纜正常工作的主 要故障。我國海底光電復合纜大多數敷設于淺海區域，受船錨、漁撈損壞的情況特別嚴重， 易導致海纜芯線、光纖和外層的破損。一旦海底光電復合纜發生故障，必須盡快確定故障類 型、準確定位故障點位置，力爭將損失降到最低限度。但是在茫茫大海中打撈直徑約為Ilcm 的海底光電復合纜相當困難，正因為海底光電復合纜故障定位及維修的特殊性，使得故障 點的定位需要更高的精度，所以我們有必要研究海底光電復合纜全方位監測及故障點準確 定位的新方法、新手段。該方法可避免或減少船錨拖拽等外力破壞造成海纜中斷的停電損 失，縮短海纜中斷后電纜頭的查找時間和搶修時間，極大提高海底光電復合纜運行的可靠 性，對確保電網安全穩定運行具有十分重要的意義。
[0005]近幾年，海底光纜進行在線監測及故障點定位的方法主要有光時域反射法、基于 拉曼散射的光時域反射法和基于布里淵散射的光時域反射法。光時域反射法主要通過測量 光纖中背向瑞利散射光的到達時間來定位故障點距離，無法獲知海底光纜運行過程中的溫 度和應變信息。基于拉曼散射的光時域反射法通過測量光纖中的背向拉曼散射信號獲取 光纖沿線的溫度分布，只能實現海底光纜溫度信息的在線監測，無法實現應變的測量，因此 該技術對受外力破壞的應變事件無法實現在線監測。基于布里淵散射的光時域反射法，通 過檢測光纖中背向布里淵散射信號的頻移和強度，獲取光纖沿線的應變和溫度變化，從而 實現海底光纜故障點位置。但該技術適用于海纜中光纖破損故障、應變/溫度變化較大的 芯線故障和外層故障，對于應變/溫度變化不明顯的芯線故障和外層故障不能直接檢測。 且三種方法都只能測量光纖故障點距測試點的距離，不能確定故障點的地理位置，特別是 光纖余長、線路盤纜、線路路由不平坦等因素會對故障點定位帶來很大的影響，定位精度較 低。
[0006]海底電纜故障點定位方法多采用時域反射法，其基于傳輸線理論，通過計算發射脈沖和故障點回波脈沖之間的時間差來測量線路上故障點的位置，可用于海底電纜長度和 故障點位置的測量，但只能在海底電纜發生故障后進行檢測，無法實現實時在線監測。
[0007]海底光電復合纜不僅具有海底電纜的電力傳輸功能，而且具有海底光纜的光纖信 息傳輸功能。以上故障檢測方法僅局限于單一的故障檢測手段，能體現海底電纜或海底光 纜的狀態，不具備對芯線、光纖和外層故障同時監測的能力，且無法實現海底光電復合纜故 障點的準確定位。因此我們迫切需要找到一種海底光電復合纜全方位監測及故障點準確定 位的新方法，從而保障海底光電復合纜的安全運行。
【發明內容】
[0008]針對【背景技術】中提到的現有的故障檢測方法的檢測手段單一、芯線故障和外層故 障不能直接檢測以及無法實現海底光電復合纜故障點準確定位的問題，本發明提出了一種 海底光電復合纜全方位監測及故障點準確定位方法。
[0009]一種海底光電復合纜全方位監測及故障點準確定位方法，其特征在于，所述方法 具體包括以下步驟:
[0010]步驟1:故障發生前，將布里淵光時域反射儀BOTDR連接到海底光電復合纜的光 纖單元，用光時域反射法對海底光電復合纜進行實時在線監測，獲取光纖的應變/溫度信 息和光纖長度，并根據海底光電復合纜線路的施工材料獲取絞合節距和光纖余長，結合海 底光電復合纜路由、海底地形和海底地質結構信息，提取海底光電復合纜的特征點，觀察記 錄海底光電復合纜的監測數據，建立每相海底光電復合纜的標準測試曲線；
[0011]步驟2:故障發生后，將布里淵光時域反射儀BOTDR測到的故障海底光電復合纜曲 線與該相海底光電復合纜標準測試曲線對比，將應變或溫度出現驟升或驟降的地方，初步 確定為光纖的故障點；并通過光時域反射法，根據布里淵光時域反射儀BOTDR內置時鐘電 路計算的入射光和接收散射光的時間差，計算得到光纖故障點的光纖長度；
[0012]步驟3:斷開布里淵光時域反射儀B0TDR，將時域反射儀TDR連接到海底光電復合 纜的銅導體信號線，得到海底光電復合纜的長度；并進行離線檢測故障，判斷海底光電復合 纜的故障類型，從而根據故障類型所對應的方法確定故障點，計算得到故障點的海底光電 復合纜長度；
[0013]步驟4:根據布里淵光時域反射儀BOTDR和時域反射儀TDR測得的光纖長度和海 底光電復合纜長度，結合絞合節距和光纖余長，建立光纖和海底光電復合纜長度的對應關 系;
[0014]步驟5:對布里淵光時域反射法定位的光纖故障點的光纖長度和時域反射法定位 故障點的海底光電復合纜長度進行比對分析，實現海底光電復合纜的在線/離線的全方位 監測和故障點的準確定位。
[0015]所述海底光電復合纜的特征點包括海底光電復合纜始端、入海處、淺灘處、陡坡 處、出海處和終端。
[0016]所述計算得到光纖故障點的光纖長度的公式為:
[0017]Z=ct/2n
[0018]其中，c為真空中光速，n為光纖折射率，t為入射光和接收散射光的時間差。
[0019]所述進行離線檢測故障，判斷海底光電復合纜的故障類型，從而根據故障類型所對應的方法確定故障點的過程為:
[0020]步驟201:將海底光電復合纜兩端和其他相連設備斷開；
[0021]步驟202:用萬用表的電阻檔測量線芯或金屬護層的連續性，檢查電纜是否存在 中間開路現象，若存在，則確定海底光電復合纜為開路故障，選用低壓脈沖法確定故障點；
[0022]步驟203:若海底光電復合纜的故障線芯對地火線芯之間的絕緣電阻達到幾十兆 歐甚至于更高阻值時，確定海底光電復合纜為閃絡性故障，選用二次脈沖法確定故障點；
[0023]步驟204:若海底光電復合纜一芯或數芯對地絕緣電阻或線芯與線芯之間絕緣電 阻低于幾百歐，則確定海底光電復合纜為短路故障，選用低壓脈沖法確定故障點；若低于正 常值高于幾百歐，則確定海底光電復合纜為高阻故障，選用二次脈沖法確定故障點。
[0024]所述故障點的海底光電復合纜長度的計算公式為:
j Vt
[0025]I =—
[0026]其中，V為脈沖信號在電纜中的傳播速度；t為發射脈沖與反射脈沖的時間間隔。
[0027]所述光纖和海底光電復合纜長度的對應關系為:
[0028]光纖長度=海纜光電復合長度*系數*光纖余長
[0029]其中，系數={[ (3.14*d)2+m2]1/2}/m;d為光纖在海底光電復合纜中的直徑，m為絞 合節距。
[0030]所述對布里淵光時域反射法定位的光纖的故障點位置和時域反射法定位故障點 的海底光電復合纜海底光電復合纜的故障點的距離進行比對分析的過程為:
[0031]步驟501:將用布里淵光時域反射儀BOTDR定位的光纖故障點的光纖長度通過步 驟4中的對應關系進行轉換，計算出光纖故障點的光纖長度對應的海纜長度；
[0032]步驟502:將轉換得到的光纖故障點的光纖長度對應的海纜長度與通過步驟3得 到的故障點的海底光電復合纜長度進行對比，如果兩者的差值的絕對值在0?IOm范圍內， 則得到了故障點的準確定位。
[0033]本發明的有益效果是，采用布里淵光時域反射法和時域反射法相結合的方法對海 底光電復合纜各種故障進行在線/離線全方位監測，建立光纖和海底光電復合纜長度的對 應關系，提取海底光電復合纜的特征點，準確定位海底光電復合纜的故障點，對確保電網安 全穩定運行具有十分重要的意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1為本發明提供的一種海底光電復合纜全方位監測及故障點準確定位方法的 整體框圖；
[0035]圖2為采用布里淵光時域反射法和時域反射法監測海底光電復合纜狀態信息的 連接圖；
[0036]圖3為利用布里淵光時域反射儀BOTDR測量的海底光電復合纜的應變/溫度均值 曲線；
[0037]圖4為布里淵光時域反射儀BOTDR測試曲線去噪及波形分析后提取的海底光電復 合纜特征點；
[0038]圖5為利用TDR測量的故障海底光電復合纜的反射波形；[0039]其中，1-布里淵光時域反射儀BOTDR ;2_海底光電復合纜；3_單模光纖；4_時域反 射儀TDR ；5-海底光電復合纜中的銅導體信號線。
【具體實施方式】
[0040]下面結合附圖，對優選實施例作詳細說明。應該強調的是下述說明僅僅是示例性 的，而不是為了限制本發明的范圍及其應用。
[0041]一種海底光電復合纜全方位監測與故障點準確定位方法，它采用布里淵分布式應 變/溫度測量技術，實現海底光電復合纜實時運行在線監測，通過分析布里淵分布式光纖 應變/溫度測量數據獲取海底光電復合纜實時運行狀態信息，并與實際海底電纜狀態信息 融合，提取海底光電復合纜路由特征信息，從而實現海底電纜故障點檢測和準確定位。當海 底光電復合纜發生故障停止運行時，采用時域反射法對故障海底光電復合纜進行離線故 障檢測，確定故障類型，獲取海底光電復合纜長度及發送端到故障點的實際距離。參考布里 淵光時域反射法測得的光纖長度，建立光纖和海底光電復合纜長度的對應關系，準確獲取 海底光電復合纜的故障點地理位置信息。
[0042]下面，參照相關附圖對本發明的具體設計內容進行說明:
[0043]圖1為海底光電復合纜全方位監測及故障點定位的整體框圖。在海底光電復合纜 故障前，可用光時域反射法對海底光電復合纜進行實時在線監測，并提取海底光電復合纜 測試數據特征點，建立海底光電復合纜標準測試曲線。當海底光電復合纜發生故障后，首先 通過光時域反射法定位故障點光纖位置，再通過時域反射法定位檢測故障，確定故障類型， 將兩者獲取的故障點位置進行信息融合，最終確定故障點位置。從而實現海底光電復合纜 的在線/離線的全方位監測和故障點準確定位。
[0044]BOTDRl直接與海底光電復合纜2中的單模光纖3相連接，TDR4直接與海底光電復 合纜2中的銅導體信號線5相連接。如圖2所示。測量時，I產生的脈沖光經耦合器入射進 海底光電復合纜的光纖單元，當脈沖光在光纖中傳輸時，會產生布里淵散射。部分背向布里 淵散射光會反射回入射端，再通過耦合器進入I的光電檢測與信號處理單元，通過測量光 纖中的背向布里淵散射光的頻率漂移量就可以得到光纖沿線應變或溫度的分布信息。同時 由時鐘電路計算入射光和接收到散射光的時間差，可實現散射點的定位。通過布里淵光時 域反射法測量的海底光電復合纜應變/溫度均值曲線如圖3所示。觀察記錄海底光電復 合纜長時間的監測數據，建立每相海底光電復合纜的標準測試曲線。然后分析海底光電復 合纜路由竣工圖、海底光電復合纜鋪設沿線地形圖和海底地質結構等信息，盡可能多地提 取特征點，如圖4所示。當海底光電復合纜受較大的外力破壞后，海底光電復合纜局部的應 變和溫度都會產生相應的變化，進而導致光纖單元的應變和溫度變化，將海底光電復合纜 故障曲線和標準測試曲線對比，經信息分析處理初步定位故障點的光纖位置。故障后，通過 圖2中4進行故障監測，4發射低壓脈沖信號入射進銅導體信號線，在遇到故障點時，由于故 障點的阻抗與線路的特性阻抗不同，脈沖信號會反射回4的接收單元。根據收集反射波形 的形狀及極性來判斷故障類型，如圖5所示，同時計算故障點回波脈沖與發送測量脈沖之 間的時間差來定位故障點的位置。
[0045]根據布里淵光時域反射法和時域反射法測得的光纖長度和海底光電復合纜長度， 結合絞合節距和光纖余長等參數的影響，建立光纖和海底光電復合纜長度的對應關系。同時對布里淵光時域反射法定位故障點的光纖長度，和時域反射法定位故障點的海底光電復 合纜長度進行比對分析，最后進行修正核對，從而實現海底光電復合纜故障點的準確定位。
[0046]實施例:光纖和海底光電復合纜長度的對應關系的確定過程:
[0047]光纖是以一定的節距絞合在海纜中，根據海纜的直徑和絞合節距計算出光纖的理 論長度。
[0048]光纖長度=海纜光電復合長度*系數*光纖余長
[0049]其中，系數={[ (3.14*d)2+m2]1/2}/m;d為光纖在海底光電復合纜中的直徑，m為絞 合節距。
[0050]但加上盤纜和余長的影響，實際測得的光纖長度又大于理論計算的光纖長度。所 以應結合實際測試獲取的每個特征點的具體位置，首先將特征點的位置對應上，然后將余 長合理加到理論光纖長度中去，從而可實現光纖長度和海纜長度的對應。
[0051]如用TDR測得的海纜長度為3200m，通過公式計算的理論光纖長度為3400m，而用 BOTDR測得的光纖長度為3500m，則光纖存在IOOm的余長。假如在光纖3000m和2000m的 地方有兩個特征點，海纜波形中在1800和2900的地方有特征點，則IOOm的余長應加到兩 個特征點中間，從而確定了余長所處的位置，也實現了光纖和海纜長度及兩者波形的對應。
[0052]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍 為準。
【權利要求】
1.一種海底光電復合纜全方位監測及故障點準確定位方法，其特征在于，所述方法具體包括以下步驟:步驟1:故障發生前，將布里淵光時域反射儀BOTDR連接到海底光電復合纜的光纖單元，用光時域反射法對海底光電復合纜進行實時在線監測，獲取光纖的應變/溫度信息和光纖長度，并根據海底光電復合纜線路的施工材料獲取絞合節距和光纖余長，結合海底光電復合纜路由、海底地形和海底地質結構信息，提取海底光電復合纜的特征點，觀察記錄海底光電復合纜的監測數據，建立每相海底光電復合纜的標準測試曲線；步驟2:故障發生后，將布里淵光時域反射儀BOTDR測到的故障海底光電復合纜曲線與該相海底光電復合纜標準測試曲線對比，將應變或溫度出現驟升或驟降的地方，初步確定為光纖的故障點；并通過光時域反射法，根據布里淵光時域反射儀BOTDR內置時鐘電路計算的入射光和接收散射光的時間差，計算得到光纖故障點的光纖長度；步驟3:斷開布里淵光時域反射儀B0TDR，將時域反射儀TDR連接到海底光電復合纜的銅導體信號線，得到海底光電復合纜的長度；并進行離線檢測故障，判斷海底光電復合纜的故障類型，從而根據故障類型所對應的方法確定故障點，計算得到故障點的海底光電復合纜長度；步驟4:根據布里淵光時域反射儀BOTDR和時域反射儀TDR測得的光纖長度和海底光電復合纜長度，結合絞合節距和光纖余長，建立光纖和海底光電復合纜長度的對應關系；步驟5:對布里淵光時域反射法定位的光纖故障點的光纖長度和時域反射法定位故障點的海底光電復合纜長度進行比對分析，實現海底光電復合纜的在線/離線的全方位監測和故障點的準確定位。
2.根據權利要求1所述的一種海底光電復合纜全方位監測及故障點準確定位方法，其特征在于，所述海底光電復合纜的特征點包括海底光電復合纜始端、入海處、淺灘處、陡坡處、出海處和終端。
3.根據權利要求1所述 的一種海底光電復合纜全方位監測及故障點準確定位方法，其特征在于，所述計算得到光纖故障點的光纖長度的公式為:Z=ct/2n其中，c為真空中光速，n為光纖折射率，t為入射光和接收散射光的時間差。
4.根據權利要求1所述的一種海底光電復合纜全方位監測及故障點準確定位方法,其特征在于，所述進行離線檢測故障，判斷海底光電復合纜的故障類型，從而根據故障類型所對應的方法確定故障點的過程為:步驟201:將海底光電復合纜兩端和其他相連設備斷開；步驟202:用萬用表的電阻檔測量線芯或金屬護層的連續性，檢查電纜是否存在中間開路現象，若存在，則確定海底光電復合纜為開路故障，選用低壓脈沖法確定故障點；步驟203:若海底光電復合纜的故障線芯對地火線芯之間的絕緣電阻達到幾十兆歐甚至于更高阻值時，確定海底光電復合纜為閃絡性故障，選用二次脈沖法確定故障點；步驟204:若海底光電復合纜一芯或數芯對地絕緣電阻或線芯與線芯之間絕緣電阻低于幾百歐，則確定海底光電復合纜為短路故障，選用低壓脈沖法確定故障點；若低于正常值高于幾百歐，則確定海底光電復合纜為高阻故障，選用二次脈沖法確定故障點。
5.根據權利要求1所述的一種海底光電復合纜全方位監測及故障點準確定位方法，其特征在于，所述故障點的海底光電復合纜長度的計算公式為:/=^2其中，V為脈沖信號在電纜中的傳播速度；t為發射脈沖與反射脈沖的時間間隔。
6.根據權利要求1所述的一種海底光電復合纜全方位監測及故障點準確定位方法，其特征在于，所述光纖和海底光電復合纜長度的對應關系為:光纖長度=海纜光電復合長度*系數*光纖余長 其中，系數={[ (3.14*d)2+m2]"2}/m;d為光纖在海底光電復合纜中的直徑，m為絞合節距。
7.根據權利要求1所述的一種海底光電復合纜全方位監測及故障點準確定位方法，其特征在于，所述對布里淵光時域反射法定位的光纖的故障點位置和時域反射法定位故障點的海底光電復合纜海底光電復合纜的故障點的距離進行比對分析的過程為:步驟501:將用布里淵光時域反射儀BOTDR定位的光纖故障點的光纖長度通過步驟4 中的對應關系進行轉換，計算出光纖故障點的光纖長度對應的海纜長度；步驟502:將轉換得到的光纖故障點的光纖長度對應的海纜長度與通過步驟3得到的故障點的海底光電復合纜長度進行對比，如果兩者的差值的絕對值在0~IOm范圍內，則得到了故障點的準確定位。
【文檔編號】G01D21/02GK103557883SQ201310408093
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年9月9日 優先權日:2013年9月9日
【發明者】趙麗娟, 李永倩, 翟麗娜 申請人:華北電力大學（保定）