CN204202777U - 一种综合监测海底电缆安全的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种综合监测海底电缆安全的装置，包括光纤传感系统、光学信号解调系统、工控机系统以及监控系统；所述光纤传感系统预置在海底电缆中用于监测电缆的温度、应力和扰动；所述光学信号解调系统接收来自所述光纤传感系统的光学信号，处理后发送数字信号至所述工控机系统；所述工控机系统对输入信号进行处理并发送信号至用于显示及预警的所述监控系统。本实用新型能够对海底电缆的温度、扰动、应力、载流量情况进行实时监测，从而预测出海缆的安全状况。

Description

一种综合监测海底电缆安全的装置

技术领域

本实用新型涉及一种监测海底电缆的装置，特别涉及一种综合监测海底电缆安全的装置。

背景技术

通常电缆的设计制造在电缆出厂时已检验和保证，除一些人为因素外，一般电缆不会有故障隐患。海底光缆长期埋设在海底，海水的强腐蚀性、海浪的冲刷、海底复杂地形对海缆的拉扯甚至海底地震等自然因素，再加上渔船拖曳等人为因素，都可能导致海缆通信的可通率下降和故障增多，从而影响到海缆通信质量。

电缆运行中，除上述受海底电缆外部环境作用于电缆上的动力破坏作用外，其内部电缆负载(电缆导线工作电流与电压)的变化也是引起故障的原因。电缆正常运行的负载与电缆内部温度有直接关系，电缆的额定功率由电缆缆芯周围的介质阻热率决定，进一步由缆芯周围温度来决定。对处在海床内湿度环境的电缆，随着温度越高，周围的土壤变热、阻抗增加、绝缘性差、进一步加快电缆温度上升、绝缘破坏越快、以致电损增加和电缆承担力减小，电缆短时间过载和高温作用相当于长时间轻载运行，因此，高温过载对电缆的使用寿命及损坏相当严重。所以对电缆正常运行中的负载变化，即电缆内部的温度状况进行监测也是保证电缆正常运行的一种重要措施。

海底电缆由于所处的海洋环境条件，维护保养工作极为困难，一旦发现其损坏，往往很难维修，导致平台停产，造成巨大的经济损失，其探测和修复往往将耗费大量的人力、财力和时间，甚至超过新敷设一根电缆的投入。所以防患于未然，对海底动力电缆的运行的相关参数进行实时检测和长期监测是十分必要的。

目前，研究的对象要么是陆地高压电缆，要么采用的方法和技术单一，对特殊环境下的敷设在海床上的动力电缆在线监测难以直接应用，为此，本文提出了一种综合监测方案，分析海底电缆运行中内部和外部的因素，应用光纤分布式测量海底电缆温度、扰动、应力，计算载流量等技术综合进行海底电缆的在线监测。

发明内容

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种综合监测海底电缆安全的装置。

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种综合监测海底电缆安全的装置，包括依次连接的光纤传感系统、光学信号解调系统、工控机系统以及监控系统；所述光纤传感系统预置在海底电缆中用于检测海底电缆的温度、应力和扰动；所述光学信号解调系统用于接收来自所述光纤传感系统的光学信号，处理后发送数字信号至所述工控机系统；所述工控机系统用于对输入信号进行处理并发送信号至所述监控系统，所述监控系统用于对海底电缆的状态进行显示及预警。

本实用新型还可以采用如下技术方案：

所述光纤传感系统包括温度光纤传感器、应力光纤传感器和扰动光纤传感器，所述温度光纤传感器监测电缆的温度，所述应力光纤传感器监测电缆的应力，所述扰动光纤传感器监测电缆的扰动。

所述光学信号解调系统包括温度信号处理单元、应力信号处理单元和扰动信号处理单元；所述温度信号处理单元接收来自所述温度光纤传感器信号；所述应力信号处理单元接收来自所述应力光纤传感器信号；所述扰动信号处理单元接收来自所述扰动光纤传感器信号。

所述工控机系统包括温度监测工控机、应力监测工控机和扰动监测工控机；所述温度监测工控机接收来自所述温度信号处理单元的信号；所述应力监测工控机接收来自所述应力信号处理单元的信号；所述扰动监测工控机接收来自所述扰动信号处理单元的信号。

所述监控系统包括监控主机、显示器和操作键盘，所述监控主机接收来自所述工控机系统和所述操作键盘的信号，并输出信号至所述显示器。

所述监控系统还包括报警装置；所述监控主机内设比较器，所述比较器将接收到的信号与预置的电缆安全状态基准值进行比较，并输出信号控制所述报警装置的工作。

还包括AIS系统，所述AIS系统接收卫星信号并发送海底电缆附近船只位置信号至所述监控系统，

还包括通信系统，所述通信系统包括交换机与光纤收发机，所述监控系统通过所述交换机和所述光纤收发机与所述工控机系统之间通信。

本实用新型具有的优点和积极效果是：本方法通过应用光纤传感系统，对海底电缆的温度、扰动、应力等安全参数进行检测，将高精度分布式监测技术运用到海底电缆的安全监测中，，可将海底电缆的最大可允许的极限温度、扰动、应力、载流量，作为基准值设置到监控系统中，由光纤传感器对海底电缆的温度、扰动、应力、载流量情况进行实时检测，其检测的信号通过处理，输入至监控系统中与基准值进行比较，从而预测出海底电缆安全方面的趋势状况，填补了目前针对海底电缆安全综合监测领域的空白，其具有响应快、实时在线、监测全面、提前预测等特点，充分保障了海底电缆的安全运行。

附图说明

图1是本实用新型的系统构成框图；

图2是本实用新型的结构示意图。

图3是本实用新型的电缆扰动测量工作原理图；

图4是本实用新型的电缆应力测量工作原理图；

图中，1、报警装置；2、显示器；3、操作键盘；4、监控主机；5、光纤收发器；6、交换机；7、KVM切换器；8、温度监测工控机；9、温度信号处理单元；10、UPS不间断电源；11、AIS系统；12、扰动监测工控机；13、扰动信号处理单元；14、应力监测工控机；15、应力信号处理单元。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1～图2，一种综合监测海底电缆安全的装置，包括依次连接的光纤传感系统、光学信号解调系统、工控机系统以及监控系统；所述光纤传感系统预置在海底电缆中用于检测海底电缆的温度、应力和扰动；所述光学信号解调系统用于接收来自所述光纤传感系统的光学信号，处理后发送数字信号至所述工控机系统；所述工控机系统用于对输入信号进行处理并发送信号至所述监控系统，所述监控系统用于对海底电缆的状态进行显示及预警。所述光纤传感系统负责检测电缆的温度、应力和扰动等各种工况，输出的检测信号为光学信号；所述光学信号解调系统，负责将光学信号转变成电信号，再经过模数转换成工控机系统可接收的数字信号，然后发送至所述工控机系统；所述工控机系统，可内置存储器、比较器、运算器等元器件，可对来自所述光学信号解调系统的数字信号进行存储、比较、运算等进一步处理，输出信号至所述监控系统，由所述监控系统进行显示以及进行声、光、语音等各种方式预警。

进一步地，所述光纤传感系统可包括温度光纤传感器、应力光纤传感器和扰动光纤传感器等几种光纤传感器，所述温度光纤传感器监测电缆的温度，所述应力光纤传感器监测电缆的应力，所述扰动光纤传感器监测电缆的扰动。这些光纤传感器内置在海底电缆中，进行温度、应力、扰动监测，可以实时检测感受到被测点的信息，并按一定规律进行传输。具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全、重量轻、体积小、可挠曲、便于复用与成网，有利于与现有光通信设备组成遥测网和光纤传感网络等特点，适用于海洋平台恶劣的自然环境。

进一步地，所述光学信号解调系统可包括温度信号处理单元9、应力信号处理单元15和扰动信号处理单元13；所述温度信号处理单元9接收来自所述温度光纤传感器信号；所述应力信号处理单元15接收来自所述应力光纤传感器信号；所述扰动信号处理单元13接收来自所述扰动光纤传感器信号。所述光学信号解调系统，利用光学原理进行光信号的发送与接收，对前述的光纤传感器进行校准，对数据可靠性进行测试，并对光学信号进行解调编译，输出数字信号至所述工控机系统。

进一步地，所述工控机系统可包括温度监测工控机8、应力监测工控机14和扰动监测工控机12；所述温度监测工控机8接收来自所述温度信号处理单元9的信号；所述应力监测工控机14接收来自所述应力信号处理单元15的信号；所述扰动监测工控机12接收来自所述扰动信号处理单元13的信号。所述工控机系统具有数据采集、传输、分析与储存的功能，其首先对所述光学信号解调系统的数据进行实时数据采集和解调工作，随后，将得到的数据传输至所述监控系统进行数据显示。工控机又称工业控制计算机，是专门为工业控制设计的计算机，用于对生产过程中使用的机器设备、生产流程、数据参数等进行监测与控制，可实现数据采集、运算、存储、传输以及分析等功能，工控机经常会在环境比较恶劣的环境下运行，对数据的安全性要求也更高，所以工控机通常会进行加固、防尘、防潮、防腐蚀、防辐射等特殊设计。

进一步地，所述监控系统包括监控主机4、显示器2和操作键盘3，所述监控主机4接收来自所述工控机系统和所述操作键盘3的信号，并输出信号至所述显示器2。所述监控系统还可包括报警装置1；所述监控主机4可内设比较器，所述比较器将接收到的信号与预置的电缆安全状态基准值进行比较，并输出信号控制所述报警装置1的工作。监控系统负责整个系统的数据显示工作，系统通过对工控机系统实时采集的数据进行收集处理，显示信息，所述监控主机4提取出有用的数据进行与预设值的对比，当所测的数值超过预设报警值时，监控系统即启动报警装置，对海底电缆的安全状况进行预警。监控系统提供丰富的图形化界面，供用户操作，可以实时显示和处理监控数据，将处理分析结果以图形或图表形式显示出来，可以直观的显示运行和故障信息。所述显示器2和操作键盘3可用KVM切换器7代替，所述KVM切换器，又称多计算机切换器，英文缩写KVM，就是Keyboard、Video、Mouse的缩写。其包括一组键盘、显示器和鼠标，能够控制2台、4台、8台、16台甚至到4096台以上的计算机主机。本实用新型采用KVM切换器目的是为了操作工控机系统，应用KVM切换器可以在一台显示器的情况下分别切换操作监测主机、温度工控机、应力工控机和扰动工控机，通过串口与其他工控机相连接。

进一步地，还可包括AIS系统，所述AIS系统接收卫星信号并发送海底电缆附近船只位置信号至所述监控系统，所述AIS系统收集船舶航行等有关信息并直观地显示船舶的相对位置和运动方向，自动接收装有AIS设备的AIS信息。通过AIS的使用能有效避免船舶在海缆周围抛锚对海缆造成的损伤，并实时准确记录了海缆周围的船舶信息，为预防抛锚损伤、事故追责提供可靠依据。

此外，本实用新型还可包括通信系统，所述通信系统可包括交换机6与光纤收发机5，所述监控系统可通过所述交换机6和所述光纤收发机5与所述工控机系统之间通信。

上述设备的供电电源可采用UPS不间断电源10供电。

本实用新型可采用如下的工作原理来实现对电缆的温度、应力和扰动等各种工况的检测：

测量点温度测量原理：

基于拉曼散射效应，和入射光激发晶格谐振的频率相比，散射光的谱线频率发生了位移。反斯托克斯光的强度和温度有关，斯托克斯光和温度无关，而反斯托克斯光的强度随温度的变化而变化，由反斯托克斯光与斯托克斯光光强之比和温度的定量关系，可得温度值T：

$T=\frac{\mathrm{h\Δf}}{k}-\{\ln \left(\frac{I_s}{I_{\mathrm{As}}}\right)+4\ln \left(\frac{f_0+\mathrm{\Δf}}{f_0-\mathrm{\Δf}}\right)-1\}---\left(1\right)$

式中，h为普朗克常数；k为玻尔兹曼常数；Is为斯托克斯光强度；IAs为反斯托克斯光强度；f₀为伴随光的频率；△f为拉曼光频率增量。使用光波导内一点的反斯托克斯光和斯托克斯光强度的一种关系式，即可得到这一点的温度。

测量点定位原理：

根据从发射光脉冲到背向散射光被反射回来所用的时间，以及光在光纤中传输的速度，可得计算距离的公式：

$L=\frac{\mathrm{ct}}{2n}---\left(2\right)$

式中，L为光纤长度；c为光在真空中的速度；n为光纤纤芯的折射率；t为信号从发射到返回(双程)的时间。

根据式(2)，在t时刻测量得到的是离光纤入射端距离为L处的损耗。可确定光纤故障点及断点的位置，对测量点定位。

测量点扰动测量原理：

请参见图3，基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)的FPGA光纤分布式扰动光纤传感检测的工作原理：瑞利后向散射的干涉光信号经过光电探测后转换为电信号，经过前置放大后再进行模/数转换，转为数字信号，最后送入信号处理模块进行阈值判断以实现扰动的判别。若有扰动发生时，则将数据存储、启动报警并给出扰动位置。

测量点应力测量原理：

请参见图4，基于光在光纤传输过程中的布里渊散射效应，布里渊散射是由光纤中的光学光子与光纤中声学声子发生非弹性碰撞产生的，其结果是散射光相对于入射光产生频移，频移的大小与材料的声速成正比，而声速与光纤所受到的应变成正比。布里渊频移VB满足关系式：

$V_B=\frac{{2\mathrm{nV}}_A}{\mathrm{\λ}}---\left(3\right)$

式中，n为纤芯折射率；VA为声速；λ为前向传输的光波在自由空间的波长。

$V_A=\sqrt{\frac{E(1-k)}{(1+k)(1-2)\mathrm{\ρ}}}---\left(4\right)$

式中，E为光纤材料的弹性模量；ρ为光纤密度；k为泊松比，弹光效应将引起折射率变化，而应变ε对声速的影响是通过E，ρ，k实现的。由此可得：

$V_B=\frac{2n}{\mathrm{\λ}\left(\mathrm{\ϵ}\right)}\sqrt{\frac{E\left(\mathrm{\ϵ}\right)[1-k\left(\mathrm{\ϵ}\right)]}{[1+k\left(\mathrm{\ϵ}\right)][1-2k\left(\mathrm{\ϵ}\right)]\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\ϵ}\right)}}---\left(5\right)$

研究证明，布里渊散射频移与材料性质有关，对应变较为敏感，而且与应变ε成线性关系。可表示为：

V_B(t)＝V_B0(1-αt)   (6)

式中，VB(t)为应变t时的频移；VB0为无应变时的频移；α为常数。进一步改写上式可得：

ΔV_B＝αV_B0Δt＝αV_B0t   (7)

布里渊频移的变化量与应变成线性关系，只要测得后向布里渊散射光的频移差，就可得到光纤某点处的应变大小，进而了解整个光纤的受力情况。应力监测原理如图2所示。

本实用新型的安装及工作流程如下：

1、在机柜上，安装好各个系统，将各种光纤传感器连接至光学信号解调系统上。

2、系统调试和参数设置，通过光学信号解调系统，对传感器进行参数设置和调零等工作，然后将计算得到的系统运行允许最大值录入到监控系统中，从而确定相应报警临界值。

3、通过监控系统实时监控电缆及周围船只的状态。

尽管上面结合附图对本实用新型的优选实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种综合监测海底电缆安全的装置，其特征在于，包括依次连接的光纤传感系统、光学信号解调系统、工控机系统以及监控系统；所述光纤传感系统预置在海底电缆中用于检测海底电缆的温度、应力和扰动；所述光学信号解调系统用于接收来自所述光纤传感系统的光学信号，处理后发送数字信号至所述工控机系统；所述工控机系统用于对输入信号进行处理并发送信号至所述监控系统，所述监控系统用于对海底电缆的状态进行显示及预警。

2.根据权利要求1所述的综合监测海底电缆安全的装置，其特征在于，所述光纤传感系统包括温度光纤传感器、应力光纤传感器和扰动光纤传感器，所述温度光纤传感器监测电缆的温度，所述应力光纤传感器监测电缆的应力，所述扰动光纤传感器监测电缆的扰动。

3.根据权利要求2所述的综合监测海底电缆安全的装置，其特征在于，所述光学信号解调系统包括温度信号处理单元、应力信号处理单元和扰动信号处理单元；所述温度信号处理单元接收来自所述温度光纤传感器信号；所述应力信号处理单元接收来自所述应力光纤传感器信号；所述扰动信号处理单元接收来自所述扰动光纤传感器信号。

4.根据权利要求3所述的综合监测海底电缆安全的装置，其特征在于，所述工控机系统包括温度监测工控机、应力监测工控机和扰动监测工控机；所述温度监测工控机接收来自所述温度信号处理单元的信号；所述应力监测工控机接收来自所述应力信号处理单元的信号；所述扰动监测工控机接收来自所述扰动信号处理单元的信号。

5.根据权利要求1所述的综合监测海底电缆安全的装置，其特征在于，所述监控系统包括监控主机、显示器和操作键盘，所述监控主机接收来自所述工控机系统和所述操作键盘的信号，并输出信号至所述显示器。

6.根据权利要求5所述的综合监测海底电缆安全的装置，其特征在于，所述监控系统还包括报警装置；所述监控主机内设比较器，所述比较器将接收到的信号与预置的电缆安全状态基准值进行比较，并输出信号控制所述报警装置的工作。

7.根据权利要求1所述的综合监测海底电缆安全的装置，其特征在于，还包括AIS系统，所述AIS系统接收卫星信号并发送海底电缆附近船只位置信号至所述监控系统。

8.根据权利要求1所述的综合监测海底电缆安全的装置，其特征在于，还包括通信系统，所述通信系统包括交换机与光纤收发机，所述监控系统通过所述交换机和所述光纤收发机与所述工控机系统之间通信。