CN104614641A - 一种准分布式光纤光栅导线故障定位系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准分布式光纤光栅导线故障定位系统与方法，该系统包括分布式光纤光栅传感器阵列、光纤光栅波长解调系统和用于数据处理的上位机，在单根光纤上准分布式写制，并与导线紧密结合，通过监测导线温度，达到导线短路故障定位的目的；根据当导线短路时候，导线中短路位置以前，温度会迅速上升，而短路位置以后，因为没有电流的存在温度则会降低的原理，监测系统通过监测导线温度分布来判断导线是否发生短路故障，具有结构简单，体积小，重量轻，抗干扰能力强等优点。

Description

一种准分布式光纤光栅导线故障定位系统与方法

技术领域

本发明涉及一种准分布式光纤光栅导线故障定位系统与方法。

背景技术

导线故障一直威胁着航空航天器材的安全，如果处理不当，有可能失火，产生严重损失。美国仍在使用的航天飞机最初50次飞行中发生过5次失火时间，都是由于导线故障产生。因此，导线故障检测是一个急需完成的课题。

短路是航空航天导线主要的故障之一。短路是指设备中不同点位的导电部分直接金属性连接或通过小阻抗连接在一起。短路过程中，线路里的电流增加为平常正常运行的几倍甚至几十倍。这导致温度急剧上升，如果温度到达可燃物的引燃温度，就会引起火灾。短路又分为一次短路与二次短路。一次短路指的是在自然条件下，导线绝缘会因受潮、高温、酸碱腐蚀等作用而失去绝缘能力；导线使用时间过长、维护不及时，长期带故障运行，造成了导线的耐压强度和机械强度降低而引发短路。

目前，进行导线维护和排故时基本上都是采用目视检查和万用表等人工方法。目视检查法是根据维护规程及工作经验，按照导线的走向，借助手电筒、反光镜、放大镜等设备用眼睛逐段检查导线绝缘层是否存在孔洞、破裂、磨损、腐蚀、烧蚀、线芯裸露、放电痕迹、插头损伤等。由于受到航空航天器材结构的空间限制，导线的缺陷与故障可能处在非常隐蔽的位置，而且每一线束有多根导线组成，使得检查难度非常大。万用表测量方法可以用于对航空航天导线的通断性、传导性、是否接地等工作状态进行判断。测量短路时，万用表量程设置为欧姆档的最高档，测量结果必须大于10兆欧，否则说明线路存在短路故障。但是，利用万用表测量导线故障时，可能会发生机载继电器等设备损坏的情况，而且无法确定导线故障点的位置，因此只能更换整个导线束，从而增加维修成本。

由此可见，传统的航空航天导线故障诊断与定位方法在很大程度上仍然是借鉴现场维修人员的工作经验。通过人工检测方法以求获得满意的诊断效果，难以保证故障的检出率及定位精度。

目前实际应用的导线短路监控系统并不多，且不成熟。主要是传统的电传感器体积及重量影响设备的性能，且其易受电磁干扰，因此在航空航天领域应用并不多。

在不改变现有设备设计的情况下，对设备中的关键部位的导线进行实时监控是非常重要的。首先监测的传感器体积小，重量轻，并且适用各种工况环境，再者，定位方法需要可以根据检测的温度分布情况定位出导线短路的位置。满足上述条件，就可以大大降低设备故障的确定难度，从而提高设备的安全性和可靠性。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种准分布式光纤光栅导线故障定位系统与方法，该系统利用导线短路后，导线温度分布变化，使用分布式光纤光栅实时检测导线各部位的温度，来判定导线的短路位置，具有结构简单，体积小，重量轻，抗干扰能力强等优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种准分布式光纤光栅导线故障定位系统，包括分布式光纤光栅、光纤光栅波长解调系统和上位机；

所述分布式光纤光栅，包括多个均匀分布的光纤光栅，光纤光栅之间间隔相同，所有光纤光栅的中心波长均不同，中心波长由第一根光纤光栅开始依次增加，且均处于C波段；所述光纤光栅固定与导线上，并与导线紧密结合；

所述光纤光栅波长解调系统，安置于光纤上，用于进行波长解调，检测反射的波长变化；

所述上位机为分布式光纤光栅提供所有反射波长并进行实时显示，进行数据处理，判断导线短路位置。

所述分布式光纤光栅的数量大于40。

所述分布式光纤光栅各个光纤的中心波长由第一根光纤光栅开始依次增加1mm。

所述光纤光栅波长解调系统，在一根光纤上进行波长解调，解调系统的采样频率为5kHz，波长精度为1pm。

所述光纤光栅的间距为20cm。

基于上述系统的定位方法，包括以下步骤：

(1)通过分布式光纤光栅检测导线的温度分布情况；

(2)上位机读取温度分布情况，如果发现存在某点前端温度迅速升高、后端温度下降，则判定该分界区域为导线的短路区域，进行预警。

所述步骤(2)中，计算出相应的温度变化通过λ_B0＝2n_eff0Λ₀和Δλ＝(1-P_e)ε+(α+ξ)ΔT；

其中，λ_B0为光纤光栅的中心波长，n_eff0为光纤光栅的有效折射率，Λ₀为光栅的周期，Δλ为光纤光栅的波长变化量，ε为轴向应变，P_e为有效弹光系数，α为热光系数，ξ为热膨胀系数。

本发明的工作原理为：当导线正常工作时，导线上由于电流均衡，温度分布均匀；当A点导线发生短路时候，A点前端短路部分有电流存在，且电流增大，则前端短路部分温度会迅速升高；A点后端则电流消失，温度会明显降低，温度变化的分界区域就是导线的短路区域。

本发明的有益效果为：

(1)实现对导线的实时短路监测，为导线的短路故障判断提供决策依据；

(2)只利用导线短路产生的温度分布变化进行定位，无需其他激励信号，可以有效提高故障判断的可靠性；

(3)光纤光栅传感器重量轻，体积可以忽略不计，同时可以抗电磁干扰，且自身稳定可靠，可以适应用于多种复杂工况；

(4)不干扰电信号，不影响导线的电力传输及通信。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为光纤光栅测温原理；

图3为定位方法示意图。

图4为光纤光栅FBG1测得温度变化图；

图5为光纤光栅FBG2测得温度变化图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明基于分布式光纤光栅导线短路监测系统。系统使用分布式光纤光栅监测导线温度分布。导线正常工作时，导线温度分布均匀。当导线产生短路时，导线上的温度分布会发生明显变化，将温度分布的分界区域判断为短路位置。具体实施方案结合附图对具体实施方案做详细介绍：

分布式光纤光栅导线短路监测系统如图1所示。使用线扎将光纤固定于导线上，并保证光纤与导线的紧密结合。分布式光纤光栅所反射的波长传输给解调系统，解调系统通过波长解调，检测反射的波长变化，从而检测导线上的温度分布情况。

系统包括：分布式光纤光栅，光纤光栅波长解调系统，用于数据处理的上位机和短路定位方法。

分布式光纤光栅：采用飞秒激光写制，每个光纤光栅的间距为20cm，所有光纤光栅的中心波长均不同，中心波长由第一根光纤光栅开始依次加1nm，且均处于C波段，传感器数量n大于40个。使用线扎将光纤固定于导线上，并保证光纤与导线的紧密结合。

光纤光栅波长解调系统：在一根光纤上进行波长解调，解调系统的采样频率为5kHz，波长精度为1pm。

上位机：上位机可以提供分布式光纤光栅的所有反射波长并实时显示出来，并进行数据处理，通过定位方法判断导线短路位置。

光纤光栅检测导线温度变化原理如图2所示。在正常工况情况下，光纤光栅的反射波长稳定不变，当温度升高后，光纤光栅的反射波长会增加，同样，当温度下降时，光纤光栅的反射波长会减小。

通过λ_B0＝2n_eff0Λ₀和Δλ＝(1-P_e)ε+(α+ξ)ΔT，可计算出相应的温度变化。

其中，λ_B0为光纤光栅的中心波长，n_eff0为光纤光栅的有效折射率，Λ₀为光栅的周期，Δλ为光纤光栅的波长变化量，ε为轴向应变，P_e为有效弹光系数，α为热光系数，ξ为热膨胀系数。

定位方法如图1和图3所示，当导线正常工作时，导线上由于电流均衡，温度分布均匀。当A点导线发生短路时候，前段短路部分(a部分)有电流存在，且电流增大，则前段短路部分温度会迅速升高。同时，后端(b部分)则电流消失，温度会明显降低。温度变化的分界区域就是导线的短路区域。由此特征可判断导线发生短路，通过分布式光纤光栅可实时反映出温度分布情况，从而判断短路位置。

如图3所示，假设导线短路位置位于FBG1和FBG2之间，当发生短路后，FBG1和FBG2测得温度变化如图4和图5所示，这两个相邻的光纤光栅测得温度分别是骤然增加和减小，而其他光纤光栅与其相邻的光纤光栅的温度变化基本一致，由此判断短路位置必然在FBG1和FBG2之间。短路故障点的位置判断精度取决于光纤上光纤光栅温度传感器的写制间距，在本发明中，光纤光栅传感器的间距为20cm，即故障位置判定精度为20cm。

该发明具有结构简单，体积小，重量轻，抗干扰能力强等优点，不需要导线中的激励信号，可实时监测，为导线故障提供依据。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种准分布式光纤光栅导线故障定位系统，其特征是：包括分布式光纤光栅、光纤光栅波长解调系统和上位机；

所述分布式光纤光栅，包括多个均匀分布的光纤光栅，光纤光栅之间间隔相同，所有光纤光栅的中心波长均不同，中心波长由第一根光纤光栅开始依次增加，且均处于C波段；

所述光纤光栅波长解调系统，安置于光纤上，用于进行波长解调，检测反射的波长变化；

所述上位机为分布式光纤光栅提供所有反射波长并进行实时显示，进行数据处理，判断导线短路位置。

2.如权利要求1所述的一种准分布式光纤光栅导线故障定位系统，其特征是：所述分布式光纤光栅的数量大于40。

3.如权利要求1所述的一种准分布式光纤光栅导线故障定位系统，其特征是：所述分布式光纤光栅各个光纤的中心波长由第一根光纤光栅开始依次增加1mm。

4.如权利要求1所述的一种准分布式光纤光栅导线故障定位系统，其特征是：所述光纤光栅波长解调系统，在一根光纤上进行波长解调，解调系统的采样频率为5kHz，波长精度为1pm。

5.如权利要求1所述的一种准分布式光纤光栅导线故障定位系统，其特征是：所述光纤光栅的间距为20cm。

6.如权利要求1所述的一种准分布式光纤光栅导线故障定位系统，其特征是：所述光纤光栅固定与导线上，并与导线紧密结合。

7.基于权利要求1-6中任一项所述的系统的定位方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)通过分布式光纤光栅检测导线的温度分布情况；

(2)上位机读取温度分布情况，如果发现存在某点前端温度迅速升高、后端温度下降，则判定该分界区域为导线的短路区域，进行预警。

8.如权利要求7所述的定位方法，其特征是：所述步骤(2)中，计算出相应的温度变化通过λ_B0＝2n_eff0Λ₀和Δλ＝(1-P_e)ε+(α+ξ)ΔT；

其中，λ_B0为光纤光栅的中心波长，n_eff0为光纤光栅的有效折射率，Λ₀为光栅的周期，Δλ为光纤光栅的波长变化量，ε为轴向应变，P_e为有效弹光系数，α为热光系数，ξ为热膨胀系数。