一根光纤“听”出电缆接头故障：FBG多点监测系统精准捕捉振动信号

 

 

电力电缆是输电线路的关键组成部分，长期运行在复杂环境中，尤其是接头处由于连接工艺、热胀冷缩等原因，成为故障高发区域。一旦发生故障，轻则导致大面积停电，重则引发安全事故。传统的电缆故障监测方法存在诸多局限：基于电信号的监测易受电磁干扰，精度难以保证；部分手段只能实现单点监测，无法快速定位故障点。

能否找到一种抗干扰、可多点分布、实时在线且成本相对较低的监测方案？本研究团队提出了一种基于光纤布拉格光栅（FBG）的输电线路电缆故障多点监测系统。该系统借助FBG反射功率的变化捕捉故障引发的振动信号，结合时分复用（TDM）技术，实现了对电缆多个位置的同步监测，并能有效区分不同位置故障产生的振动信号。相关成果已发表于《光学与光电技术》网络首发。

 

01

 

技术原理：

FBG反射功率变化如何“听”出电缆故障？

传统电学传感器在电缆接头监测中面临三大难题：一是强电磁环境下信号易受干扰，微弱振动难以捕捉；二是单点监测无法覆盖全线，故障定位困难；三是多点串联时传感器之间相互串扰，导致读数失真。这些问题归根结底源于电学传感器“怕干扰、测不远、难串联”的先天不足。

本次研发的FBG电缆故障监测系统，利用光纤布拉格光栅的反射功率变化来解调应变，从而捕捉故障引发的振动信号，从原理上破解了上述难题。系统采用窄带激光光源（波长1550nm，功率10mW，线宽3MHz），经光环形器后串联两个FBG传感器，每个FBG对应一个电缆接头位置。当电缆接头发生故障时，产生的振动信号使FBG产生应变，其反射光谱整体向长波长方向移动。由于激光光源波长固定，光谱移动导致反射光与激光的重叠区域减小，反射功率随之下降。通过光电探测器实时监测反射功率的波动，就可以解调FBG所受的应变，进而推断出由电缆故障引起的振动情况，实现故障检测。

图1  基于光纤光栅的电缆故障检测多点感知系统

为了区分不同FBG的反射信号，系统在串联结构中的每个FBG返回光路中引入不同长度的光纤延迟线，使反射光脉冲在时间轴上错开，实现时分复用（TDM）。经光电探测器采集后，通过时间窗分割即可识别信号来源，从而实现对多个电缆接头位置的同时监测。实验包括单个电缆接头故障以及两个电缆接头同时发生故障的场景。

这种方案无需复杂波长解调设备，成本低、响应快，适合工程应用。

02

 

系统设计与优化：

时分复用+功率补偿，破解多点串扰

2.1

确定线性测量范围

为了准确测量，首先需要标定FBG的应变-反射功率关系。以10με为步长，对FBG1施加0~450με应变。

图2  FBG1的应变与其反射功率之间的关系

结果显示：

 

在0~100με范围内，反射功率与应变成强线性关系，灵敏度为0.52μW/με；超过100με后线性变差。因此，后续实验将应变控制在0~100με内，确保高灵敏度测量。类似地，对 FBG2进行了相同的操作，将其应变范围控制在0με到100με之间。

2.2

功率补偿方法：消除前端串扰

当两个FBG串联时，前端FBG的应变不仅改变自身反射功率，还会影响其传输功率，该传输功率成为后端FBG的输入光，造成后端反射功率中包含前端的干扰频率。为了消除这种影响，提取后端FBG自身应变对应的目标功率，研究团队建立了三种工况下的反射功率模型：

仅FBG1受应变：R₁¹ = I·f(ε₁), R₂¹ = I·(1-f(ε₁))·(1-β)²·r

仅FBG2受应变：R₁² = I·r, R₂² = I·(1-r)·(1-β)²·f(ε₂)

两者同时受应变：R₁¹,² = I·f(ε₁), R₂¹,² = I·(1-f(ε₁))·(1-β)²·f(ε₂)

通过联立方程，可以解出FBG2的目标功率：

该公式有效剔除了前端FBG1的影响，使FBG2的反射功率仅取决于自身应变。对于n个FBG串联的情况，可依此类推。这一方法显著提高了多点检测的精度和可靠性。

 

03

 

实验验证：

单点与多点故障模拟，频率解调准确

在实际场景中，电缆接头故障产生的振动信号通常是包含多个频率分量的周期信号。为了模拟这种振动信号，本文使用多频信号进行了实验。

 

情况1：仅FBG1位置故障

对FBG1施加振幅0~100με、包含1000Hz、1200Hz、1500Hz混合频率的振动信号（见图3）。监测其反射功率（见图4），并对信号做傅里叶变换。（图5）清晰显示三个频率峰值，与施加信号完全一致。

图3 FBG1位置电缆接头故障检测实验

图4 FBG1反射功率变化

图5 FBG1频率解调结果

 

情况2：仅FBG2位置故障

对FBG2施加振幅100~250με、含1100Hz、1300Hz、1600Hz的振动信号（见图6）。同样，反射功率图（图7）有明显波动，傅里叶变换后（图8）的三个频率分量与施加的频率准确对应。

图6 FBG2位置电缆接头故障检测实验

图7  FBG2反射功率变化

图8 FBG2频率解调结果

结果显示：

 

该系统能够准确捕捉不同位置故障产生的振动频率，且采用功率补偿方法后，串联结构的串扰被有效消除。

 

04

 

核心结论：

低成本、可多点、抗串扰的

电缆故障监测新方案

本研究针对输电线路电缆接头故障监测的实际需求，提出并验证了基于FBG反射功率解调的多点监测系统，得出三大核心结论：

1. 优势明显：利用窄带激光边沿滤波，将FBG应变转化为反射功率变化，无需复杂波长解调设备，降低了系统成本。在0~100με范围内灵敏度达0.52μW/με，可捕捉早期微弱振动。

2. 多点定位实现：通过时分复用技术（光纤延迟线）串联多个FBG，成功区分不同位置的故障信号，解决了传统单点监测的局限。

3. 串扰有效消除：针对串联结构中前端FBG对后端的干扰，建立了反射功率模型并提出功率补偿算法，剥离了前端应变带来的虚假成分，使后端FBG的解调结果仅反映本地故障振动，显著提高了多点检测的精度和可靠性。

相较于传统电学监测设备，本系统具备抗电磁干扰、无需现场供电、可远距离传输、多点同步监测、成本低五大优势，可广泛应用于电缆接头密集区、穿墙管廊、跨江跨海隧道等场景，实现电缆运行状态的在线、实时、分布式监测。

 

文章来源：李文娟,韩瑞,吕海霞,等.基于光纤布拉格光栅的输电线路电缆故障多点监测系统[J/OL].光学与光电技术,1-7[2026-05-26].https://doi.org/10.19519/j.cnki.1672-3392.20260407.003.

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