一种光纤故障老化模型的建立方法
【专利摘要】本发明公开了一种光纤故障老化模型的建立方法，属于电力及通信【技术领域】。该方法首先分析影响光纤可靠性环境的参数指标；再通过实验，获取准确、可靠的数据；然后利用回归分析的方法，建立光纤的故障模型和光纤老化预测模型。所述实验主要分为两部分，接续损耗实验与非接续损耗实验；接续损耗主要包括进行熔接损耗实验与连接器损耗实验；非接续损耗实验主要包括进行弯曲损耗实验、温度-湿度循环实验、浸水实验和湿热实验。本方法基于统计实验与回归分析方法，相比于单纯的理论分析结果更加的实用，且所采用的先进实验设备和科学的实验方法，保证了实验数据和模型的客观准确。
【专利说明】一种光纤故障老化模型的建立方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力及通信【技术领域】，涉及一种光纤故障老化模型的建立方法。
【背景技术】
[0002] 随着光纤在电力系统通信网中应用越来越普及，光纤的可靠性和故障监测也就显 得越来越重要。同时，由于我国地域广阔，各地环境差异比较大，光纤的运用环境也很复杂， 光纤的损耗常常是造成电力光纤光缆故障的主要因素。
[0003] 为了使维护员能够在光缆维护过程中对电力光缆的故障情况能够做出迅速处理， 并对电力市场服务提供快速响应，同时保证向用户提供可靠、经济的能源，需要对光纤的故 障老化情况进行监测，这也是对通信基础设施进行维护及施工中关键的一步。因此，在电力 系统的通信网中，对光纤故障监测技术研究被放在了一个非常重要的位置。
[0004] 目前，大多数研究机构和科研院所对光纤故障监测都偏向于理论化（如模糊理 论、人工神经等）的探索和研究，进行应用与数据分析和状态诊断，这对使用人员来说不易 掌握，没有充分考虑一线运维人员的可操作性。光缆在施工和长期的使用过程中，受到应力 作用或者环境因素的影响下，导致衰耗的增加，对光缆的维护来讲，目前还没有可参考实用 的标准方法来指导光纤的维护作业，缺乏对光纤在实际工作中方便、快捷的故障判断手段。 电力光纤的监测研究可以充分借鉴公共通信的研究成果，但是不能简单对成果进行照搬， 还必须考虑电力光纤通信的网络特征、运行管理等特殊性的基础上，结合电力系统实际，深 入研究光纤监测的关键技术，为其监测网络建设过程提供支撑。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光纤故障老化模型的建立方法，通过科学 的理论分析和大量的实验数据，建立起各类影响因素与光纤链路损耗之间的函数模型，并 依据此模型提出一套简单实用的光纤可靠性和寿命评判方法。
[0006] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] -种光纤故障老化模型的建立方法，包括以下步骤：首先分析影响光纤可靠性环 境的参数指标；再通过实验，获取准确、可靠的数据；然后利用回归分析的方法，建立光纤 的故障模型和光纤老化预测模型。
[0008] 进一步，所述实验主要分为两部分，接续损耗实验与非接续损耗实验；接续损耗主 要包括进行熔接损耗实验与连接器损耗实验；非接续损耗实验主要包括进行弯曲损耗实 验、温度-湿度循环实验、浸水实验和湿热实验。
[0009] 进一步，建立光纤链路损耗和其故障之间的故障模型，采用在实验室环境下开展 对光纤在工程中的熔接点、连接器等造成的光纤链路损耗；通过累计的熔接点、连接器的数 量等参数与通信链路间的损耗分析，对光纤通信链路的故障以及接续损耗瓶颈节点做出判 断；然后，根据设备厂商所提供的产品资料以及实际运行数据对可靠性模型进行修正，以进 一步提高模型的准确性；进而为实际工程中光纤故障的判断提供理论依据。
[0010] 进一步，所述老化模型的建立包括分析电力光纤在受到各种环境因素的影响造成 的老化，通过研究分析、梳理导致光缆老化的因素和技术指标，在实验室环境下开展温度、 温湿度、浸水、湿热、干热等光纤老化实验，将采用数学分析模型，对上述诸多因素进行量 化，建立起老化因素和老化程度之间的光纤老化模型，提出一套简单、实用的光纤可靠性和 寿命的评判方法。
[0011] 进一步，所述环境损耗实验包括以下五种实验：温度实验、温度-湿度循环实验、 浸水实验、湿热实验和干热老化实验；
[0012] 所述温度实验包括：测量端通过光功率计对输出的光进行测量；采用烘箱作为加 热装置；采用温度计来进行实时监测光纤所处的环境温度；把光纤放置好，其大部分都放 到烘箱之中，只有输入和输出端各有很小的一段没有得到加热；
[0013] 所述温度-湿度循环实验包括在温度的测试环境下，在提供的温度范围内，增加 98 %的相对湿度来循环实验光纤性能变化情况；
[0014] 所述浸水实验分为人工模拟渗水环境条件，在光缆外的保护套向光缆内渗透进行 横向渗透，在光缆保护层的局部破损或连接处进行纵向渗透，测试光纤衰减趋势；
[0015] 所述湿热实验包括在温度测试环境下，在温箱中提供85摄氏度和85%相对湿度， 观察时间30天，实验光纤性能变化情况；
[0016] 所述干热老化实验包括在温度测试环境下，在温箱中提供85°C，观察时间30天， 实验光纤性能变化情况。
[0017] 本发明的有益效果在于：本发明所述的光纤故障老化模型的建立方法基于统计实 验与回归分析方法，相比于单纯的理论分析结果更加的实用，且所采用的先进实验设备和 科学的实验方法，保证了实验数据和模型的客观准确。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行 说明：
[0019] 图1为连接器损耗测试示意图；
[0020] 图2为弯曲损耗测试示意图。
【具体实施方式】
[0021] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0022] 在本方法中，首先分析影响光纤可靠性性环境参数指标，再通过实验，获取准确、 可靠的数据。整个实验主要分为两部分，接续损耗实验与非接续损耗实验。接续损耗主要 进行熔接损耗实验与连接器损耗实验；对于非接续损耗主要进行弯曲损耗实验、温度-湿 度循环实验、浸水实验、湿热实验等。然后利用回归分析的方法，建立光纤的故障模型和光 纤老化预测模型。
[0023] 故障模型：
[0024] 采用在实验室环境下开展对光纤在工程中的熔接点、连接器等造成的光纤链路损 耗，建立起光纤链路损耗和其故障之间的故障模型。通过累计的熔接点、连接器的数量等参 数与通信链路间的损耗分析，对光纤通信链路的故障以及接续损耗瓶颈节点做出判断。然 后，根据设备厂商所提供的产品资料以及实际运行数据对可靠性模型进行修正，以进一步 提高模型的准确性。进而为实际工程中光纤故障的判断提供理论依据。
[0025] 下面将针对光纤链路损耗分别进行熔接损耗试验与连接器损耗实验进行分析：
[0026] 熔接损耗实验：光纤熔接质量好坏一般通过熔接损耗和熔接点强度来判断。提高 和改进光纤对准技术是提高熔接质量、降低熔接损耗的主要途径。对熔接指标按照国际电 信联盟电信标准化部第六研究组ETSI 300 783、IEC 1073-l、Bellcore的三大国际标准中 对单接头、多接头的相关规定。对于国内没有规定明确的标准，一般是参照原信产部郑州设 计院提出的中继段单纤平均熔接损耗标准进行设计使用。引起光纤熔接损耗的主要因素 有光纤轴倾斜、光纤轴偏离以及模场失配。其主要设备为Fujikura FSM-40PM电弧光纤熔 接机，主要工具有光缆剪、剥脂钳、擦纤纸、切割刀。对于熔接实验可分为同型号光纤熔接、 不同直径差异光纤熔接、不同厂家型号光纤混用熔接等方面研究。对单个接头质量进行分 析评估，在中继段连接完成后，对整个接头损耗进行评估。其步骤为首先将给定波长的尾纤 (单模光纤）与被测光纤熔接，并测量光纤另一端的输出光功率；然后将该根光纤截断为两 部分，并对其端面切割和洁净处理后再次熔接，测量第二次的输出光功率；根据两次测量结 果即可得到这两端光纤之间的熔接损耗。实验使用的光纤的长度一定（约2m)，因而约束损 耗可以忽略不计，即实验测量所得的损耗为光纤之间的熔接损耗。最后对测试的实验结果 进行统计分析，建立熔接损耗与熔接操作之间的函数模型。
[0027] 连接器损耗实验：采用标准跳线比对法，如图1所示。对单模光纤采用小于50m，对 尾纤自身的损耗可以忽略不计，如果超过50m需要测试光纤自身损耗值。对同一连接器插 头，在进行多次重复插拨计算。并对插拨头两端进行互换再次进行多次重复插拨计算。其 计算公式为CL = -lOlgPi/PjdB)，其中P1为输出光功率，P0为输入光功率。CL为连接器 插入后的损耗。
[0028] 老化模型：
[0029] 分析电力光纤在受到各种环境因素的影响造成的老化，通过研究分析、梳理导致 光缆老化的因素和技术指标，在实验室环境下开展温度、温湿度、浸水、湿热、干热等光纤老 化实验，将采用数学分析模型，对上述诸多因素进行量化，建立起老化因素和老化程度之间 的光纤老化模型，提出一套简单、实用的光纤可靠性和寿命的评判方法。
[0030] 以下分别对每种实验进行分析：
[0031] 弯曲损耗实验：当光纤弯曲时，光在弯曲部分中进行传输，要想保存同相位的电场 和磁场在一个平面里，则越靠近外侧，其速度就会越大。当传导某一位置时，其速度就会超 过光速，这意味着传导模式要变成辐射模。所以，光束功率的一部分会损耗掉，这也意味着 衰减将会增加。光纤的非本征损耗，主要包含辐射损耗与应用损耗，辐射损耗主要是有光纤 制作工艺所致，应用损耗是由光纤的张力、弯曲挤压造成，主要是宏弯损耗。宏弯损耗光纤 的曲率半径比光纤直径大的多的弯曲（宏弯）引起的附加损耗，主要原因有路由转弯和敷 设中的弯曲；光纤光缆的各种预留造成的弯曲（预留圈、自然弯曲）；接头盒中光纤的盘留、 机房及设备内尾纤的盘绕等。微弯损耗光纤轴产生μ m级的弯曲（微弯）引起的附加损耗， 主要原因有：光纤成缆时，支承表面微小的不规则引起各部分受力不均而形成的随机性微 弯；纤芯与包层的分界面不光滑形成的微弯；光缆敷设时，各处张力不均匀而形成的微弯； 光纤受到的侧压力不均匀而形成的微弯；光纤遇到温度变化，因热胀冷缩形成的微弯。所用 设备包括光源、光功率计、光纤熔接机、光纤切割机、单模光纤。其步骤分为：a)、将光纤粘 贴在两根固定棒上，两根固定棒顶部相距2mm，固定一根固定棒，在一个平面内旋转另一根 固定棒来改变光纤的弯曲度；b)、通过测试弯曲度β在16°下的光功率计的读数变化为基 值。然后将β从16°增加到70° (每次增加2° )，测试光功率计读数，该值与初始值的 差值即为该角度下的弯曲损耗。通过采取Ν次取平均值来计算；c)、为进一步分析比较通过 不同波长下的光纤光功率的弯曲损耗，通过绘制不同光波长下光纤弯曲角度与弯曲损耗值 来对应曲线，并分别计算拟合方程和绘制拟合曲线。如图2所示。
[0032] 环境损耗实验：在环境影响下，光纤的性能也会造成不同程度的损耗，通过在实验 室进行模拟各种环境类型来评估对光纤损耗原因。光纤在使用过程中性能的变化（老化） 主要是下列实验环境所作用引起的，通过参考GB/T 15972. 5-1998标准来模拟环境实验来 评价光缆的可靠性。主要包括以下5种实验：
[0033] 温度实验：考虑温度的大幅度变化造成的对光纤不当的侧压力，从而影响光纤的 业务承载能力。其步骤分分为：测量端通过光功率计对输出的光进行测量；采用烘箱作为 加热装置；采用温度计来进行实时监测光纤所处的环境温度；把光纤放置好，其大部分都 放到烘箱之中，只有输入和输出端各有很小的一段没有得到加热。系统首先预热两个小时， 然后开始升温、测量，测量时间间隔为1小时，这是为了保证烘箱温度达到稳定并使光纤充 分加热至稳定温度点。测量温度范围为-60°c到85°C，每隔10°C为一个测量点。
[0034] 温度-湿度循环实验：在温度的测试环境下，在提供的温度范围内，增加98%的相 对湿度来循环实验光纤性能变化情况。
[0035] 浸水实验：光纤表面存在微裂纹或者在连接头松动后，在大气环境中的水汽很容 易侵蚀光纤，导致光纤自身的抗疲劳参数大大下降。其步骤分为人工模拟渗水环境条件，在 光缆外的保护套向光缆内渗透进行横向渗透，在光缆保护层的局部破损或连接处进行纵向 渗透，测试光纤衰减趋势。
[0036] 湿热实验：其方法为在温度测试环境下，在温箱中提供85摄氏度和85%相对湿 度，观察时间30天，实验光纤性能变化情况。
[0037] 干热老化：其方法为在温度测试环境下，在温箱中提供85°C，观察时间30天，实验 光纤性能变化情况。
[0038] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通 过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在 形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
【权利要求】
1. 一种光纤故障老化模型的建立方法，其特征在于：包括以下步骤：首先分析影响光 纤可靠性环境的参数指标；再通过实验，获取准确、可靠的数据；然后利用回归分析的方 法，建立光纤的故障模型和光纤老化预测模型。
2. 根据权利要求1所述的一种光纤故障老化模型的建立方法，其特征在于：所述实验 主要分为两部分，接续损耗实验与非接续损耗实验；接续损耗主要包括进行熔接损耗实验 与连接器损耗实验；非接续损耗实验主要包括进行弯曲损耗实验、温度-湿度循环实验、浸 水实验和湿热实验。
3. 根据权利要求2所述的一种光纤故障老化模型的建立方法，其特征在于：建立光纤 链路损耗和其故障之间的故障模型，采用在实验室环境下开展对光纤在工程中的熔接点、 连接器等造成的光纤链路损耗；通过累计的熔接点、连接器的数量等参数与通信链路间的 损耗分析，对光纤通信链路的故障以及接续损耗瓶颈节点做出判断；然后，根据设备厂商所 提供的产品资料以及实际运行数据对可靠性模型进行修正，以进一步提高模型的准确性； 进而为实际工程中光纤故障的判断提供理论依据。
4. 根据权利要求3所述的一种光纤故障老化模型的建立方法，其特征在于：所述老化 模型的建立包括分析电力光纤在受到各种环境因素的影响造成的老化，通过研究分析、梳 理导致光缆老化的因素和技术指标，在实验室环境下开展温度、温湿度、浸水、湿热、干热等 光纤老化实验，将采用数学分析模型，对上述诸多因素进行量化，建立起老化因素和老化程 度之间的光纤老化模型，提出一套简单、实用的光纤可靠性和寿命的评判方法。
5. 根据权利要求4所述的一种光纤故障老化模型的建立方法，其特征在于：所述环境 损耗实验包括以下五种实验：温度实验、温度-湿度循环实验、浸水实验、湿热实验和干热 老化实验； 所述温度实验包括：测量端通过光功率计对输出的光进行测量；采用烘箱作为加热装 置； 采用温度计来进行实时监测光纤所处的环境温度；把光纤放置好，其大部分都放到烘 箱之中，只有输入和输出端各有很小的一段没有得到加热； 所述温度-湿度循环实验包括在温度的测试环境下，在提供的温度范围内，增加98% 的相对湿度来循环实验光纤性能变化情况； 所述浸水实验分为人工模拟渗水环境条件，在光缆外的保护套向光缆内渗透进行横向 渗透，在光缆保护层的局部破损或连接处进行纵向渗透，测试光纤衰减趋势； 所述湿热实验包括在温度测试环境下，在温箱中提供85摄氏度和85%相对湿度，观察 时间30天，实验光纤性能变化情况； 所述干热老化实验包括在温度测试环境下，在温箱中提供85°C，观察时间30天，实验 光纤性能变化情况。
【文档编号】G01M11/00GK104158585SQ201410367402
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】王贤亮, 陈弟全, 何圣伟, 姜元帅, 梁健, 王毅, 周喆旻, 谢一 申请人:国家电网公司, 国网重庆市电力公司綦南供电分公司