光纤传感技术在智能电网中的应用

关 巍

（河北省电力公司，石家庄 050021）

智能电网作为电网技术未来发展趋势已经得到共识，成为我国电网发展的一个重要方向。传感技术则是智能电网中非常重要的一环，通过先进的传感技术可以获得准确的数据信息以用于智能电网的各个方面使用[1]。

光纤传感技术是传感器家族的新成员。在这一技术中，光纤即是测量信号载体，也可以是传感媒质。与传统的传感技术相比，具有抗电磁干扰、抗辐射性能好、绝缘、耐高温、耐腐蚀等众多优异性能，能够对温度、振动、电流、应变等多种参量实现在线测量。同时借助于光纤的低传输损耗和宽的频带范围特性，光纤传感技术可以实现大的监测覆盖范围和高效的信息传输性能，迎合了智能电网对先进传感技术的需要，是非常有前景的传感技术[2]。

1 光纤传感技术现状

与其他传感技术相比，光纤传感有着非常独特的布设方式。除了与传统传感器一样“点式”布设的全光纤电流互感器、光纤荧光温度传感器和光纤FP 传感器外，还有“准分布式”的光纤光栅传感器，以及“分布式”的光纤拉曼传感和光纤布里渊传感技术。

1.1 全光纤电流互感器

全光纤电流互感器[3]是基于法拉第磁光效应。即处于磁场中的光纤会使在光纤中传播的偏振光发生偏振面的旋转。由于载流导线在周围空间产生的磁场，导致线偏振光通过置放在磁场中的法拉第磁光材料时会发生偏转Δθ=4VNI。式中V是光纤材料的Verdet 常数，指光波在磁光材料中通过单位长度，由单位电流产生的磁场引起的旋转角的大小；N是光纤绕载流导体的圈数；I是穿过光纤环的电流强度。

如图1所示，由光源发出的光经过一个耦合器后由光纤偏振器起偏，经偏振光平分为两份，分别沿保偏光纤的X 轴和Y 轴传输，经相位调制器和闭环控制电路产生相位偏置、调制信号和反馈信号，利用λ/4 波片进行线偏振光与圆偏振光的相互转化。载流导线周围产生的磁场使传感光纤中正交的两束圆偏振光产生相位差，该相位差与导线中磁场强度（电流强度）成正比，通过测量干涉光强可以检测出相位差，从而得到被测电流值。

图1 全光纤电流互感器原理图

1.2 光纤荧光温度传感器

荧光式测温方法[4]是在光纤末端加入荧光物质，经过一定波长的光激励后，荧光物质受激辐射出荧光能量，且荧光的强度和辐射光的能量成正比，根据荧光的强度可以检测温度。而激励撤消后，荧光余晖的持续性取决于荧光物质特性、环境温度等因素，这种受激发荧光通常是按指数方式衰减的，称衰减的时间常数为荧光寿命或荧光余晖时间。由于在不同的环境温度下，荧光余晖衰减也不同。因此也通过测量荧光余晖寿命的长短，来检测环境温度。

1.3 光纤光栅传感技术

光纤光栅[5]是利用光纤材料的光敏特性，结合相位掩模和紫外激光曝光技术沿纤芯轴向形成的一种折射率周期性分布的结构光纤光栅示意图如图2所示。

图2 光纤光栅示意图

这种特殊的结构周期性分布能改变某一特定波长的光的传输路径，使光的传播方向发生改变，相当于在光纤中形成一定带宽的滤波器或反射镜。其中反射光的波长由纤芯折射率和光栅周期决定：

将上述方程两边取微分，可得

可见任何一个使折射率变化周期Λ和有效折射率neff发生改变的物理过程都将引起光纤光栅波长的漂移。当外界的温度或应变发生变化时，就会引起光纤光栅的有效折射率和光栅周期发生改变，从而使得光纤光栅波长发生偏移，通过高分辨率的波长检测装置检测这个偏移量，就可得知外界被测量的变化信息。

将不同反射波长的光纤光栅组成“准分布式”传感网络，如图3所示。用一宽带光谱光源输出光，经光分路器到达不同峰值波长的光纤光栅传感器阵列；反射光再经分路器送至波长可调谐滤波器。只有当反射光波长与可调谐滤波器的波长相同时，才能通过滤波器被探测器接收。根据“可调谐滤波器波长——探测器功率”的对应关系计算出传感光栅的波长位置。

图3 光纤光栅“准分布式”多点监测网络

1.4 光纤分布式传感技术

当光波在光纤中传播时，光波在介质内部出现各种散射如图4所示。只有光强出现变化的是瑞利散射，频率出现变化的是拉曼和布里渊散射。检测由光纤沿线各点产生的后向散射，通过这些后向散射光与被测量（如温度、应力、振动等）的关系，可以实现光纤传感特有的分布式传感。

图4 光纤散射现象

拉曼散射[5]是光量子和介质分子相碰撞时产生的非弹性碰撞过程，而非弹性碰撞伴随着能量的转换。注入光纤的激光光子与光纤的二氧化硅分子的非弹性碰撞结果会产生了一个长波长的斯托克斯光子和短波长的反斯托克斯光子，众多分子与光子的这种碰撞结果就产生了斯托克斯和反斯托克斯散射光。同时反斯托克斯散射光强对温度很敏感且与温度成线性关系，利用斯托克斯和反斯托克斯散射光强的比值可以精确推算光纤的温度场分布。实测斯托克斯与反斯托克斯光之比可计算出绝对温度值。测量光纤中的反斯托克斯拉曼反射信号可以实现分布式温度传感。

介质密度起伏通过压力变化引起的非弹性散射，称之为布里渊散射[5]。光纤中的布里渊散射是由入射光与光纤自身的声子相互作用产生的，由于入射光与光纤自身的声子相互作用而引起的介质能级间距变化的差异很小，所以布里渊谱线的分布距瑞利散射谱线很近而且较窄。与拉曼散射强度仅与温度有关不同，布里渊散射光的频移量与环境温度和应力呈线性关系，因此具有更多潜在的应用领域，已成为国际上最活跃的热点课题之一。

2 光纤传感在电力系统中的应用

随着光纤传感技术的发展日臻成熟，相关产品和技术已经覆盖电力系统从发电、输电、变电到配电等多个领域，涵盖温度、应变、振动/加速度、电流、压力等多种参量，见表1。

表1 光纤传感技术在智能电网中的应用

2.1 汽轮发电机和风力发电机健康监测

汽轮发电机长时间运行，定子和楔子的松动会引起发电机振动和定子绝缘度降低。此外发电机过度负荷也会引起材料膨胀从而导致局部压力增加，引起材料发生断裂。在定子端部安装光纤光栅振动传感器（如图5所示），并通过分析基频及不同倍频的特征，可以有效对发电机定子进行在线监测[6-7]。

图5 安装在发电机上的光纤光栅振动传感器[6]

叶片作为风力发电机的核心部件，其良好的结构特性是机组长期安全高效运行的前提。叶片不仅要承受强大的风载荷，还要经受气体冲刷、砂石粒子冲击，以及强烈的紫外线照射等外界侵蚀,裂纹在恶劣的环境下频繁地产生。风力发电设备上，为了减小叶片、驱动轴以及其它关键结构部件的非对称负载，如图6所示，需要在发电机叶片上安装光纤光栅应变传感器用于监控叶片的负载、结冰等情况[8]。

图6 安装在叶片上的光纤光栅应变传感器[9]

2.2 架空线路健康监测

架空线路的健康监测，尤其是覆冰监测，是智能电网的监测重点也是难点。架空线路因为距离长、环境恶劣、电磁环境复杂等原因，传统的监测技术和手段无法满足实际需要。近年来，新建电力输电线路中普遍架设了光纤复合相线（optical phase conductor，OPPC）、光纤复合架空地线（optical fiber composite overhead ground wire，OPGW），使光纤光栅传感器在输电线状态监测中的应用具备了传输通道的基础条件[10]。

将光纤光栅温度传感器和应变传感器安装在电力线及其杆塔上，用于测量电力线和杆塔的应变和温度。由于电力线的表面结冰会使电力线受到的应力比没有覆冰的时候变大，当光纤光栅应变传感器监测电力线的应变变化时，结合温度传感器的测量结果去除电力线本身热胀冷缩的影响，就可以得到因为电力线表面覆冰造成的应变加大值，再根据应变的变化，结合电力线的杨氏模量，计算出应力值，再把架空电力线看成抛物线，计算出重量的增量，就能推算出电力线表面覆冰的厚度。在电缆上安装光纤光栅振动传感器，可以对风载荷引起的电缆舞动、微风振动等进行监测。在杆塔上安装倾角传感器可以对杆塔的结构进行监测，预防杆塔倒塌事故发生[11-13]。

此外，由于光纤布里渊分布式传感可以利用OPPC 和OPGW 对温度和应力同时监测，且传感距离可远至50km 以上，因此也进行了多次架空线覆冰监测测试[14-15]。与其它技术相比，光纤布里渊分布式传感可以实时测量空间温度和应变场分布，且不受高压线路电磁场的影响，适宜对处于恶劣地形、不宜人工巡视的线路进行监测。但布里渊技术价格高昂，相关理论工作还有待完善，目前该技术仍处于推广初期。

2.3 电流监测

全光纤电流互感器经过二十余年的发展，现在已经具备了商品使用价值，有许多国家和地区已经到了挂网运行的阶段。与传统的电磁电流互感器相比具有显著的优点而受到越来越广泛的关注。表2对于两种电流传感器的性能进行了比较。

综上所述，随着光纤电流传感器技术的日益成熟，技术法规及相关标准的建立，光纤电流传感器必将逐步取代传统的电磁式电流传感器而成为电网监测的最主要手段之一。

表2 两种电流传感的性能比较[3]

2.4 电气设备触点温度监测

温度是电气设备运行的一个重要参数，是反映变电站中开关、刀闸，电缆接头是否正常运行的重要指标。变压器中也有著名的6℃法则，即运行温度超过最热点温度6℃，设备寿命减半。但在高电压，强电磁场条件下，传统的传感技术无法直接接触发热体表面，多采用红外非接触测温或是简介换算的方法，而光纤光栅传感器和光纤荧光传感器可以直接粘贴在高电压电气设备表面进行温度测量，且通过网络通信发送至控制室统一监管，能掌握设备工作状态以及缺陷和退化情况[16]。因此将光纤光栅温度传感器或光纤荧光传感器用于开关柜和刀闸，以及电缆接头的实时温度监测具有重要的意义。

2.5 动力电缆温度监测

动力电缆传输电流过载、电缆接头处阻抗大、绝缘皮老化或电缆本身局放等原因，致使电缆表面产生温升，电缆绝缘层和保护层产生阴燃，并伴随大热量、可燃气体的产生，随着温度进一步上升即产生烟雾，从而发展为火灾。因此，电缆故障首先会产生大量的热量。传统的电缆监测技术是采用感温电缆技术，但该技术在测温准确性、报警策略、远程监控等方面都不能满足实际需要。光纤分布式拉曼测温系统可以在电缆全长度范围内发现过热点和异常行为点，包括快速升温点和慢性升温点等，能发现限制电缆载流量的瓶颈点的温度与位置信息，预防电缆故障[16]。

光纤分布式拉曼测温系统对电缆温度的测量还有重要的延伸应用，即可以根据电缆表面测量温度、电缆结构和铺设环境，结合算法模型得到电缆线芯温度及动态载流量计算结果，从而判断电缆是否正常运行，以便及时调整负荷电流，对电缆安全运行起到监控和预判作用[17-18]。

3 光纤传感监测系统电力市场需求

据统计，2012年，国内累计安装风电机组53764台，装机容量 75324.2MW，同比增长20.8%。2013年全年新增发电装机容量9000 万千瓦左右。因此在发电领域，光纤传感市场也有很大的应用前景和市场容量[19]。

变电站方面，根据国家电网公司《国家电网公司“十二五”智能化规划》，“十二五”期间，国家电网公司将新建110（66）kV 及以上电压等级智能变电站5100 座、变电站智能化改造约1000 座。要求到2015年，国家电网公司经营区域110(66)kV 及以上电压等级智能变电站将占变电站总座数的30%左右。

根据行业统计资料和市场分析预测，2010年我国110kV 电缆长度为13000 km，2015年预测为26000 km，2020年将达到50000 km；220kV 电缆2010年为1600km，2015年预计为3700 km，2020年将达7000km左右；而500kV 电缆2010年为近400km，2015年将达870km，2020年预计为1700km[20]。

根据国家电网公司发布的 《关于加快推进坚强智能电网建设的意见》，2011-2015年智能电网投资约2 万亿元；2016-2020年智能电网投资为1.7万亿元。2013年电力领域对光纤传感技术的市场需求接近10 亿元，未来几年电力领域的需求增长以及在30%以上。可以预见，未来电力工业中光纤传感市场将迎来巨大的机遇和挑战。

4 光纤传感在智能电网的市场格局

目前光纤传感技术及产品在电力系统中的应用主要集中在高电压等级的电气设备、发电机组、长距离动力电缆、架空线路等电力设施的监测。由于这些应用场景对传感器绝缘特性、抗电磁干扰能力、户外生存能力等各方面的要求，传统的传感技术无法胜任或是监测空白领域。具体产品中，全光纤电流互感器取代传统电磁式互感器已经成为必然趋势；光纤光栅传感技术由于可以实现温度、应变等多种参量测量，且可以共用通信线路及监测主机，在产品功能扩展和维护性方面具有很大优势，在健康监测和温度监测等方面发展势头强劲；长距离电缆的温度在线监测只有光纤拉曼分布式测温技术可以胜任；此外，随着近年来复合光缆OPGW 和OPPC等电缆的大量使用，光纤布里渊分布式监测系统如能进一步降低成本，在传感理论上进一步完善，其应用前景也是非常可观。

在智能电网光纤传感产品供应商中，国内主要有上海波汇、上海华魏、苏州光格、武汉理工光科、深圳安捷等，国外厂商有美国MOΙ，德国LΙOS 和AP Sensing，英国Sensa 和SmartFiber，加拿大QPS，OPSENS 等。国内厂商近些年来技术发展迅速，在电流互感器、光纤光栅、拉曼、布里渊等多项光纤传感技术中逐步打破国外技术封锁和领先优势，在发电厂、电缆测温、变电站等领域中已经有越来越多国产光纤传感产品与国外厂商同台竞技并取得不错的市场成果。但在一些领域，如变压器绕组测温、大距离（15km 以上）电缆温度监测、汽轮发电机振动监测和风力发电机叶片监测等方面，与国外还有较大的技术差距，需要进一步发展。

5 结论

光纤传感作为一项年轻的传感技术，因其绝缘、抗电磁干扰、易组网监测等特有的优势已在智能电网的变革中迎来了巨大发展空间。随着光纤传感技术近些年的飞速发展，新理论、新材料、新工艺、新技术的不断涌现，以及光纤传感系统成本的逐步下降，相关行业标准的日益规范和完善，相信光纤传感这一新兴产业必将在电力工业这一国民经济重要支柱产业中获得飞速发展和广泛应用。

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[21] http://www.ncw.com.cn/info/sc/dx/2010/0622/360714.html