光纤传感技术在电力系统中的应用前景

国网安徽省电力公司信息通信分公司 丁 健

光纤传感技术在电力系统中的应用前景

国网安徽省电力公司信息通信分公司 丁 健

光纤传感技术为电力系统的安全稳定运行提供了一种新的监测手段，具有质量轻、径细、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、信号衰减小、集信息传感与传输于一体等特点，可以解决常规检测技术难以完全胜任的测量问题。依靠其特殊的物理性质，在电力系统中一定会有较好的应用前景。

光纤传感技术；电力系统；应用前景

1.光纤传感技术概述

光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点，非常适用于强电磁场干扰和高电压的环境里，其中分布式光纤传感技术和光纤光栅传感技术在电力系统已逐步得到推荐应用。

1.1 分布式光纤传感技术

分布式光纤传感技术主要通过光纤拉曼散射效应和光时域反射技术来实现。拉曼散射指的是光通过介质时由于入射光与分子运动相互而引起的波长发生变化的一种散射。在拉曼散射光中，根据波长变化方向的不同分为斯托克斯光和反斯托克斯光。其中，较短波长的反斯托克斯光对温度非常敏感，而较长波长的斯托克斯光对温度则相对不敏感。利用这一关系，反斯托克斯光强和斯托克光强的比值能准确反映光纤的温度信息。光时域反射技术是指激光在光纤中前向传播时，不同光纤位置的背向拉曼散射光返回光纤入射端的时间是不同的，通过区分该时间即可确定散射信号所对应的光纤位置，从而实现物理参量的分布式测量。

1.2 光纤光栅传感技术

附图1 光纤散射光谱

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯形成的空间相位光栅，其基本结构为沿纤芯折射率周期性的调制，所谓调制就是沿着光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。当光纤光栅的外界环境发生变化时，就有可能导致光纤光栅的中心波长随着温度产生变化。由于光纤材料的热光效应，光纤光栅的周期也发生变化，从而导致纤芯有效折射率和纤芯折射率调制周期的变化，最终导致了光纤光栅波长的漂移，通过监测光栅反射光的波长变化，就可以知道光栅处的温度变化。

附图2 光纤布拉格光栅结构示意图

2.光纤传感技术优势

光纤传感技术以光纤为媒介感知和探测外界被测信号，在传感方式、传感原理和信号的探测及处理等方面都与传统的电子传感技术有着明显的差异，自上世纪七十年代光纤传感技术被发展以来，引入光纤、光纤通信、光电感应和信号采集与定位等多种技术，尤其在某些特殊领域及恶劣工况下具有明显的技术优势。首先，利用光纤具有的大容量信息传输特点，使其既成为外界信号的感受器，又是信息的传输器，从而具有一物多用的特点；且通过调制和处理光的相位、频率、振幅以及偏振态等多种参数，能够敏锐地感知外界物理量和化学量的变化，其敏感性和精确度都具有较高的优势。其次，由于光纤使用绝缘材料制成，不易引起自燃和爆炸，因此在易燃易爆环境中作业的安全性能很高，对环境的影响较少，具有本质安全性；并在复杂的电气环境之中，光纤传感器受到的影响很小，其抗干扰性、稳定性和可靠性都表现较好，同时利用光信号传播的特点，使其响应速度得到保证。再次，利用光通信技术容易组网，可以完成长距离的分布式测量，实现对采集信息的大范围高速传播。最后，其化学性质表现稳定，能够对抗恶劣环境，经济环保，安全可靠，具有较好的使用价值。

3.光纤传感技术在电力系统中的推荐应用

3.1 电力系统关键设备监测

风机叶片对于风力发电来说具有十分重要的意义，一般会在风机叶片上安装光纤应力传感器，以便对风机叶片所受到的压力进行实时的监控，进而得出风力数据。光纤应力传感器体积小，重量也很轻，这种小巧灵便的传感器分布在风机叶片上，对风力发电造成的影响很小。

3.2 电力系统关键部位温度监测

要对火力发电机组的锅炉和燃料室进行温度的监测，可以将光纤温度传感器安置在燃烧室的内部，它可以测量一千摄氏度以内的温度，便于人们通过燃烧室的温度分布来推断燃烧效率，并以此为根据来调制燃烧过程，以便做到安全生产。

3.3 电力系统关键点气体监测

电力系统的安全运行需要通过气体监测来确知二氧化碳、硫化氢、氨气、氮气、氯气以及六氟化硫等气体，以便更好地控制发电环境，这时候，管线气体传感器就能够发挥巨大作用。这种传感器的原理是利用气体在不同波长光照下能够表现出不同的特征吸收谱线的特性，用吸收光谱法对气体浓度进行监测，因此能够对多种气体进行监测。它具有耗损低、不发热、不带电，不燃烧无明火等优点，能够避免传感器本身的作用造成环境的失火；全光纤结构又可以在长距离多点探测中发挥作用；光纤气体传感器对于环境有较好的适应程度，在潮湿的环境中不易发生故障，在粉尘多的地方也不容易造成爆炸。

3.4 电力系统输电线路监测

对于长距离输电线路的监控更是发挥光纤传感技术的优势所在，如在架空裸线内部一般用普通的通信光纤加上光源和光探测器制作而成的分布式光纤传感器。其优点就在于既可以传感，又能够传递信息。这种传感器主要用来对远距离的标志物进行大量位置的、连续的测量以及监控，主要可以用于应力和温度的实时监控。上述分布式温度光纤传感器的敷设十分简单，具有高达一米的分辨率，不仅可以测量故障点的位置，还可以优化输电线路的功率分配；在这种传感器参与之下建立起防火预警系统，往往可以收到良好的效果。另外，地下电缆的温度测量就依靠这种分布式温度光纤传感器，一般采用电缆表面敷设和电缆内部敷设两种方式。

3.5 电力系统光纤传感技术新应用

利用光纤抗辐射的特性，在核能发电领域通过光纤传感技术对核电厂反应堆进行监测，包括混凝土健康状况、高温部件的情况以及核废料堆的温度等，这是光纤传感器的新应用。此外，随着光传感技术的发展和设备工艺水平的提高，光纤传感器的应用范围会越来越广。

4.结论

随着电力自动化程度的提高，实现电力系统关键要素的电压、电流、磁场、应力、温度以及速度等实时信息的监测，对提高电力系统的安全性、稳定性和供电质量的可靠性具有重要意义。光纤传感技术作为一种新型监测方式，研究和工程应用表明，系统安全稳定可靠，获取信息及时准确全面，经济效益和社会效益显著，在现代信息通信等新技术领域应用推广前景广阔。

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