光纤传感器在农村电力系统中的应用研究

◇武汉轻工大学电气与电子工程学院 张泽华 谢妍 吕乐 谭圳城 张杰

随着农村电力系统的高速发展，传统的检测方式已逐渐无法满足电力系统安全稳定运行的需求，提升电力系统的检测能力已迫在眉睫。本文通过分析农村电力系统的现状和特点，结合现有的光纤传感器的发展历史与研究成果，对光纤传感器在农村电力系统季节性用电有载调容控制和火灾报警方面的应用进行了研究。相信在不久的将来，光纤传感器会在电力系统中得到更广泛地应用。

光纤传感技术研究始于1977年。随着光纤技术和光通信技术的快速发展，它是一种新型传感技术。近年来光纤传感技术在机械，电子仪器仪表，航空航天，石油，化工，食品安全等领域，得到了发展和推广。光纤传感器具有抗电磁、抗原子辐射干扰、直径小、柔软、重量轻、机械性能好、绝缘性好、无感电性、耐水性、耐高温、耐腐蚀等特点。由于其性能，光纤传感器能够在如高温、高压等极端环境条件下，起到侦察，监测的作用，而且还能接收到人的感官所感受不到的外界信息，在电力系统方面的应用前景也较为广泛。为了光纤传感器的优化以及电力系统的智能化发展，我们可以将光纤传感器应用到电力系统中[1]。

我国现阶段的电网信息化、自动化水平较高，适用性也较强，许多用电设施都可以引入其中。光纤传感器对信号传感的灵敏度较高，在发电、变电、输电、配电和用电等环节都可以进行信号检测。例如，在农村电力系统中，农村居民数量多而且分布广泛，输送电线路较长，电能在运输过程中损耗较大，以及农村用电具有季节性特点，农村电力系统便需要一种现代化监测、控制、管理的调度手段，故而可以将光纤传感器与农村电力系统有效的结合起来。这样一来，光纤传感器能得到进一步的发展，电力系统也在此基础上可以更高效、安全、便捷的运行。

1 光纤传感技术的发展历史

1977年，世界各国逐渐开始进行对光纤技术的研究。伴随着光纤通信的发展，光纤传感技术也得到大力发展。近年来光纤传感技术在机械，电子仪器仪表，航空航天，石油，化工，食品安全等领域的生产过程自动控制，在线监测，故障诊断等方面，得到了发展和推广。美国光纤传感器研究起步较早，光纤传感技术在世界上最为先进，是全球最大的光纤传感器市场。近年来，中国加大对光纤技术的研究力度，成为亚太地区最主要的光纤传感产品市场[2]。

仅就光纤传感技术而言，中国所取得的成就已经接近世界先进水平，与世界尖端技术不断地缩小差距。在过去几年，包括南京大学，深圳中科传感，无锡联河，珠海光辰在内的许多学校和企业都拥有了一套完整的光纤传感解调方案。在光纤传感系统的核心部件上，如Skytone的铌酸锂波导，厦门大学的窄带光源，以及长飞，长盈通保偏光纤等许多技术均处于世界前列[3]。

我国光纤传感器生产以及服务产业按地域可以分为四大产业群：以江苏，上海，浙江，安徽为主的华东三角产业群；以北京，河北为主的华北地区环渤海产业群；以湖北为主的华中地区产业群和以广东为主的珠三角产业群。这四大产业群的企业总数占全国光纤传感企业的90%。但国内企业由于技术研发水平以及市场竞争水平与外国相比仍有差距，参加国际市场竞争有些困难，而且大多都属于高新企业，国内市场的企业规模也比较小。

光纤传感产品批量小，品种多，且分布在多级市场；国外的石油巨头、军工巨头，还有ABB、西门子这样的电力设备大公司都有自己的光纤传感业务，在一些新兴领域，比如分布式传感领域，也有一些中小型的专业公司致力研究。

如今光纤传感技术的应用领域也十分广泛。例如，在城市建设中，光纤光栅压力传感器可以用于测试施工压力和载荷压力，从而合理评估该建设结构的性能。又如在电力系统中，光纤温度传感器可以实时监测光纤线路的温度，测量误差不超过1℃，适用于一些对温度控制有着严格把控的精密设备[4]。

从华裔科学家高锟对光纤传输的前景发表自己的见解以来，人们就在光纤这条道路上一直探索着。光纤这一名词从那时便已经深入在通信发展的历史长河之中，可以说光纤让通信发生了质变。当然，其后研究出的光纤传感技术也在飞速发展着。未来的光纤传感器应用领域将更加广泛，应用的场景也更贴近人们生活。

2 农村电力系统的特点

农村电网是指县级市，区级区域内的城镇，农村，农耕区以及林牧区用户供电的配电网，农村配电网是农民进行电气耕作以及农业现代化的基础设施。

在发电厂将电通过送变电线路运输过来，到达供配电所，再送给用户的过程中。输配电线路在农村地区无疑是最需要解决的难题。农村居民数量多而且分布比较广泛，这就导致需要很长的输送电线路，运输成本显然增加，再加之由于较长的送电线路，电能在运输过程中变压器损耗较大，无疑增加了维修成本。

农村的房屋建设比较混乱，没有特点，高度不一，所以电网分支很多，有时候会有六七个分支，这又增加了安装难度。一旦其中一条分支损坏，那么整个线路就会瘫痪，这又增加了维修难度。

另外一个较为复杂的问题就是农村用电负荷的季节性特点显著，例如在农耕时节，用电需求会很大，而在非耕作时期由于农村的发展问题用电需求又很小，这就会出现一种能源利用率低的问题，如果在一个地区仅使用一套不变的电网规划方案，那么以年为时间单位，我们在农村地区损失的电能会是个不小的数目。

农村电网的自然功率因数低下，再加上低压线路过长，无功补偿不足从而导致电网低功率运行，造成线路损坏率提高，由此降低电压质量[5]。

当然一些经济因素也是农村电力系统发展较为缓慢的原因。不过主要原因还是体现在：运送过程中的损失；季节性特点所带来的用电不平均。这两点急需解决。

3 光纤传感器在农村电力系统方面的应用

以上研究了农村电力系统所存在的弊端。下面将农村季节性用电特点以及农村电力系统与光纤传感器结合使用进行探讨。

3.1 季节性用电方面

为了应对农村季节性用电的特点，农村电力系统普遍采取以下两种季节性负荷措施，一是安装有载调容变压器，二是将变压器进行并联运行，普遍优先采取第一种措施。在使用有载调容变压器时，需要灵敏的信号传输系统，光纤传感器相对其他传统传感器有着更好的监测效果，故而可以将其应用到有载调容控制方面，以达到更加精确的控制效果[6]。

3.2 农村电力系统监测方面

光纤传感器的发明无疑解决了农村电力系统所产生的一系列问题。首先，由于农村的输电线路较长，电能运输过程中对变压器的损耗较大，所以提高变压器使用寿命尤为重要。而变压器的使用寿命与其绕组温度有紧密联系，因此需要对变压器进行实时温度监测。

我们基于光纤光栅测量原理，设计出能测量绕组内部温度的光纤传感器就可以解决这一问题。针对变压器绕组的应用环境，一般选择硅胶作为粘合剂，将光纤光栅穿过传感器底座的圆孔，使光栅呈直线状态，并在底座的圆孔上涂上硅橡胶。这样制作出的绕组光纤光栅传感器在变压器的稳定传输方面有着巨大贡献。

除此之外，根据农村用电的季节性特点，不同季节的用电量有很大差异，导致不同季节电缆运行的温度大不相同，甚至会出现达到电缆温度上限的情况，可能造成电缆的损坏。将光纤光栅传感系统应用其中，可以实现温度的分布式监测，另外通过配合通风装置和空调装置，可以保证在不同的季节以及用电时期电缆的运行温度都稳定在合理范围内[7-8]。

另外，农村的林木在干燥气候下容易造成失火，光纤光栅传感器可根据温度是否异常发出火灾预警。这对火灾的预防作出了重要贡献，同时也防止了输电线路因火灾而被破坏。

4 结束语

随着电力系统的智能化发展，对电力系统的监测、控制技术的研究也占据着重要地位。光纤传感器作为一种性能优越的信号传感器，已得到多方的关注和研究。随着设备的发展和技术的改进，光纤传感器将会广泛的应用到电力系统的各个领域中。“科技要发展，电力要先行”。电力系统的发展水平是衡量一个国家经济发达程度的重要标志，也是国民经济发展战略的重点。相信在不久的将来，光纤传感器在电力系统中的广泛应用势必会为我国的经济发展做出巨大贡献。