光纖光柵傳感技術及其在電力系統中的應用

摘要：光纖光柵傳感技術具有抗電磁干擾、耐腐蝕、高絕緣性、可微型化、檢測精度高、可實現無源在線監測等特點，適合在電力系統中應用。對光纖光柵傳感技術的傳感原理和特點進行介紹，對其在電力系統中的應用進行研究，對光纖光柵傳感技術在電力系統中的應用前景和未來發展方向進行展望。

關鍵詞：光纖光柵；電力系統；應用；發展方向

作者簡介：楊洪磊（1987-），男，河南商丘人，昆明理工大學云南電網公司研究生工作站碩士研究生；梁仕斌（1974-），男，云南昆明人，云南電網公司電力研究院，高級工程師。（云南 昆明 650217）

中圖分類號：TM7 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）29-0226-03

光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，在光纖內形成空間相位光柵，在纖芯內成為窄帶透射或反射濾波器，使光的傳播行為得以改變和控制。[1]光纖光柵傳輸特性的基本參數包括反射率、透射率、中心波長、反射帶寬及光柵方程等。[2]光纖光柵傳感器以其抗電磁干擾能力強、耐腐蝕、高絕緣性、測量范圍大、便于復用成網、可微型化等優點，得到了世界范圍內的廣泛關注，成為傳感領域內發展最快的技術之一，在電力、土木工程、航空航天、石油化工、醫療、船舶工業等領域取得了廣泛應用。[3]

一、光纖光柵的分類和特點

隨著光纖光柵制作技術的發展，人們制出不同結構的光纖光柵，主要可以分為均勻周期光纖光柵和非均勻周期光纖光柵兩類。其中均勻周期光纖光柵又具體分為：Bragg光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）、長周期光柵和傾斜光柵。非均勻周期光纖光柵具體可分為：啁啾光柵、變跡光柵、相移光柵、發跡光柵和取樣光柵等。[4]

Bragg光柵是一種柵格周期為0.2～0.5微米的光柵。該種光柵波矢方向與光纖的軸向一致，具有較窄的反射譜和較高的反射率，其反射帶寬和反射率可以根據需要通過改變寫入條件加以調節。該種光柵結構簡單，具有良好的溫度和應變靈敏度，是目前主流的傳感光柵。[5]

長周期光柵是指柵格周期達到幾百微米的均勻周期光纖光柵，是一種透射型光柵，其作用是將特定波長的光耦合到包層中損耗掉，從而在投射譜中形成寬帶損耗峰，因此它是一種理想的摻鉺光纖放大器（EDFA）的增益平坦元件。此外，長周期光柵的投射損耗峰會因外界的應變和溫度等因素的影響而改變，而且與FBG相比具有更高的靈敏度，也可作為一種理想的傳感元件。近年來，由于長周期光柵的制作技術發展，具有更多傳感特性，如彎曲、扭轉等新型長周期光柵正處于研究的熱點。[6]

傾斜光柵又稱閃耀光柵。該種光柵的周期與折射率調制深度雖均為常數，但其光柵的波矢量方向與光柵的軸線方向不一致，具有一定的夾角。此類光柵可用于EDFA的增益平坦，當光柵法線與光纖軸向傾角較小時也可作為空間模式耦合器，由于傾斜光柵類似FBG和長周期光柵，也可以用于傳感領域，如溫度、應變和彎曲等的檢測。[7]

啁啾光柵的柵格間距是沿著光纖軸向變化的，由于不同的柵格周期對應不同的反射波長，所以啁啾光柵能夠產生較寬的反射譜。常用的線性啁啾光柵能產生較大的反射帶寬和穩定的色散，因此被廣泛應用于光纖通信系統的色散補償，也用于寬帶濾波器和FBG解調系統。[8]

相移光柵是在均勻周期光柵的某些位置發生相位跳變來改變光譜的分布。相移的作用是在響應的反射譜匯總產生一個投射窗口，使光柵具有更高的波長選擇性，在波分復用通信系統中的波長解復用器方面有著潛在的應用價值。相移型長周期光纖光柵具有豐富的譜特征，通過選擇合適的相移點位置與相移量，能夠使長周期光纖光柵更好地滿足EDFA增益平坦的需要。[9]

變跡光柵的折射率調制深度沿光纖軸向為一特定的變跡函數，常用的變跡函數有高斯函數、升余弦函數和雙曲正切函數等。該類光柵對均勻光柵的反射譜的邊模振蕩具有很強的抑制作用，選擇不同的發跡函數能起到不同的抑制效果。[10]

取樣光柵也稱為超結構光纖光柵，其折射率調制不是連續的，而是周期性間斷的，這種光柵的反射譜具有多個反射峰，可以作為梳狀濾波器，在光纖通信領域內可用于多通道色散補償，同時因其多個反射峰對外界參量的不同響應，故也可作為一種多參量的傳感元件。[11]

光纖光柵不僅具有易于光纖連接、低損耗、光譜特性好、可靠性高等特點，而且作為傳感元件，感應的信息為波長編碼的絕對測量，排除了光功率的波動及損耗的影響。在一根光纖中連續制作多個光柵，運用相關復用技術可實現準分布式的多點檢測。目前Bragg光柵作為研究和應用的重點已得到了大量實際的應用。

二、光纖Bragg光柵的傳感原理

光纖Bragg光柵是一種折射率呈固定周期調制分布的新型傳感器件，其調制深度與光柵周期均為常數，適合用于檢測靜態和動態參量，抗干擾能力強，其傳感方程如下：

式中，是光柵的中心波長漂移量，是光柵的應變靈敏系數，是光柵的應變量，是光柵的溫度靈敏系數，是溫度變化量。由以上可知，光柵的應變和溫度的變化將導致光柵中心波長的漂移，通過監測光柵中心波長的漂移量并采用相關補償技術即可實現對應變或溫度的檢測。

光纖光柵傳感網絡的結構形式主要取決于適于傳感器調制和定位的方法，因此光纖光柵傳感網絡的核心部分是光纖光柵的調制解調系統，其關鍵技術是多個傳感光柵的復用定位技術。光纖光柵的復用技術可以減少每個傳感頭上花費的成本，也可以減小整個傳感系統的體積。目前的復用技術主要有波分復用、時分復用和空分復用。波分復用技術是通過波長的區分來識別傳感器的空間位置，是當前主要應用的復用技術；時分復用技術通過各個傳感光柵反射信號光的延時進行光柵位置區分，該項技術尚處于研發階段；空分復用技術是通過區分各個光纖光柵傳感器所在的光纖通道來識別其對應的測量位置，該項技術較為成熟但需要并行的光纖通道。有時，傳感系統中也會采用波分復用、時分復用、空分復用中的兩種或三種混合使用的方法以增加傳感器的檢測點數。

三、光纖光柵傳感技術在電力系統中的應用

由于光纖光柵傳感技術在絕緣、耐高溫、抗電磁干擾、抗輻射等方面的優異特性，其在電力系統已經得到廣泛的應用。

1.高壓開關柜的在線監測

高壓開關柜中的電纜接頭、刀閘觸點、母線排連接處等部位可能因接觸電阻較大、溫度過高而發生事故，高壓開關內部是高電壓、高溫度、強電磁干擾的環境，常規傳感器難以對這些部位進行準確可靠的測量，采用光纖傳感器進行監測取得了很好的效果。傳感器具有小巧的感溫頭，可直接安裝到被測物體表面，應用于高壓開關柜接頭、高壓母線接頭的溫度測量。如圖1所示。

2.變壓器的在線監測

電力變壓器是電力系統中的重要設備，其繞組和絕緣油溫度過高會降低變壓器的使用壽命，嚴重時可能造成跳閘等電力事故；而繞組和絕緣油溫度過低時又會降低變壓器的使用效果。同時變壓器繞組的變形和損壞也是造成變壓器發生故障的一個主要原因。因此對變壓器的繞組溫度、絕緣油溫度和變壓器繞組的形變進行監測具有重大意義。而變壓器的高電壓、強磁場環境限制了傳統的電子式傳感器的使用，光纖傳感技術具有耐高壓、抗電磁干擾、體積小等特點，可以運用光纖傳感器對變壓器油溫進行實時監測，將光纖光柵內嵌于繞組中對繞組溫度和應變進行多點測量，如圖2所示。

3.輸電線路的在線監測

導線的微風振動、舞動、覆冰、雷擊、短路等都可能造成重大輸電事故，對輸電線路進行監測傳統上多采用電子式傳感器和視頻傳感器，容易受到電磁干擾的影響，且該種監測手段的供能是一個重要的問題，常常出現覆冰、陰雨天氣環境下由于電源問題而無法進行監測的問題。光纖光柵傳感技術可以通過光纖Bragg光柵傳感器對輸電線路的導線溫度、拉力、微風振動、舞動、覆冰、桿塔狀態等進行實時監測，且傳感信號可通過OPGW進行傳輸。該種監測方式具有耐高壓、抗電磁干擾、無源監測等特點，如圖3所示。

4.風機、發電機等的在線監測

風機的振動和葉片狀態直接關系著整個風機的性能，對其監測可以預防重大事故的發生；發電機的振動、定子、轉子的狀態也關系著整個發電機的運行安全，對其監測同樣具有重要意義。傳統的電子式監測手段容易受到電磁干擾的影響。光纖傳感器具有抗電磁干擾、體積小、幾何形狀不定等優點，非常適合用于該類機械的監測。

5.核電工業中的在線監測

核電站是高輻射的地方，核泄漏對整個人類而言都是極大的威脅，因此，核電站的安全監測極為重要。

比利時原子能研究中心通過實驗得出：光纖光柵溫度傳感器可能在輻射水平為1MGy的環境中保持所需的性能，并且可通過優化光纖光柵的參數來減小輻射的敏感性。而對電弧放電在純硅光纖中寫入的長周期光纖光柵的輻射表明，輻射也不會改變其溫度靈敏度。光纖光柵對種子輻射的敏感性研究表明，光纖載氫不僅可以增強光敏性，也會增加對離化輻射的敏感性。日本原子能研究院通過輻射環境測試確保光纖光柵用于核電廠設備和管道的傳感，并能在幾乎整個反應堆壽命期間忍受核輻射。

法國的CEA-LETI、EDF和Framatome研制了光纖Bragg光柵變形測量儀用于核電廠的混凝土測量，將光纖光柵傳感器安裝在核殼體表面或埋入核殼體中，對高性能預應力混凝土核殼大墻進行監測。英國BICC Cable公司組織了一個聯盟，開發了一種具有溫度補償的分布式監測系統，此系統能復用多個光纖光柵應變傳感器對550℃的高溫部件進行實時監測。目前，光纖光柵溫度傳感器在核反應堆的安全生產中已成為了關鍵的檢測技術。德國用光纖Bragg光柵傳感器監測地下核廢料堆中的應變和溫度。

6.大壩的安全監測

大壩由于持續滲流、溶蝕、沖刷、動融等有害作用，加上可能受到超標準的洪水和大地震的破壞，筑壩材料的老化，大壩承受水壓力、滲壓力等巨大載荷的能力不斷降低，一些大壩的病險情況較為嚴重，嚴重威脅著人民的生命財產安全。因此，對大壩進行監測具有重要意義。傳統的大壩監測系統所用的儀表主要是電類儀表，如差阻式、振弦式等，最終都轉化為電信號測量并通過電纜（或無線）傳輸到數據采集裝置。這種模式抗電磁干擾能力差，在雷擊和強電磁干擾環境中很難正常工作，嚴重時會導致傳感器失效和系統癱瘓，是目前大壩安全監測自動化系統發生故障的主要原因。

新一代光子器件光纖光柵的出現及其封裝技術的改進為大壩結構健康監測網絡的發展提供了基礎。基于光纖光柵傳感器的大壩健康監測系統具有現場無需供電、傳輸距離遠、免受雷擊、長期穩定及準分布式組網等較多優點，可以進行分布式多點、多參量信號檢測。2003年武漢理工光科技書股份有限公司首次將光纖光柵傳感器系統用于清江水布埡電站大壩周邊滲漏與壩體大應變長期監測，并取得很好的效果。隨后光纖光柵監測系統成功用于云南省瀾滄江糯扎渡水電站的導流洞堵頭及左岸泄洪洞的安全監測。由于光纖光柵壽命能達到70年，與被監測對象壽命相當，因此光纖光柵傳感器在結構健康監測領域具有廣闊的應用前景。

7.變電站的安全監測

部分變電站位于山坡或山腰上，容易發生滑坡或泥石流等災害，在變電站側的電力鐵塔也容易發生沉降等狀況，對變電站的安全穩定運行和變電站工作人員的生命安全造成極大威脅。因此對變電站的地質結構進行在線監測具有重要意義。

光纖拉力、應變等傳感器可以鑲嵌于變電站的擋土墻、抗滑樁等結構中，對變電站的地質結構進行實時監測，而運用光纖應變傳感器、光纖傾角傳感器等可以對變電站側的電力鐵塔的運行狀況進行監測。該種監測方法耐高壓、抗電磁干擾，可以實現無源監測。

四、目前存在的問題和未來的發展方向

光纖光柵傳感器經過多年的發展，已經相對成熟且有了較多應用，但是目前仍存在著一些問題，這些問題嚴重阻礙了該種技術的發展應用，具體如下：

1.信號傳輸距離短

目前無中繼情況下，光纖的信號傳輸距離為20～80公里，在部分情況下無法滿足信號傳輸的距離需求，而采用中繼放大又會增加額外電源，無法滿足實際需要，光纖信號的傳輸距離有待進一步提高。

2.光纖傳感器制作工藝粗糙

光纖傳感器對制作工藝的要求較高，如果制作工藝達不到就會嚴重影響其測量精度，目前國內的制作工藝還有待進一步提高。

3.光纖解調儀的性價比低

光纖解調儀是對光信號進行調制解調的設備，目前其測量精度和掃描頻率等性能還有待進一步提高，另外價格過高也是阻礙其發展的一個重要因素。

4.復用技術成熟度不夠

光纖光柵傳感技術屬于點分式測量技術，要實現多點測量就要用到波分復用、時分復用和空分復用等復用技術，而目前真正成熟的復用技術只有波分復用，時分復用需要性能較好的解調設備，目前該種技術正處于研究階段。空分復用需要占用較多的光纖資源，實用性不高。

5.缺乏相應的標準作為指導

光纖傳感技術雖已經過多年的發展，但是目前的指導標準還是很少，遠遠不能滿足光纖迅速發展的需要，這成為了制約光纖傳感技術的關鍵性因素。

五、小結

目前，光纖光柵傳感技術在電力系統中已有了一些成功應用，由于光纖光柵傳感技術具有抗電磁干擾、耐腐蝕、高絕緣性、可微型化、檢測精度高、可實現無源在線監測等優點，光纖光柵傳感技術在電力系統中的應用將會具有更大的潛力，未來光纖光柵傳感技術將朝著高精度、實時性、網絡化、多點監測的準分布式方向發展。

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（責任編輯：王祝萍）