光纖傳感技術在智能電網中的應用

關 巍

（河北省電力公司，石家莊 050021）

智能電網作為電網技術未來發展趨勢已經得到共識，成為我國電網發展的一個重要方向。傳感技術則是智能電網中非常重要的一環，通過先進的傳感技術可以獲得準確的數據信息以用于智能電網的各個方面使用[1]。

光纖傳感技術是傳感器家族的新成員。在這一技術中，光纖即是測量信號載體，也可以是傳感媒質。與傳統的傳感技術相比，具有抗電磁干擾、抗輻射性能好、絕緣、耐高溫、耐腐蝕等眾多優異性能，能夠對溫度、振動、電流、應變等多種參量實現在線測量。同時借助于光纖的低傳輸損耗和寬的頻帶范圍特性，光纖傳感技術可以實現大的監測覆蓋范圍和高效的信息傳輸性能，迎合了智能電網對先進傳感技術的需要，是非常有前景的傳感技術[2]。

1 光纖傳感技術現狀

與其他傳感技術相比，光纖傳感有著非常獨特的布設方式。除了與傳統傳感器一樣“點式”布設的全光纖電流互感器、光纖熒光溫度傳感器和光纖FP 傳感器外，還有“準分布式”的光纖光柵傳感器，以及“分布式”的光纖拉曼傳感和光纖布里淵傳感技術。

1.1 全光纖電流互感器

全光纖電流互感器[3]是基于法拉第磁光效應。即處于磁場中的光纖會使在光纖中傳播的偏振光發生偏振面的旋轉。由于載流導線在周圍空間產生的磁場，導致線偏振光通過置放在磁場中的法拉第磁光材料時會發生偏轉Δθ=4VNI。式中V是光纖材料的Verdet 常數，指光波在磁光材料中通過單位長度，由單位電流產生的磁場引起的旋轉角的大小；N是光纖繞載流導體的圈數；I是穿過光纖環的電流強度。

如圖1所示，由光源發出的光經過一個耦合器后由光纖偏振器起偏，經偏振光平分為兩份，分別沿保偏光纖的X 軸和Y 軸傳輸，經相位調制器和閉環控制電路產生相位偏置、調制信號和反饋信號，利用λ/4 波片進行線偏振光與圓偏振光的相互轉化。載流導線周圍產生的磁場使傳感光纖中正交的兩束圓偏振光產生相位差，該相位差與導線中磁場強度（電流強度）成正比，通過測量干涉光強可以檢測出相位差，從而得到被測電流值。

圖1 全光纖電流互感器原理圖

1.2 光纖熒光溫度傳感器

熒光式測溫方法[4]是在光纖末端加入熒光物質，經過一定波長的光激勵后，熒光物質受激輻射出熒光能量，且熒光的強度和輻射光的能量成正比，根據熒光的強度可以檢測溫度。而激勵撤消后，熒光余暉的持續性取決于熒光物質特性、環境溫度等因素，這種受激發熒光通常是按指數方式衰減的，稱衰減的時間常數為熒光壽命或熒光余暉時間。由于在不同的環境溫度下，熒光余暉衰減也不同。因此也通過測量熒光余暉壽命的長短，來檢測環境溫度。

1.3 光纖光柵傳感技術

光纖光柵[5]是利用光纖材料的光敏特性，結合相位掩模和紫外激光曝光技術沿纖芯軸向形成的一種折射率周期性分布的結構光纖光柵示意圖如圖2所示。

圖2 光纖光柵示意圖

這種特殊的結構周期性分布能改變某一特定波長的光的傳輸路徑，使光的傳播方向發生改變，相當于在光纖中形成一定帶寬的濾波器或反射鏡。其中反射光的波長由纖芯折射率和光柵周期決定：

將上述方程兩邊取微分，可得

可見任何一個使折射率變化周期Λ和有效折射率neff發生改變的物理過程都將引起光纖光柵波長的漂移。當外界的溫度或應變發生變化時，就會引起光纖光柵的有效折射率和光柵周期發生改變，從而使得光纖光柵波長發生偏移，通過高分辨率的波長檢測裝置檢測這個偏移量，就可得知外界被測量的變化信息。

將不同反射波長的光纖光柵組成“準分布式”傳感網絡，如圖3所示。用一寬帶光譜光源輸出光，經光分路器到達不同峰值波長的光纖光柵傳感器陣列；反射光再經分路器送至波長可調諧濾波器。只有當反射光波長與可調諧濾波器的波長相同時，才能通過濾波器被探測器接收。根據“可調諧濾波器波長——探測器功率”的對應關系計算出傳感光柵的波長位置。

圖3 光纖光柵“準分布式”多點監測網絡

1.4 光纖分布式傳感技術

當光波在光纖中傳播時，光波在介質內部出現各種散射如圖4所示。只有光強出現變化的是瑞利散射，頻率出現變化的是拉曼和布里淵散射。檢測由光纖沿線各點產生的后向散射，通過這些后向散射光與被測量（如溫度、應力、振動等）的關系，可以實現光纖傳感特有的分布式傳感。

圖4 光纖散射現象

拉曼散射[5]是光量子和介質分子相碰撞時產生的非彈性碰撞過程，而非彈性碰撞伴隨著能量的轉換。注入光纖的激光光子與光纖的二氧化硅分子的非彈性碰撞結果會產生了一個長波長的斯托克斯光子和短波長的反斯托克斯光子，眾多分子與光子的這種碰撞結果就產生了斯托克斯和反斯托克斯散射光。同時反斯托克斯散射光強對溫度很敏感且與溫度成線性關系，利用斯托克斯和反斯托克斯散射光強的比值可以精確推算光纖的溫度場分布。實測斯托克斯與反斯托克斯光之比可計算出絕對溫度值。測量光纖中的反斯托克斯拉曼反射信號可以實現分布式溫度傳感。

介質密度起伏通過壓力變化引起的非彈性散射，稱之為布里淵散射[5]。光纖中的布里淵散射是由入射光與光纖自身的聲子相互作用產生的，由于入射光與光纖自身的聲子相互作用而引起的介質能級間距變化的差異很小，所以布里淵譜線的分布距瑞利散射譜線很近而且較窄。與拉曼散射強度僅與溫度有關不同，布里淵散射光的頻移量與環境溫度和應力呈線性關系，因此具有更多潛在的應用領域，已成為國際上最活躍的熱點課題之一。

2 光纖傳感在電力系統中的應用

隨著光纖傳感技術的發展日臻成熟，相關產品和技術已經覆蓋電力系統從發電、輸電、變電到配電等多個領域，涵蓋溫度、應變、振動/加速度、電流、壓力等多種參量，見表1。

表1 光纖傳感技術在智能電網中的應用

2.1 汽輪發電機和風力發電機健康監測

汽輪發電機長時間運行，定子和楔子的松動會引起發電機振動和定子絕緣度降低。此外發電機過度負荷也會引起材料膨脹從而導致局部壓力增加，引起材料發生斷裂。在定子端部安裝光纖光柵振動傳感器（如圖5所示），并通過分析基頻及不同倍頻的特征，可以有效對發電機定子進行在線監測[6-7]。

圖5 安裝在發電機上的光纖光柵振動傳感器[6]

葉片作為風力發電機的核心部件，其良好的結構特性是機組長期安全高效運行的前提。葉片不僅要承受強大的風載荷，還要經受氣體沖刷、砂石粒子沖擊，以及強烈的紫外線照射等外界侵蝕,裂紋在惡劣的環境下頻繁地產生。風力發電設備上，為了減小葉片、驅動軸以及其它關鍵結構部件的非對稱負載，如圖6所示，需要在發電機葉片上安裝光纖光柵應變傳感器用于監控葉片的負載、結冰等情況[8]。

圖6 安裝在葉片上的光纖光柵應變傳感器[9]

2.2 架空線路健康監測

架空線路的健康監測，尤其是覆冰監測，是智能電網的監測重點也是難點。架空線路因為距離長、環境惡劣、電磁環境復雜等原因，傳統的監測技術和手段無法滿足實際需要。近年來，新建電力輸電線路中普遍架設了光纖復合相線（optical phase conductor，OPPC）、光纖復合架空地線（optical fiber composite overhead ground wire，OPGW），使光纖光柵傳感器在輸電線狀態監測中的應用具備了傳輸通道的基礎條件[10]。

將光纖光柵溫度傳感器和應變傳感器安裝在電力線及其桿塔上，用于測量電力線和桿塔的應變和溫度。由于電力線的表面結冰會使電力線受到的應力比沒有覆冰的時候變大，當光纖光柵應變傳感器監測電力線的應變變化時，結合溫度傳感器的測量結果去除電力線本身熱脹冷縮的影響，就可以得到因為電力線表面覆冰造成的應變加大值，再根據應變的變化，結合電力線的楊氏模量，計算出應力值，再把架空電力線看成拋物線，計算出重量的增量，就能推算出電力線表面覆冰的厚度。在電纜上安裝光纖光柵振動傳感器，可以對風載荷引起的電纜舞動、微風振動等進行監測。在桿塔上安裝傾角傳感器可以對桿塔的結構進行監測，預防桿塔倒塌事故發生[11-13]。

此外，由于光纖布里淵分布式傳感可以利用OPPC 和OPGW 對溫度和應力同時監測，且傳感距離可遠至50km 以上，因此也進行了多次架空線覆冰監測測試[14-15]。與其它技術相比，光纖布里淵分布式傳感可以實時測量空間溫度和應變場分布，且不受高壓線路電磁場的影響，適宜對處于惡劣地形、不宜人工巡視的線路進行監測。但布里淵技術價格高昂，相關理論工作還有待完善，目前該技術仍處于推廣初期。

2.3 電流監測

全光纖電流互感器經過二十余年的發展，現在已經具備了商品使用價值，有許多國家和地區已經到了掛網運行的階段。與傳統的電磁電流互感器相比具有顯著的優點而受到越來越廣泛的關注。表2對于兩種電流傳感器的性能進行了比較。

綜上所述，隨著光纖電流傳感器技術的日益成熟，技術法規及相關標準的建立，光纖電流傳感器必將逐步取代傳統的電磁式電流傳感器而成為電網監測的最主要手段之一。

表2 兩種電流傳感的性能比較[3]

2.4 電氣設備觸點溫度監測

溫度是電氣設備運行的一個重要參數，是反映變電站中開關、刀閘，電纜接頭是否正常運行的重要指標。變壓器中也有著名的6℃法則，即運行溫度超過最熱點溫度6℃，設備壽命減半。但在高電壓，強電磁場條件下，傳統的傳感技術無法直接接觸發熱體表面，多采用紅外非接觸測溫或是簡介換算的方法，而光纖光柵傳感器和光纖熒光傳感器可以直接粘貼在高電壓電氣設備表面進行溫度測量，且通過網絡通信發送至控制室統一監管，能掌握設備工作狀態以及缺陷和退化情況[16]。因此將光纖光柵溫度傳感器或光纖熒光傳感器用于開關柜和刀閘，以及電纜接頭的實時溫度監測具有重要的意義。

2.5 動力電纜溫度監測

動力電纜傳輸電流過載、電纜接頭處阻抗大、絕緣皮老化或電纜本身局放等原因，致使電纜表面產生溫升，電纜絕緣層和保護層產生陰燃，并伴隨大熱量、可燃氣體的產生，隨著溫度進一步上升即產生煙霧，從而發展為火災。因此，電纜故障首先會產生大量的熱量。傳統的電纜監測技術是采用感溫電纜技術，但該技術在測溫準確性、報警策略、遠程監控等方面都不能滿足實際需要。光纖分布式拉曼測溫系統可以在電纜全長度范圍內發現過熱點和異常行為點，包括快速升溫點和慢性升溫點等，能發現限制電纜載流量的瓶頸點的溫度與位置信息，預防電纜故障[16]。

光纖分布式拉曼測溫系統對電纜溫度的測量還有重要的延伸應用，即可以根據電纜表面測量溫度、電纜結構和鋪設環境，結合算法模型得到電纜線芯溫度及動態載流量計算結果，從而判斷電纜是否正常運行，以便及時調整負荷電流，對電纜安全運行起到監控和預判作用[17-18]。

3 光纖傳感監測系統電力市場需求

據統計，2012年，國內累計安裝風電機組53764臺，裝機容量 75324.2MW，同比增長20.8%。2013年全年新增發電裝機容量9000 萬千瓦左右。因此在發電領域，光纖傳感市場也有很大的應用前景和市場容量[19]。

變電站方面，根據國家電網公司《國家電網公司“十二五”智能化規劃》，“十二五”期間，國家電網公司將新建110（66）kV 及以上電壓等級智能變電站5100 座、變電站智能化改造約1000 座。要求到2015年，國家電網公司經營區域110(66)kV 及以上電壓等級智能變電站將占變電站總座數的30%左右。

根據行業統計資料和市場分析預測，2010年我國110kV 電纜長度為13000 km，2015年預測為26000 km，2020年將達到50000 km；220kV 電纜2010年為1600km，2015年預計為3700 km，2020年將達7000km左右；而500kV 電纜2010年為近400km，2015年將達870km，2020年預計為1700km[20]。

根據國家電網公司發布的 《關于加快推進堅強智能電網建設的意見》，2011-2015年智能電網投資約2 萬億元；2016-2020年智能電網投資為1.7萬億元。2013年電力領域對光纖傳感技術的市場需求接近10 億元，未來幾年電力領域的需求增長以及在30%以上。可以預見，未來電力工業中光纖傳感市場將迎來巨大的機遇和挑戰。

4 光纖傳感在智能電網的市場格局

目前光纖傳感技術及產品在電力系統中的應用主要集中在高電壓等級的電氣設備、發電機組、長距離動力電纜、架空線路等電力設施的監測。由于這些應用場景對傳感器絕緣特性、抗電磁干擾能力、戶外生存能力等各方面的要求，傳統的傳感技術無法勝任或是監測空白領域。具體產品中，全光纖電流互感器取代傳統電磁式互感器已經成為必然趨勢；光纖光柵傳感技術由于可以實現溫度、應變等多種參量測量，且可以共用通信線路及監測主機，在產品功能擴展和維護性方面具有很大優勢，在健康監測和溫度監測等方面發展勢頭強勁；長距離電纜的溫度在線監測只有光纖拉曼分布式測溫技術可以勝任；此外，隨著近年來復合光纜OPGW 和OPPC等電纜的大量使用，光纖布里淵分布式監測系統如能進一步降低成本，在傳感理論上進一步完善，其應用前景也是非常可觀。

在智能電網光纖傳感產品供應商中，國內主要有上海波匯、上海華魏、蘇州光格、武漢理工光科、深圳安捷等，國外廠商有美國MOΙ，德國LΙOS 和AP Sensing，英國Sensa 和SmartFiber，加拿大QPS，OPSENS 等。國內廠商近些年來技術發展迅速，在電流互感器、光纖光柵、拉曼、布里淵等多項光纖傳感技術中逐步打破國外技術封鎖和領先優勢，在發電廠、電纜測溫、變電站等領域中已經有越來越多國產光纖傳感產品與國外廠商同臺競技并取得不錯的市場成果。但在一些領域，如變壓器繞組測溫、大距離（15km 以上）電纜溫度監測、汽輪發電機振動監測和風力發電機葉片監測等方面，與國外還有較大的技術差距，需要進一步發展。

5 結論

光纖傳感作為一項年輕的傳感技術，因其絕緣、抗電磁干擾、易組網監測等特有的優勢已在智能電網的變革中迎來了巨大發展空間。隨著光纖傳感技術近些年的飛速發展，新理論、新材料、新工藝、新技術的不斷涌現，以及光纖傳感系統成本的逐步下降，相關行業標準的日益規范和完善，相信光纖傳感這一新興產業必將在電力工業這一國民經濟重要支柱產業中獲得飛速發展和廣泛應用。

[1] 陳樹勇,宋書芳,李蘭欣,等.智能電網技術綜述[J].電網技術,2009,33(8): 1-7.

[2] 李星蓉.光纖傳感器在電力系統中的應用[J].電力通信系統,2008,29(189): 49-52.

[3] 徐金濤,王英利,王嘉,等.全光纖電流傳感器在智能電網中的應用[J].電器工業,2011(1): 53-57.

[4] 張月芳,葉林華,裘燕青.鎖相相關檢測技術在熒光光纖溫度傳感器中的應用[J].儀表技術與傳感器,2009(3): 104-107.

[5] CULSHAW B,KERSEY A.Fiber-Optic Sensing: A Historical Perspective[J].ΙEEE Journal of Lightwave Technology,2008,26(9): 1064-1078.

[6] 鄭書增,郝駿,麻海燕.發電機定子繞組端部光纖振動在線監測系統在生產中的應用[J].電力技術,78: 23-27.

[7] 張月芳,葉林華,裘燕青.小型風力機葉片的流場仿真和應變實驗研究[J].武漢理工大學學報,2013,35(1): 11-14.

[8] HOU X,ZHANG J G,HU Y F.Flow field simulation and strain measurement experiment of small wind turbine blades [J].Jouranl of WUT,2013,35(1): 11-14.

[9] http://www.smartfibres.com/images/FBG_vs_Electrical_ Strain.jpg

[10] 羅健斌,郝艷捧,葉青,等.OPPC 線芯溫度的分布式布里淵散射光纖傳感技術[J].電力系統自動化,2013,37(13): 114-120.

[11] 李路明,許鵬,張治國,等.基于拋物線法和光纖傳感技術的架空輸電線覆冰厚度監測[J].中國科技論文,2013,8(7): 688-691.

[12] 馬國明,李成榕,全江濤,等.架空輸電線路覆冰監測光纖光柵拉力傾角傳感器的研制[J].中國電機工程學報,2010,30(34): 132-138.

[13] 馬國明,李成榕,蔣建,等.架空輸電線路覆冰監測用光纖光柵風速傳感器的研制[J].中國電機工程學報,2011,31(13): 128-134.

[14] 李卓明,李永倩,趙麗娟,等.光纖布里淵傳感器在電力系統光纜監測中的應用探討[J].電力系統通信,2006,27(161): 37-41.

[15] 李成賓,楊志,黃春林.光纖布里淵傳感在輸電線路覆冰檢測中的應用[J].電力系統通信,2009,30(200): 37-41.

[16] 李強,王艷松,劉學民.光纖溫度傳感器在電力系統中的應用現狀綜述[J].電力系統保護與控制,2010,38(1): 135-140.

[17] 周忠義,陳維加.利用光纖測溫系統提高電纜線路運行能力的實踐[J].電線電纜,2011(2): 1-5.

[18] LΙ Q,WANG Y S,LΙU X M.Practice of Raise the Cable Line Operating Capability by Using an Optic Fiber Temperature Measuring System [J].Electric Wire ＆ Cable,2011(2): 1-5.

[19] http://www.lios-tech.com/Menu/Technology+CN/Real+Time +Thermal+Rating+System

[20 ]http://www.cec.org.cn/guihuayutongji/gongxufenxi/dianliyu nxingjiankuang/2013-11-15/112210.html

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