干涉型光纖傳感器在電力系統中的應用

郭瑋

摘要：針對光纖應變傳感器在電力領域中應用存在定位精度和誤報警率較高的問題，本文基于干涉型光纖傳感器的基本原理，比較分析了Sagnac光纖傳感器、Michelson光纖傳感器、Fabry-Perot光纖傳感器和Mach-Zehnder光纖傳感器等四種典型傳感器理論模型、特點及應用現狀，重點介紹了干涉型光纖應變傳感器的國內外產品開發現狀，并研究了干涉型光纖溫度傳感器在電力電纜監測、變壓器繞組溫度監測、高壓開關柜溫度監測等方面應用所具有的特點及不足。針對這幾種典型的干涉型光纖傳感器在電力領域中應用遇到的困難與不足，從光源控制、信號特征分析、處理器的多連接、信號處理算法、數據模型的建立等方面提出一些解決方法和措施。最后探討了干涉型光纖傳感器未來在電力領域中一些場景的應用前景。

關鍵詞：干涉型光纖，光纖傳感，傳感器特點，電力系統，應用

引言

電力系統網絡結構復雜、分布面廣，在高壓電力線和電力通信網絡上存在著各種各樣的隱患，因此，對系統內各種線路、網絡進行分布式監測顯得尤為重要。如何實時監測這些故障隱患，直接關系到電力系統的生產安全與運行穩定。由于光纖具有抗輻射、耐高壓、大的通信帶寬、傳輸損耗低等獨特的優勢[1]，所以光纖在電力系統通信傳輸方面進行了廣泛的應用，并且電力系統鋪設了大量的光纖資源。從而為光纖傳感器在電力系統中應用奠定了一定的基礎。

1 干涉型光纖傳感器的原理

干涉型光纖傳感器的基本原理是基于Michelson干涉原理即兩束單色光相干疊加時產生明暗相間的干涉條紋[2-3]。因此，若其中一束光的相位發生改變，則干涉條紋隨之移動。干涉型光纖傳感器是光相位調制型傳感器，通過解調實現相位與光強的轉換。

根據傳感器的結構不同，干涉型光纖傳感器主要有四大類型[4-5]分別是：Sagnac光纖傳感器、Michelson光纖傳感器、Fabry-Perot光纖傳感器、Mach-Zehnder光纖傳感器等。

2 干涉型光纖傳感器的特點及應用現狀

從這四種干涉型光纖傳感器的基本原理及其結構，可反應這四種干涉型光纖傳感器的不同特點。

2.1 Sagnac光纖傳感器特點及應用

由于環形結構，兩條光路具有互易性、溫度穩定性好、零光程差[6]。對光源要求低，可使用高功率寬帶光源。適合長距離管線檢測，也可以設計成光纖圍欄報警系統。可采用開環、閉環、正交信號等檢測方法解調，探測精度高。比較成熟的Sagnac光纖傳感器產品有光纖陀螺儀、光纖水聽器等產品已經商業應用于角速度和超聲波測量中。光纖 Sagnac 環還可以做成光纖濾波器，具有性能穩定、結構簡單、便于調節通道間隔等優點。Sagnac光纖聲傳感器是建立在Sagnac效應原理基礎上的相位調制功能型光纖聲傳感器，現已廣泛應用于醫療、航空、軍事及能源等方面，具有廣闊的發展前景。

2.2 Michelson光纖傳感器特點及應用

光路結構簡單，采用雙臂結構，兩條光臂之間長度差異容易引入噪聲。Michelson光纖傳感器具有抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、使用安全，靈敏度高，重量輕、體積小、可撓曲，測量對象廣泛，傳輸損耗小，傳輸容量大，成本低等優點。因此Michelson光纖傳感可以利用光纖制成不同外型、不同尺寸的各種傳感器，適用于溫度、壓強、應變、應力、流量、流速、電流、電壓、液位、液體濃度、成分等測量，可采用正交信號解調，可實現遠距離遙控監測。目前已廣泛應用于工業、醫療等領域。

2.3 Fabry-Perot光纖傳感器特點及應用

Fabry-Perot光纖傳感器是由光學Fabry-Perot傳感器發展而來，是把光纖端面鍍成高反射膜。光纖Fabry-Perot腔分為內、外兩種。內腔式由一段光纖構成，光纖的兩端面鍍有較高的反射膜組成反射平行平板，是利用化學腐蝕或者是飛秒激光微加工等方式，在光纖內部形成一個規則的空氣腔體。外腔式是由光纖的端面、被測面或者另一光纖的端面和中間的空氣段構成。它們的工作原理與一般的一腔相似。這樣的結構簡單，成本低，對光譜儀分辨率和調整精度要求低，但是抗干擾能力差，測量精度不高，補償誤差的電路復雜。在各種大型結構如油井、橋梁、土木建筑、高速公路、電力等領域都有較好的應用前景。

2.4 Mach-Zehnder光纖傳感器特點及應用

與Michelson光纖傳感器類似的雙臂結構，容易因雙臂長度誤差引起噪聲，但結構簡單，比較容易控制。靈敏度高、動態范圍大，但抗外界干擾弱，適于測量壓力、溫度、加速度計、水聽器等，也可以普遍應用于光纖通信中，利用Mach-Zehnder干涉技術，可以實現光纖圍欄安防系統的低成本、易安裝、易維護。廣泛應用電力、海洋、工業、醫療等領域。

3 干涉型光纖傳感器在電力領域中應用存在的問題與不足

3.1 光纖應變傳感器在電力領域應用

國內外已有公司推出實用化產品，以色列某公司還開發出來一款采用Michelson光纖干涉技術的振動傳感光纜探測系統，將光纖傳感器安裝到圍欄上進行入侵監測。該套系統通過處理器能夠進行入侵模式識別，能夠區分人為剪斷圍欄、人為攀爬圍欄、人為抬起圍欄等入侵事件。該系統后端的處理器帶有若干個節點輸出，每個節點可以保護一段小距離周界，屬于典型防區型監測系統，對于電力系統的大型變電站、發電廠這樣長距離的周界，則需要利用無數個處理器進行組網，才可以構成大型監測系統，但系統集成復雜，且處理器不像光纖傳感器一樣能抗高壓、耐高溫和抗電磁輻射，不利于大型變電站、發電廠這樣長距離周界的安全監測。

在國內，也有相當數量的研究機構進入光纖傳感器入侵定位研究領域。文獻[7]基于Sagnac環原理實現了一種光纖圍欄防入侵系統，可以對擾動事件進行報警。而文獻[8]研究出了相敏光時域反射儀（OTDR）傳感系統，在80公里的長度上實現了50米的定位精度。OTDR光纖分布式入侵監測系統最長監測距離。總體來說，國內在應變定位方面的研究幾乎沒有成熟產品問世，大多還處于應用測試階段，實際現場應用經驗不足，故障數據庫不充分。

3.2 光纖溫度傳感器在電力領域應用

電力系統中大量設備需要檢測溫度信息，從而確定電力設備的運行情況，以便運行調度人員及時采取措施，消除異常，避免設備的損壞和事故的發生。早期通過示溫蠟片、數字溫度傳感器、紅外溫度儀等獲取電力設備溫度信息。但是示溫蠟片與紅外測溫儀需要人工巡查，不能滿足現代數字化電力系統的要求。數字溫度傳感器大多基于大量傳送，受電磁場影響較大，只能測量關鍵點，有一定的局限性。光纖溫度傳感器則克服了以上缺點與不足，在電力電纜監測、變壓器繞組溫度監測、高壓開關柜溫度監測等方面具有一定優勢，光纖溫度傳感器可以檢測電纜表皮溫度后，結合實時電流計算出電纜線芯溫度，可進一步推算出動態載流量并模擬各種運行狀態;光纖溫度傳感器監測變壓器繞組溫度監測并通過變壓器繞組溫度來分析變壓器內部故障;光纖溫度傳感器通過高壓開關柜的溫度監測來提前預警開關柜觸點和母線連接處的老化、松動和接觸電阻過大而引起局部發熱的問題。光纖溫度傳感器在這些方面的溫度監測對保證安全可靠供電具有重要的意義。

光纖溫度傳感器代替傳統的溫度傳感器實現電廠某些關鍵設備的溫度檢測是當前的研究熱點問題。

光纖溫度傳感器在電力系統中的一些應用還需要完善，為了更好地利用溫度信息需要開發溫度與設備運行狀態等的關系模型，比如在電纜監測上有動態載流量模型、纜芯溫度計算模型等。光纖溫度傳感器價格偏高在成本上的制約了其在電力系統中的大規模推廣應用。光纖在某些電氣設備上的敷設較為困難，敷設方式和敷設工藝等方面還需要形成標準規范。基于光纖溫度傳感器的電力系統診斷方面軟件的理論支持與經驗還比較缺乏，難以將系統功能擴展化和標準化。

4干涉型光纖傳感器在電力系統中應用問題的解決措施

4.1 光纖傳感器都需要激光器作為光源，在實際工程應用中，對光源和控制系統的要求很高。為了保證光源的穩定性，需要對光發射部分實現自動溫度控制ATC和自動功率控制APC，使激光器輸出穩定。

4.2 對被測信號做時域、頻域 、互相關、自相關特性差異分析，采用合理的信號處理算法，提取有效信號。

4.3 底層處理器的多連接問題，需要采用多線程結構，相對于計算機執行的其他操作而言，設備IO（文件、管道、套接字等）是比較慢的。于是在多線程結構中就考慮到采用異步的方式進行設備讀寫操作，即告訴系統對設備的讀寫數據，而同時應用程序的其他代碼繼續執行，直到獲取設備操作完畢的系統通知。重疊模型在本質上也是一種異步IO模型。在進行異步IO時，先向系統發出IO請求，操作系統隊列化各種IO請求，并在內部完成操作，當系統在處理IO請求時，線程可以返回繼續執行，當操作系統處理完IO請求之后，通知數據操作（發送、接收、出錯）完畢。這樣能有效解決分布式快速讀取信號的問題。

4.4 采用DSP技術，通過數理統計方法來界定干擾信號和有用信號信號的差異，從而達到區分實際有效信號與干擾信號的目的。

4.5 長期積累大量的采集數據，通過大數據分析方法，確定有效信號模型，通過智能決策系統從而實現智能化監控。

相比于傳統電學傳感器，干涉型光纖傳感器具有精度高、損耗低、小型化、絕緣、抗電磁干擾、本質安全等一系列優點，能實現 100 多種參數的測量。如果解決了應用問題，干涉型光纖傳感器在電力系統的輸電配電線路監測、絕緣性監測、變電站發電廠周界安防、變壓器監測、發電機監測等許多方面將有非常廣闊的應用前景。

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項目名稱：基于Sagnac環的分布式光纖圍欄智能預警安防系統

項目編號：GZ2015-2-0051