光纖傳感器在農村電力系統中的應用研究

◇武漢輕工大學電氣與電子工程學院 張澤華 謝妍 呂樂 譚圳城 張杰

隨著農村電力系統的高速發展，傳統的檢測方式已逐漸無法滿足電力系統安全穩定運行的需求，提升電力系統的檢測能力已迫在眉睫。本文通過分析農村電力系統的現狀和特點，結合現有的光纖傳感器的發展歷史與研究成果，對光纖傳感器在農村電力系統季節性用電有載調容控制和火災報警方面的應用進行了研究。相信在不久的將來，光纖傳感器會在電力系統中得到更廣泛地應用。

光纖傳感技術研究始于1977年。隨著光纖技術和光通信技術的快速發展，它是一種新型傳感技術。近年來光纖傳感技術在機械，電子儀器儀表，航空航天，石油，化工，食品安全等領域，得到了發展和推廣。光纖傳感器具有抗電磁、抗原子輻射干擾、直徑小、柔軟、重量輕、機械性能好、絕緣性好、無感電性、耐水性、耐高溫、耐腐蝕等特點。由于其性能，光纖傳感器能夠在如高溫、高壓等極端環境條件下，起到偵察，監測的作用，而且還能接收到人的感官所感受不到的外界信息，在電力系統方面的應用前景也較為廣泛。為了光纖傳感器的優化以及電力系統的智能化發展，我們可以將光纖傳感器應用到電力系統中[1]。

我國現階段的電網信息化、自動化水平較高，適用性也較強，許多用電設施都可以引入其中。光纖傳感器對信號傳感的靈敏度較高，在發電、變電、輸電、配電和用電等環節都可以進行信號檢測。例如，在農村電力系統中，農村居民數量多而且分布廣泛，輸送電線路較長，電能在運輸過程中損耗較大，以及農村用電具有季節性特點，農村電力系統便需要一種現代化監測、控制、管理的調度手段，故而可以將光纖傳感器與農村電力系統有效的結合起來。這樣一來，光纖傳感器能得到進一步的發展，電力系統也在此基礎上可以更高效、安全、便捷的運行。

1 光纖傳感技術的發展歷史

1977年，世界各國逐漸開始進行對光纖技術的研究。伴隨著光纖通信的發展，光纖傳感技術也得到大力發展。近年來光纖傳感技術在機械，電子儀器儀表，航空航天，石油，化工，食品安全等領域的生產過程自動控制，在線監測，故障診斷等方面，得到了發展和推廣。美國光纖傳感器研究起步較早，光纖傳感技術在世界上最為先進，是全球最大的光纖傳感器市場。近年來，中國加大對光纖技術的研究力度，成為亞太地區最主要的光纖傳感產品市場[2]。

僅就光纖傳感技術而言，中國所取得的成就已經接近世界先進水平，與世界尖端技術不斷地縮小差距。在過去幾年，包括南京大學，深圳中科傳感，無錫聯河，珠海光辰在內的許多學校和企業都擁有了一套完整的光纖傳感解調方案。在光纖傳感系統的核心部件上，如Skytone的鈮酸鋰波導，廈門大學的窄帶光源，以及長飛，長盈通保偏光纖等許多技術均處于世界前列[3]。

我國光纖傳感器生產以及服務產業按地域可以分為四大產業群：以江蘇，上海，浙江，安徽為主的華東三角產業群；以北京，河北為主的華北地區環渤海產業群；以湖北為主的華中地區產業群和以廣東為主的珠三角產業群。這四大產業群的企業總數占全國光纖傳感企業的90%。但國內企業由于技術研發水平以及市場競爭水平與外國相比仍有差距，參加國際市場競爭有些困難，而且大多都屬于高新企業，國內市場的企業規模也比較小。

光纖傳感產品批量小，品種多，且分布在多級市場；國外的石油巨頭、軍工巨頭，還有ABB、西門子這樣的電力設備大公司都有自己的光纖傳感業務，在一些新興領域，比如分布式傳感領域，也有一些中小型的專業公司致力研究。

如今光纖傳感技術的應用領域也十分廣泛。例如，在城市建設中，光纖光柵壓力傳感器可以用于測試施工壓力和載荷壓力，從而合理評估該建設結構的性能。又如在電力系統中，光纖溫度傳感器可以實時監測光纖線路的溫度，測量誤差不超過1℃，適用于一些對溫度控制有著嚴格把控的精密設備[4]。

從華裔科學家高錕對光纖傳輸的前景發表自己的見解以來，人們就在光纖這條道路上一直探索著。光纖這一名詞從那時便已經深入在通信發展的歷史長河之中，可以說光纖讓通信發生了質變。當然，其后研究出的光纖傳感技術也在飛速發展著。未來的光纖傳感器應用領域將更加廣泛，應用的場景也更貼近人們生活。

2 農村電力系統的特點

農村電網是指縣級市，區級區域內的城鎮，農村，農耕區以及林牧區用戶供電的配電網，農村配電網是農民進行電氣耕作以及農業現代化的基礎設施。

在發電廠將電通過送變電線路運輸過來，到達供配電所，再送給用戶的過程中。輸配電線路在農村地區無疑是最需要解決的難題。農村居民數量多而且分布比較廣泛，這就導致需要很長的輸送電線路，運輸成本顯然增加，再加之由于較長的送電線路，電能在運輸過程中變壓器損耗較大，無疑增加了維修成本。

農村的房屋建設比較混亂，沒有特點，高度不一，所以電網分支很多，有時候會有六七個分支，這又增加了安裝難度。一旦其中一條分支損壞，那么整個線路就會癱瘓，這又增加了維修難度。

另外一個較為復雜的問題就是農村用電負荷的季節性特點顯著，例如在農耕時節，用電需求會很大，而在非耕作時期由于農村的發展問題用電需求又很小，這就會出現一種能源利用率低的問題，如果在一個地區僅使用一套不變的電網規劃方案，那么以年為時間單位，我們在農村地區損失的電能會是個不小的數目。

農村電網的自然功率因數低下，再加上低壓線路過長，無功補償不足從而導致電網低功率運行，造成線路損壞率提高，由此降低電壓質量[5]。

當然一些經濟因素也是農村電力系統發展較為緩慢的原因。不過主要原因還是體現在：運送過程中的損失；季節性特點所帶來的用電不平均。這兩點急需解決。

3 光纖傳感器在農村電力系統方面的應用

以上研究了農村電力系統所存在的弊端。下面將農村季節性用電特點以及農村電力系統與光纖傳感器結合使用進行探討。

3.1 季節性用電方面

為了應對農村季節性用電的特點，農村電力系統普遍采取以下兩種季節性負荷措施，一是安裝有載調容變壓器，二是將變壓器進行并聯運行，普遍優先采取第一種措施。在使用有載調容變壓器時，需要靈敏的信號傳輸系統，光纖傳感器相對其他傳統傳感器有著更好的監測效果，故而可以將其應用到有載調容控制方面，以達到更加精確的控制效果[6]。

3.2 農村電力系統監測方面

光纖傳感器的發明無疑解決了農村電力系統所產生的一系列問題。首先，由于農村的輸電線路較長，電能運輸過程中對變壓器的損耗較大，所以提高變壓器使用壽命尤為重要。而變壓器的使用壽命與其繞組溫度有緊密聯系，因此需要對變壓器進行實時溫度監測。

我們基于光纖光柵測量原理，設計出能測量繞組內部溫度的光纖傳感器就可以解決這一問題。針對變壓器繞組的應用環境，一般選擇硅膠作為粘合劑，將光纖光柵穿過傳感器底座的圓孔，使光柵呈直線狀態，并在底座的圓孔上涂上硅橡膠。這樣制作出的繞組光纖光柵傳感器在變壓器的穩定傳輸方面有著巨大貢獻。

除此之外，根據農村用電的季節性特點，不同季節的用電量有很大差異，導致不同季節電纜運行的溫度大不相同，甚至會出現達到電纜溫度上限的情況，可能造成電纜的損壞。將光纖光柵傳感系統應用其中，可以實現溫度的分布式監測，另外通過配合通風裝置和空調裝置，可以保證在不同的季節以及用電時期電纜的運行溫度都穩定在合理范圍內[7-8]。

另外，農村的林木在干燥氣候下容易造成失火，光纖光柵傳感器可根據溫度是否異常發出火災預警。這對火災的預防作出了重要貢獻，同時也防止了輸電線路因火災而被破壞。

4 結束語

隨著電力系統的智能化發展，對電力系統的監測、控制技術的研究也占據著重要地位。光纖傳感器作為一種性能優越的信號傳感器，已得到多方的關注和研究。隨著設備的發展和技術的改進，光纖傳感器將會廣泛的應用到電力系統的各個領域中。“科技要發展，電力要先行”。電力系統的發展水平是衡量一個國家經濟發達程度的重要標志，也是國民經濟發展戰略的重點。相信在不久的將來，光纖傳感器在電力系統中的廣泛應用勢必會為我國的經濟發展做出巨大貢獻。