關(guān) 巍

（河北省電力公司，石家莊 050021）

智能電網(wǎng)作為電網(wǎng)技術(shù)未來發(fā)展趨勢已經(jīng)得到共識，成為我國電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)重要方向。傳感技術(shù)則是智能電網(wǎng)中非常重要的一環(huán)，通過先進(jìn)的傳感技術(shù)可以獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息以用于智能電網(wǎng)的各個(gè)方面使用[1]。

光纖傳感技術(shù)是傳感器家族的新成員。在這一技術(shù)中，光纖即是測量信號載體，也可以是傳感媒質(zhì)。與傳統(tǒng)的傳感技術(shù)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(yōu)異性能，能夠?qū)囟取⒄駝?dòng)、電流、應(yīng)變等多種參量實(shí)現(xiàn)在線測量。同時(shí)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(shù)可以實(shí)現(xiàn)大的監(jiān)測覆蓋范圍和高效的信息傳輸性能，迎合了智能電網(wǎng)對先進(jìn)傳感技術(shù)的需要，是非常有前景的傳感技術(shù)[2]。

1 光纖傳感技術(shù)現(xiàn)狀

與其他傳感技術(shù)相比，光纖傳感有著非常獨(dú)特的布設(shè)方式。除了與傳統(tǒng)傳感器一樣“點(diǎn)式”布設(shè)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(zhǔn)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(shù)。

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(yīng)。即處于磁場中的光纖會(huì)使在光纖中傳播的偏振光發(fā)生偏振面的旋轉(zhuǎn)。由于載流導(dǎo)線在周圍空間產(chǎn)生的磁場，導(dǎo)致線偏振光通過置放在磁場中的法拉第磁光材料時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)Δθ=4VNI。式中V是光纖材料的Verdet 常數(shù)，指光波在磁光材料中通過單位長度，由單位電流產(chǎn)生的磁場引起的旋轉(zhuǎn)角的大小；N是光纖繞載流導(dǎo)體的圈數(shù)；I是穿過光纖環(huán)的電流強(qiáng)度。

如圖1所示，由光源發(fā)出的光經(jīng)過一個(gè)耦合器后由光纖偏振器起偏，經(jīng)偏振光平分為兩份，分別沿保偏光纖的X 軸和Y 軸傳輸，經(jīng)相位調(diào)制器和閉環(huán)控制電路產(chǎn)生相位偏置、調(diào)制信號和反饋信號，利用λ/4 波片進(jìn)行線偏振光與圓偏振光的相互轉(zhuǎn)化。載流導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁場使傳感光纖中正交的兩束圓偏振光產(chǎn)生相位差，該相位差與導(dǎo)線中磁場強(qiáng)度（電流強(qiáng)度）成正比，通過測量干涉光強(qiáng)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(zhì)，經(jīng)過一定波長的光激勵(lì)后，熒光物質(zhì)受激輻射出熒光能量，且熒光的強(qiáng)度和輻射光的能量成正比，根據(jù)熒光的強(qiáng)度可以檢測溫度。而激勵(lì)撤消后，熒光余暉的持續(xù)性取決于熒光物質(zhì)特性、環(huán)境溫度等因素，這種受激發(fā)熒光通常是按指數(shù)方式衰減的，稱衰減的時(shí)間常數(shù)為熒光壽命或熒光余暉時(shí)間。由于在不同的環(huán)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(huán)境溫度。

1.3 光纖光柵傳感技術(shù)

光纖光柵[5]是利用光纖材料的光敏特性，結(jié)合相位掩模和紫外激光曝光技術(shù)沿纖芯軸向形成的一種折射率周期性分布的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fā)生改變，相當(dāng)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(gè)使折射率變化周期Λ和有效折射率neff發(fā)生改變的物理過程都將引起光纖光柵波長的漂移。當(dāng)外界的溫度或應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)引起光纖光柵的有效折射率和光柵周期發(fā)生改變，從而使得光纖光柵波長發(fā)生偏移，通過高分辨率的波長檢測裝置檢測這個(gè)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(zhǔn)分布式”傳感網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。用一寬帶光譜光源輸出光，經(jīng)光分路器到達(dá)不同峰值波長的光纖光柵傳感器陣列；反射光再經(jīng)分路器送至波長可調(diào)諧濾波器。只有當(dāng)反射光波長與可調(diào)諧濾波器的波長相同時(shí)，才能通過濾波器被探測器接收。根據(jù)“可調(diào)諧濾波器波長——探測器功率”的對應(yīng)關(guān)系計(jì)算出傳感光柵的波長位置。

圖3 光纖光柵“準(zhǔn)分布式”多點(diǎn)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

1.4 光纖分布式傳感技術(shù)

當(dāng)光波在光纖中傳播時(shí)，光波在介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)各種散射如圖4所示。只有光強(qiáng)出現(xiàn)變化的是瑞利散射，頻率出現(xiàn)變化的是拉曼和布里淵散射。檢測由光纖沿線各點(diǎn)產(chǎn)生的后向散射，通過這些后向散射光與被測量（如溫度、應(yīng)力、振動(dòng)等）的關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)光纖傳感特有的分布式傳感。

圖4 光纖散射現(xiàn)象

拉曼散射[5]是光量子和介質(zhì)分子相碰撞時(shí)產(chǎn)生的非彈性碰撞過程，而非彈性碰撞伴隨著能量的轉(zhuǎn)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(jié)果會(huì)產(chǎn)生了一個(gè)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(jié)果就產(chǎn)生了斯托克斯和反斯托克斯散射光。同時(shí)反斯托克斯散射光強(qiáng)對溫度很敏感且與溫度成線性關(guān)系，利用斯托克斯和反斯托克斯散射光強(qiáng)的比值可以精確推算光纖的溫度場分布。實(shí)測斯托克斯與反斯托克斯光之比可計(jì)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(shí)現(xiàn)分布式溫度傳感。

介質(zhì)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(chǎn)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(zhì)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(qiáng)度僅與溫度有關(guān)不同，布里淵散射光的頻移量與環(huán)境溫度和應(yīng)力呈線性關(guān)系，因此具有更多潛在的應(yīng)用領(lǐng)域，已成為國際上最活躍的熱點(diǎn)課題之一。

2 光纖傳感在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展日臻成熟，相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)已經(jīng)覆蓋電力系統(tǒng)從發(fā)電、輸電、變電到配電等多個(gè)領(lǐng)域，涵蓋溫度、應(yīng)變、振動(dòng)/加速度、電流、壓力等多種參量，見表1。

表1 光纖傳感技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

2.1 汽輪發(fā)電機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)健康監(jiān)測

汽輪發(fā)電機(jī)長時(shí)間運(yùn)行，定子和楔子的松動(dòng)會(huì)引起發(fā)電機(jī)振動(dòng)和定子絕緣度降低。此外發(fā)電機(jī)過度負(fù)荷也會(huì)引起材料膨脹從而導(dǎo)致局部壓力增加，引起材料發(fā)生斷裂。在定子端部安裝光纖光柵振動(dòng)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(fā)電機(jī)定子進(jìn)行在線監(jiān)測[6-7]。

圖5 安裝在發(fā)電機(jī)上的光纖光柵振動(dòng)傳感器[6]

葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件，其良好的結(jié)構(gòu)特性是機(jī)組長期安全高效運(yùn)行的前提。葉片不僅要承受強(qiáng)大的風(fēng)載荷，還要經(jīng)受氣體沖刷、砂石粒子沖擊，以及強(qiáng)烈的紫外線照射等外界侵蝕,裂紋在惡劣的環(huán)境下頻繁地產(chǎn)生。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備上，為了減小葉片、驅(qū)動(dòng)軸以及其它關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的非對稱負(fù)載，如圖6所示，需要在發(fā)電機(jī)葉片上安裝光纖光柵應(yīng)變傳感器用于監(jiān)控葉片的負(fù)載、結(jié)冰等情況[8]。

圖6 安裝在葉片上的光纖光柵應(yīng)變傳感器[9]

2.2 架空線路健康監(jiān)測

架空線路的健康監(jiān)測，尤其是覆冰監(jiān)測，是智能電網(wǎng)的監(jiān)測重點(diǎn)也是難點(diǎn)。架空線路因?yàn)榫嚯x長、環(huán)境惡劣、電磁環(huán)境復(fù)雜等原因，傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)和手段無法滿足實(shí)際需要。近年來，新建電力輸電線路中普遍架設(shè)了光纖復(fù)合相線（optical phase conductor，OPPC）、光纖復(fù)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(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用具備了傳輸通道的基礎(chǔ)條件[10]。

將光纖光柵溫度傳感器和應(yīng)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(yīng)變和溫度。由于電力線的表面結(jié)冰會(huì)使電力線受到的應(yīng)力比沒有覆冰的時(shí)候變大，當(dāng)光纖光柵應(yīng)變傳感器監(jiān)測電力線的應(yīng)變變化時(shí)，結(jié)合溫度傳感器的測量結(jié)果去除電力線本身熱脹冷縮的影響，就可以得到因?yàn)殡娏€表面覆冰造成的應(yīng)變加大值，再根據(jù)應(yīng)變的變化，結(jié)合電力線的楊氏模量，計(jì)算出應(yīng)力值，再把架空電力線看成拋物線，計(jì)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(dòng)傳感器，可以對風(fēng)載荷引起的電纜舞動(dòng)、微風(fēng)振動(dòng)等進(jìn)行監(jiān)測。在桿塔上安裝傾角傳感器可以對桿塔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，預(yù)防桿塔倒塌事故發(fā)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(yīng)力同時(shí)監(jiān)測，且傳感距離可遠(yuǎn)至50km 以上，因此也進(jìn)行了多次架空線覆冰監(jiān)測測試[14-15]。與其它技術(shù)相比，光纖布里淵分布式傳感可以實(shí)時(shí)測量空間溫度和應(yīng)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(jìn)行監(jiān)測。但布里淵技術(shù)價(jià)格高昂，相關(guān)理論工作還有待完善，目前該技術(shù)仍處于推廣初期。

2.3 電流監(jiān)測

全光纖電流互感器經(jīng)過二十余年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)具備了商品使用價(jià)值，有許多國家和地區(qū)已經(jīng)到了掛網(wǎng)運(yùn)行的階段。與傳統(tǒng)的電磁電流互感器相比具有顯著的優(yōu)點(diǎn)而受到越來越廣泛的關(guān)注。表2對于兩種電流傳感器的性能進(jìn)行了比較。

綜上所述，隨著光纖電流傳感器技術(shù)的日益成熟，技術(shù)法規(guī)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立，光纖電流傳感器必將逐步取代傳統(tǒng)的電磁式電流傳感器而成為電網(wǎng)監(jiān)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(shè)備觸點(diǎn)溫度監(jiān)測

溫度是電氣設(shè)備運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，是反映變電站中開關(guān)、刀閘，電纜接頭是否正常運(yùn)行的重要指標(biāo)。變壓器中也有著名的6℃法則，即運(yùn)行溫度超過最熱點(diǎn)溫度6℃，設(shè)備壽命減半。但在高電壓，強(qiáng)電磁場條件下，傳統(tǒng)的傳感技術(shù)無法直接接觸發(fā)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(shè)備表面進(jìn)行溫度測量，且通過網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)送至控制室統(tǒng)一監(jiān)管，能掌握設(shè)備工作狀態(tài)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(guān)柜和刀閘，以及電纜接頭的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測具有重要的意義。

2.5 動(dòng)力電纜溫度監(jiān)測

動(dòng)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(chǎn)生溫升，電纜絕緣層和保護(hù)層產(chǎn)生陰燃，并伴隨大熱量、可燃?xì)怏w的產(chǎn)生，隨著溫度進(jìn)一步上升即產(chǎn)生煙霧，從而發(fā)展為火災(zāi)。因此，電纜故障首先會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。傳統(tǒng)的電纜監(jiān)測技術(shù)是采用感溫電纜技術(shù)，但該技術(shù)在測溫準(zhǔn)確性、報(bào)警策略、遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面都不能滿足實(shí)際需要。光纖分布式拉曼測溫系統(tǒng)可以在電纜全長度范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)過熱點(diǎn)和異常行為點(diǎn)，包括快速升溫點(diǎn)和慢性升溫點(diǎn)等，能發(fā)現(xiàn)限制電纜載流量的瓶頸點(diǎn)的溫度與位置信息，預(yù)防電纜故障[16]。

光纖分布式拉曼測溫系統(tǒng)對電纜溫度的測量還有重要的延伸應(yīng)用，即可以根據(jù)電纜表面測量溫度、電纜結(jié)構(gòu)和鋪設(shè)環(huán)境，結(jié)合算法模型得到電纜線芯溫度及動(dòng)態(tài)載流量計(jì)算結(jié)果，從而判斷電纜是否正常運(yùn)行，以便及時(shí)調(diào)整負(fù)荷電流，對電纜安全運(yùn)行起到監(jiān)控和預(yù)判作用[17-18]。

3 光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)電力市場需求

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年，國內(nèi)累計(jì)安裝風(fēng)電機(jī)組53764臺，裝機(jī)容量 75324.2MW，同比增長20.8%。2013年全年新增發(fā)電裝機(jī)容量9000 萬千瓦左右。因此在發(fā)電領(lǐng)域，光纖傳感市場也有很大的應(yīng)用前景和市場容量[19]。

變電站方面，根據(jù)國家電網(wǎng)公司《國家電網(wǎng)公司“十二五”智能化規(guī)劃》，“十二五”期間，國家電網(wǎng)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(wǎng)公司經(jīng)營區(qū)域110(66)kV 及以上電壓等級智能變電站將占變電站總座數(shù)的30%左右。

根據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料和市場分析預(yù)測，2010年我國110kV 電纜長度為13000 km，2015年預(yù)測為26000 km，2020年將達(dá)到50000 km；220kV 電纜2010年為1600km，2015年預(yù)計(jì)為3700 km，2020年將達(dá)7000km左右；而500kV 電纜2010年為近400km，2015年將達(dá)870km，2020年預(yù)計(jì)為1700km[20]。

根據(jù)國家電網(wǎng)公司發(fā)布的 《關(guān)于加快推進(jìn)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的意見》，2011-2015年智能電網(wǎng)投資約2 萬億元；2016-2020年智能電網(wǎng)投資為1.7萬億元。2013年電力領(lǐng)域?qū)饫w傳感技術(shù)的市場需求接近10 億元，未來幾年電力領(lǐng)域的需求增長以及在30%以上?？梢灶A(yù)見，未來電力工業(yè)中光纖傳感市場將迎來巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

4 光纖傳感在智能電網(wǎng)的市場格局

目前光纖傳感技術(shù)及產(chǎn)品在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要集中在高電壓等級的電氣設(shè)備、發(fā)電機(jī)組、長距離動(dòng)力電纜、架空線路等電力設(shè)施的監(jiān)測。由于這些應(yīng)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(tǒng)的傳感技術(shù)無法勝任或是監(jiān)測空白領(lǐng)域。具體產(chǎn)品中，全光纖電流互感器取代傳統(tǒng)電磁式互感器已經(jīng)成為必然趨勢；光纖光柵傳感技術(shù)由于可以實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)變等多種參量測量，且可以共用通信線路及監(jiān)測主機(jī)，在產(chǎn)品功能擴(kuò)展和維護(hù)性方面具有很大優(yōu)勢，在健康監(jiān)測和溫度監(jiān)測等方面發(fā)展勢頭強(qiáng)勁；長距離電纜的溫度在線監(jiān)測只有光纖拉曼分布式測溫技術(shù)可以勝任；此外，隨著近年來復(fù)合光纜OPGW 和OPPC等電纜的大量使用，光纖布里淵分布式監(jiān)測系統(tǒng)如能進(jìn)一步降低成本，在傳感理論上進(jìn)一步完善，其應(yīng)用前景也是非常可觀。

在智能電網(wǎng)光纖傳感產(chǎn)品供應(yīng)商中，國內(nèi)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(nèi)廠商近些年來技術(shù)發(fā)展迅速，在電流互感器、光纖光柵、拉曼、布里淵等多項(xiàng)光纖傳感技術(shù)中逐步打破國外技術(shù)封鎖和領(lǐng)先優(yōu)勢，在發(fā)電廠、電纜測溫、變電站等領(lǐng)域中已經(jīng)有越來越多國產(chǎn)光纖傳感產(chǎn)品與國外廠商同臺競技并取得不錯(cuò)的市場成果。但在一些領(lǐng)域，如變壓器繞組測溫、大距離（15km 以上）電纜溫度監(jiān)測、汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)監(jiān)測和風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片監(jiān)測等方面，與國外還有較大的技術(shù)差距，需要進(jìn)一步發(fā)展。

5 結(jié)論

光纖傳感作為一項(xiàng)年輕的傳感技術(shù)，因其絕緣、抗電磁干擾、易組網(wǎng)監(jiān)測等特有的優(yōu)勢已在智能電網(wǎng)的變革中迎來了巨大發(fā)展空間。隨著光纖傳感技術(shù)近些年的飛速發(fā)展，新理論、新材料、新工藝、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，以及光纖傳感系統(tǒng)成本的逐步下降，相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的日益規(guī)范和完善，相信光纖傳感這一新興產(chǎn)業(yè)必將在電力工業(yè)這一國民經(jīng)濟(jì)重要支柱產(chǎn)業(yè)中獲得飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

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[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