國網(wǎng)安徽省電力公司信息通信分公司 丁 健

光纖傳感技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景

國網(wǎng)安徽省電力公司信息通信分公司 丁 健

光纖傳感技術(shù)為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供了一種新的監(jiān)測手段，具有質(zhì)量輕、徑細、抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、信號衰減小、集信息傳感與傳輸于一體等特點，可以解決常規(guī)檢測技術(shù)難以完全勝任的測量問題。依靠其特殊的物理性質(zhì)，在電力系統(tǒng)中一定會有較好的應(yīng)用前景。

光纖傳感技術(shù)；電力系統(tǒng)；應(yīng)用前景

1.光纖傳感技術(shù)概述

光纖傳感技術(shù)是20世紀70年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的，以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測量信號的新型傳感技術(shù)。作為被測量信號載體的光波和作為光波傳播媒質(zhì)的光纖，具有一系列獨特的、其他載體和媒質(zhì)難以相比的優(yōu)點，非常適用于強電磁場干擾和高電壓的環(huán)境里，其中分布式光纖傳感技術(shù)和光纖光柵傳感技術(shù)在電力系統(tǒng)已逐步得到推薦應(yīng)用。

1.1 分布式光纖傳感技術(shù)

分布式光纖傳感技術(shù)主要通過光纖拉曼散射效應(yīng)和光時域反射技術(shù)來實現(xiàn)。拉曼散射指的是光通過介質(zhì)時由于入射光與分子運動相互而引起的波長發(fā)生變化的一種散射。在拉曼散射光中，根據(jù)波長變化方向的不同分為斯托克斯光和反斯托克斯光。其中，較短波長的反斯托克斯光對溫度非常敏感，而較長波長的斯托克斯光對溫度則相對不敏感。利用這一關(guān)系，反斯托克斯光強和斯托克光強的比值能準確反映光纖的溫度信息。光時域反射技術(shù)是指激光在光纖中前向傳播時，不同光纖位置的背向拉曼散射光返回光纖入射端的時間是不同的，通過區(qū)分該時間即可確定散射信號所對應(yīng)的光纖位置，從而實現(xiàn)物理參量的分布式測量。

1.2 光纖光柵傳感技術(shù)

附圖1 光纖散射光譜

光纖光柵是利用光纖材料的光敏性在光纖纖芯形成的空間相位光柵，其基本結(jié)構(gòu)為沿纖芯折射率周期性的調(diào)制，所謂調(diào)制就是沿著光纖軸線均勻分布的折射率產(chǎn)生大小起伏的變化。當光纖光柵的外界環(huán)境發(fā)生變化時，就有可能導(dǎo)致光纖光柵的中心波長隨著溫度產(chǎn)生變化。由于光纖材料的熱光效應(yīng)，光纖光柵的周期也發(fā)生變化，從而導(dǎo)致纖芯有效折射率和纖芯折射率調(diào)制周期的變化，最終導(dǎo)致了光纖光柵波長的漂移，通過監(jiān)測光柵反射光的波長變化，就可以知道光柵處的溫度變化。

附圖2 光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)示意圖

2.光纖傳感技術(shù)優(yōu)勢

光纖傳感技術(shù)以光纖為媒介感知和探測外界被測信號，在傳感方式、傳感原理和信號的探測及處理等方面都與傳統(tǒng)的電子傳感技術(shù)有著明顯的差異，自上世紀七十年代光纖傳感技術(shù)被發(fā)展以來，引入光纖、光纖通信、光電感應(yīng)和信號采集與定位等多種技術(shù)，尤其在某些特殊領(lǐng)域及惡劣工況下具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。首先，利用光纖具有的大容量信息傳輸特點，使其既成為外界信號的感受器，又是信息的傳輸器，從而具有一物多用的特點；且通過調(diào)制和處理光的相位、頻率、振幅以及偏振態(tài)等多種參數(shù)，能夠敏銳地感知外界物理量和化學量的變化，其敏感性和精確度都具有較高的優(yōu)勢。其次，由于光纖使用絕緣材料制成，不易引起自燃和爆炸，因此在易燃易爆環(huán)境中作業(yè)的安全性能很高，對環(huán)境的影響較少，具有本質(zhì)安全性；并在復(fù)雜的電氣環(huán)境之中，光纖傳感器受到的影響很小，其抗干擾性、穩(wěn)定性和可靠性都表現(xiàn)較好，同時利用光信號傳播的特點，使其響應(yīng)速度得到保證。再次，利用光通信技術(shù)容易組網(wǎng)，可以完成長距離的分布式測量，實現(xiàn)對采集信息的大范圍高速傳播。最后，其化學性質(zhì)表現(xiàn)穩(wěn)定，能夠?qū)箰毫迎h(huán)境，經(jīng)濟環(huán)保，安全可靠，具有較好的使用價值。

3.光纖傳感技術(shù)在電力系統(tǒng)中的推薦應(yīng)用

3.1 電力系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備監(jiān)測

風機葉片對于風力發(fā)電來說具有十分重要的意義，一般會在風機葉片上安裝光纖應(yīng)力傳感器，以便對風機葉片所受到的壓力進行實時的監(jiān)控，進而得出風力數(shù)據(jù)。光纖應(yīng)力傳感器體積小，重量也很輕，這種小巧靈便的傳感器分布在風機葉片上，對風力發(fā)電造成的影響很小。

3.2 電力系統(tǒng)關(guān)鍵部位溫度監(jiān)測

要對火力發(fā)電機組的鍋爐和燃料室進行溫度的監(jiān)測，可以將光纖溫度傳感器安置在燃燒室的內(nèi)部，它可以測量一千攝氏度以內(nèi)的溫度，便于人們通過燃燒室的溫度分布來推斷燃燒效率，并以此為根據(jù)來調(diào)制燃燒過程，以便做到安全生產(chǎn)。

3.3 電力系統(tǒng)關(guān)鍵點氣體監(jiān)測

電力系統(tǒng)的安全運行需要通過氣體監(jiān)測來確知二氧化碳、硫化氫、氨氣、氮氣、氯氣以及六氟化硫等氣體，以便更好地控制發(fā)電環(huán)境，這時候，管線氣體傳感器就能夠發(fā)揮巨大作用。這種傳感器的原理是利用氣體在不同波長光照下能夠表現(xiàn)出不同的特征吸收譜線的特性，用吸收光譜法對氣體濃度進行監(jiān)測，因此能夠?qū)Χ喾N氣體進行監(jiān)測。它具有耗損低、不發(fā)熱、不帶電，不燃燒無明火等優(yōu)點，能夠避免傳感器本身的作用造成環(huán)境的失火；全光纖結(jié)構(gòu)又可以在長距離多點探測中發(fā)揮作用；光纖氣體傳感器對于環(huán)境有較好的適應(yīng)程度，在潮濕的環(huán)境中不易發(fā)生故障，在粉塵多的地方也不容易造成爆炸。

3.4 電力系統(tǒng)輸電線路監(jiān)測

對于長距離輸電線路的監(jiān)控更是發(fā)揮光纖傳感技術(shù)的優(yōu)勢所在，如在架空裸線內(nèi)部一般用普通的通信光纖加上光源和光探測器制作而成的分布式光纖傳感器。其優(yōu)點就在于既可以傳感，又能夠傳遞信息。這種傳感器主要用來對遠距離的標志物進行大量位置的、連續(xù)的測量以及監(jiān)控，主要可以用于應(yīng)力和溫度的實時監(jiān)控。上述分布式溫度光纖傳感器的敷設(shè)十分簡單，具有高達一米的分辨率，不僅可以測量故障點的位置，還可以優(yōu)化輸電線路的功率分配；在這種傳感器參與之下建立起防火預(yù)警系統(tǒng)，往往可以收到良好的效果。另外，地下電纜的溫度測量就依靠這種分布式溫度光纖傳感器，一般采用電纜表面敷設(shè)和電纜內(nèi)部敷設(shè)兩種方式。

3.5 電力系統(tǒng)光纖傳感技術(shù)新應(yīng)用

利用光纖抗輻射的特性，在核能發(fā)電領(lǐng)域通過光纖傳感技術(shù)對核電廠反應(yīng)堆進行監(jiān)測，包括混凝土健康狀況、高溫部件的情況以及核廢料堆的溫度等，這是光纖傳感器的新應(yīng)用。此外，隨著光傳感技術(shù)的發(fā)展和設(shè)備工藝水平的提高，光纖傳感器的應(yīng)用范圍會越來越廣。

4.結(jié)論

隨著電力自動化程度的提高，實現(xiàn)電力系統(tǒng)關(guān)鍵要素的電壓、電流、磁場、應(yīng)力、溫度以及速度等實時信息的監(jiān)測，對提高電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和供電質(zhì)量的可靠性具有重要意義。光纖傳感技術(shù)作為一種新型監(jiān)測方式，研究和工程應(yīng)用表明，系統(tǒng)安全穩(wěn)定可靠，獲取信息及時準確全面，經(jīng)濟效益和社會效益顯著，在現(xiàn)代信息通信等新技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用推廣前景廣闊。

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